发电机中性点接地方式探讨

发电机中性点接地方式探讨 1 1 2刘其常 , 胡少强 , 刘 蔚 ( )1. 华南理工大学电力学院 ,广东 广州 510640; 2. 江西吉安电厂 ,江西 吉安 343009 摘要 : 介绍了发电机中性点接地方式的发展情况 ,对当前广泛应用的中性点经消弧线圈接地和经接地变压器 - 电阻组合接地方式进行比较 ,可以发现发电机经消弧线圈接地比接地变压器 - 电阻的组合有更多的优越 性 ,幵用 M a tlab进行了仿真验证 。 仿真 M a tlab关键词 : 发电机中性点 ; 接地变压器 ; 消弧线圈 ; ( ) 文章编号 : 100324897 2005 13 20087205 中图分类号 : TM 31; TM 77 文献标识码 : A 6. 3 kV 以及下4 A 0 引言 10. 5 kV 3 A 随着电力系统的发展 ,电力系统容量越来越大 , 13. 8 ～15. 7 kV2 A 作为电力系统原动力的发电机组的单机容量也越来 18 kV 及以上1 A 越大 。大容量发电机的出现 ,使发电机定子线圈接 ,定子接地保护动作后只发在上述安全电流下 地故障的保护问越来越引起人们的严重关注 ,因 信号 , 而不跳闸 , 对于容量大于 150 MW 的水轮发 为大容量的电机电容电流不断增大 ,而发生定子接 电机组应及时联系调度停机处理 ,不再继续运行 。 地故障时 ,故障点的接地电流受发电机电容电流和 根据上述规定来讨论以下几种发电机中性点接 中性点的运行方式的影响 。 地方式 :中性点直接接地 ; 中性点经低阻抗接地 ; 中 性点不接地 ;中性点经高阻抗接地 ;中性点经消弧线 1 发电机中性点接地方式的发展 圈接地 。 上丐纨 70年代初期 ,捷克动力研究院组织了发 1. 1 发电机中性点直接接地 电机单相接地故障电流允许值的科学实验 ,接地故 当发生单相接地故障时 ,电弧接地过电压最低 。 障电流允许值的是这样规定的 : 在一定的故障 同时 ,接地继电保护最简单 。但是 ,现在大型机组的 电流和持续时间下 ,五次试验中若有一次出现铁芯 电压等级和单机容量均大幅度提高 ,由于接地故障 两层叠片烧结在一起 ,该接地故障电流就是不允许 电流大 ,即使继电保护迅速切机 ,也会对发电机造成 的 。试验值为 0. 2 ～40 A ,持续时间为 0. 3～1200 s, 损害 。 [ 2 ] : 按上述规定的 标准 , 临 界电 流 是结果明 2A 。 1. 2 发电机经低阻抗接地方式 考虑安全系数 1. 3～2. 0 ,接地故障电流的允许值规发电机经低阻抗接地运行方式可以部分限制单 相接地电流 ,但其阻值的选取是为了提供继电保护 定为 1. 0～1. 5 A。 装置足够 大 的 电 流 , 故 障 点 接 地 电 流 幅 值 至 少 是 国内有关科研单位 ,对此问题也进行了相当的 研究 ,把不产生电弧的最大接地电流定义为安全电 100 A ,在这个接地电流下继电保护能快速切机 ,但 流 ,幵按不同电压等级推荐了发电机定子接地安全 是铁芯的严重烧毁仍然不可避免 。 1. 3 中性点不接地运行方式电流 ,其值如下 : A b stra c t: The p ap e r in troduce s som e re levan t con ten ts abou t fa ilu re p ro tec tion in regu la tion s and coun te rm ea su re s, ana lyze s the sta r2 tup logic of line fa ilu re p ro tec tion and tran sfo rm e r fa ilu re p ro tec tion. A cco rd ing to som e sta rtup mode s p e rm itted by m ic rop roce sso r fa il2 u re p ro tec tion, it de ta ils the advan tage s and d isadvan tage s in ac tua l op e ra tion. Con side ring the fea tu re s of m ic rop roce sso r p ro tec tion, it b rings fo rwa rd fea sib le schem e s wh ich a re in acco rdance w ith regu la tion s and coun te rm ea su re s. It give s emp ha sis to ana lyze the schem e of fa ilu re p ro tec tion when h ighe r vo ltage b reake r in tran sfo rm e r is rep laced by byp a ss b reake r and p re sen ts the p ropo sa l of de sign schem e and CT se lec tion. Key word s: fa ilu re p ro tec tion; sta rtup; byp a ss b reake r 发电机中性点不接地运行情况下 ,发电机采用发电的燃烧和熄灭的重复过程 ,使健全相的电位可能升 机 - 变压器组的接线方式 ,发电机发生单相接地故 高到破坏其绝缘水平 ,甚至发生相间短路故障 。在 障时 ,线路示意图如下 : 中性点通过高电阻接地 ,则可在熄弧后释放其能量 , 降低中性点电位 ,故障相的电压恢复速度也变慢 ,减 少了电弧重燃的可能性 。高电阻阻值一般取 R ?1 / ω3C。中性点经高电阻接地有几种 , 其中以单 0 相变压器 - 电阻器组合方式最优 。 1. 5 发电机中性点经消弧线圈接地 图 1 单相故障示意图 发电机中性点经消弧线圈接地运行方式中 , 用 F ig. 1 Schem a tic d iagram of single2p ha se fau lt 消弧线圈补偿对地电容电流 , 能够有效地降低接地 点的短路电流 。在发电机内部发生短路时 , 降低了 (在正常运行情况下三相对地电容 C包括发电 0 定子铁芯损害 。使发电机能够在故障情况下运行一 ) 机对地电容 C,变压器和封闭母线对地电容 C相 g t 段时间 , 减少了对系统的冲击 。提高了供电可靠性 。 同 ,在相电压作用下 ,每相都有超前于相电压 90 的? 电容电流流入大地 。三相电流之和为零 。当发生单 2 两种方式的比较 相接地故障时 ,假设为 A 相 ,则有 2. 1 接地故障电流 U = 0 ad 在这里采用了某电厂 300 MW 机组的实际 参 - j150 ? U = E- E= 3 Ee bd b a a 数 , 具 体 参 数 如 下 : 额 定 电 压 2 0 kV , 单 相 对 地 电 j150 ? U = E- E= 3 Ee cd c a a μ容 C= 0. 232F ,主变 、高厂变 、封闭母线对地电容 0 故障点的零序电压为μ C= 0. 060 F ,该厂采用接地变压器参数为 : 变比t 1 20 000 /230 ,接地变压器容量为 30 kVA ,接地电阻值 )(U = U + U + U = - E d0 a - d b - d c - d a 3 Ω 为 0. 519 。通 过 计 算 选 择 消 弧 线 圈 的 参 数 为 在非故障相中流向故障点的电容电流为 Ω11. 56 H ,电阻值 R = 180 。 ω I= U j Cb bd 0[ 5 ] 当发生单相接地故障时 ,等值电路图 2 。 ω I= U j Cc cd 0 U 为故障点零 序电 压 , R为 故障 点的 接地 阻 x f 此时 , 从接地点流回的电流为 I= I+ I。其有 d b c 抗 , Y为中性点的对地导纳 , C和 C为发电机和外 n g t ω效值为 I= 3UC, U 为相电压 , 即是正常运行时三 d 0 部回路对地电容 。 相对地电容电流之和 。 根据此公式 ,我们参考某 300 MW 机组参数代 入计算 ,发电机参数为 : U = 20 kV ,电容 C= 0. 224 0 μ(F,计算结果为 I= 2. 44 A 还不包括主变等电容 d ) 电流 。即在中性点不接地的情况下 , 当发生最严 图 2 发电机零序等值电路图 重的发电机单相接地故障 ,接地电流已经超过发电 F ig. 2 Ze ro2sequence equ iva len t c ircu it of gene ra to r 机允许值 ,故中性点不接地运行方式在大容量机组 中也不适用 ,尤其在大型水轮机组中 ,发电机相对地 故障点的零序电压我们考虑为发电机出口金属 电容更大 ,例如在三峡水轮机组中 ,发电机三相对地 ( ) 性接地短路 R = 0 , 即所有条件均为最严重的故 f 电容电流更是达到了 30 A 左右 ,进进超过了安全允 障 。 [ 6 ] 许电流 。 故障点电流为 因 此 , 按 照《 IEEE GU ID E FOR GEN ERA TOR ω ( ) I= U ×[ Y+ j3C+ C]d x n g t GROUND PRO TECT ION 》推 荐 , 大容 量 的发 电机 中 在发电机中性点经高阻接地系统中 , Y为 1 /R N 性点接地运行方式就主要有发电机中性点经高阻接 () 变压器电抗在工频电压下可以忽略 ,故障电流为 : 地和中性点经消弧线圈接地两种运行方式 。 1 ω ( ) I= U ×[ + j3C+ C]d x g t R1. 4 发电机经高电阻接地 当电网地中性点不接地运行方式中 ,发生单相 将实际参数代入可求得短路点的接地电流 I为 接地故障时 ,即使对地电容电流不大 ,由于对地电弧 9. 38 A。 即故障点电流有三相对地电容电流和中性点电 阻电流叠加 。所以发电机中性点经高阻接地则必须 在发生单相故障时马上切机 ,而丏由于大型机组的 对地电容电流逐渐增大 ,均已经超过了安全电流的 图 4 接地故障三次谐波等值电路图 界限 ,甚至达到了 30 多安培 。所以 ,发电机中性点 F ig. 4 Th ird hamon ic equ iva len t c ircu it of 经电阻接地在发生单相故障停机后 ,应该进行定子 gene ra to r on ground fau lt 铁芯的检查 。 在中性点经消弧线圈接地系统中 ,消弧线圈串联电阻 ,其大小影响故障情况下的动态 1 过电压和接地电流 ,将消弧线圈参数代入公式中我 Y= , R 为消弧线圈串联电阻N ωR + j L 们计算在正常运行中 , U /U ? 0. 474 6 ,考虑安全系 s n故障点的电流为 : ) ( 数 K 1. 1 , 三次谐波保护能保护 60 %定子线圈 。 1 ω ( ) 在中性点通过变压器和电阻组合接地运行方式 I= U ×[+ j3C+ C] d x g t ωR + j l 中 , R 为电阻折算到一次侧的数值 , L 为接地变压器 将计算所选择参数代入上式计算 , 得到故障点 等效变换数值 。将接地变不电阻参数代入计算 , 求 的接地电流 I为 0. 23 A。满足安全电流的允许值 , ( ) 得 U /U = 1. 1 ,考虑到安全系数 K K取 1. 1 , 三次 s n 所以可以只发信号 ,运行人员上报调度部门申请转 谐波保护的整定值 1. 32。即三次谐波保护只能保 移负荷停机 。 护 40 %左右 。该电厂实测正常运行时三次谐波的 2. 2 对继电保护的影响比值为 1. 41, 保护整定值为 1. 552。 发电机单相接地保护主要有零序保护 ,三次谐 故障时 , 无论是中性点经电阻还是经消弧线圈 波保护 ,外加电源型单相接地保护 。 ( α) α( α 接地 , U 为 E, U 为 1 - E, U /U =/ 1 -n 3 s 3 n s 在中性点不接地系统中 ,零序电压保护动作电 α) ;压是取自发电机端部的开口三角形的电压 ,因此 ,灵 因此 , 考虑安全系数 , 中性点经接地变压器组合 敏度在中性点经高阻接地和经消弧线圈接地差别不 接地的三次谐波单相接地保护的保护范围较小 , 而 大 。 消弧线圈则能保护到中性点至定子线圈 60 %的范 因为零序电压保护动作电压的整定值一般在围 。 5 %左右 ,即在中性点附近有 5 %的动作死区 。为了 2. 3 过电压实现发电机定子无死区保护 ,发电机还应采用其他 消弧线圈能将故障电流限制到推荐值之内 ,因 保护 ,例如三次谐波保护来实现 。 在发电机正常运此故障点不建立电弧戒使电弧瞬间熄灭 。这样 ,便 行中 ,均有三次谐波电压存在 , 将接地电弧暂态过电压降低到高电阻接地方式时的 大概在 3 %基波电压左右 ,当发生中性点接地故障 水平 ,其值仅为 2. 3 p u。 [ 1 ] 时 ,等值电路图如图 3、图 4。清华大学电机工程有关科技人员认真组织了发 电机单相接地的动态过电压仿真试验 ,得出的结论 ( )()是 :在额定频率 50 H z附近 ,消弧线圈 串联电阻 接地方式的发电机单相接地故障不比经配电变压器 [ 4 ] 高阻接地方式大 。在消弧线圈接地方式中 ,单相 图 3 正常运行三次谐波等值电路图 接地故障不作用于跳闸 ,只发信号 ,由值班人员转移 F ig. 3 Th ird2ha rmon ic equ iva len t c ircu it of 负荷再手动跳闸 、灭磁 ,这样就可以避免在单相接地 gene ra to r on no rm a l op e ra tion 故障暂态过程中频率偏移太大 。 在正常运行方式中 同时 ,文献 [ 7 ]仿真结果也说明 ,在中性点非直 1 3 接接地系统中 ,只要频率维持恒定 ,不同的接地方式 ( ω) ( )+ j 3C g | U | | Y| ( ω) s N R + j 3L 2 = = 不会显著增加单相接地暂态过电压 。 在发电机中 |U | | Y| 3 n S ( ω) ( )j 3C + 3C g t性点高阻接地系统中 ,由于故障点 2 接地电流已经严重超过发电机安全允许电流 ,发生 在中性点通过消弧线圈接地运行方式中 ,一般 单相接地故障必须迅速跳机 。在甩满负荷的情况下 动态电动势可达到 1. 133 p u。考虑到甩负荷的动态, 当在仿真中叠加 1 %三次谐波在正常情况下 电动势的升高效应 ,中性点经高阻接地系统将可能 时 ,中性点通过消弧线圈接地检测发电机机端三次 产生更高的暂态过电压 。 谐波的 U /U 的比值为 0. 5。 s n 在单元制接线方式中 ,由于目前大容量发电机 在发电机通过接地变压器不电阻的组合接地 多数通过主变和 220 kV 及以上系统相联 ,主变中性 时 ,三次谐波 U /U = 1. 2。s n 点直接接地方式运行 ,所以从高压侧传递过电压基 从 M a tlab仿真结果也可以得出三次谐波保护 本上可以避免了 。 在中性点经消弧线圈接地运行方式有更大的保护范 围 。 3 M a tlab仿真 4 结论 根据前面提到某电厂的实际参数 ,用 M a tlab 分 别仿真发电机出口在 0. 1 s发生金属性短路 , 仿真 通过对发电机两种接地运行方式的比较 ,可以 时间为 1 s,得到故障电流的波形如图 5、图 6。 看到发电机经消弧线圈接地比接地变压器和电阻的 组合有更多的优越性 。 ) 1 限制了故障电流的幅值 ,在大容量机组中 , 由于对地电容值比较大 ,当发生接地故障时 ,故障电 流进进超过了安全电流值 ,通过消弧线圈的接地运 行方式则能限制故障电流 ,避免了发电机单相接地 故障导致定子铁心的损害 。同时 ,接地故障电流的 图 5 接地变压器方式故障点电流波形 减少也降低了故障点电弧重然的概率 ,避免了电弧 F ig. 5 Ground2fau lt cu rren t in neu tra l of gene ra to r 接地过电压的产生 。 grounded th rough ground ing2tran sfo rm e r ) 2 减少故障停机次数 ,作为大容量机组 ,尤其 是汽轮发电机 ,发生全部甩负荷对发电机损害较大 , 而采用消弧线圈补偿的方式可以带故障运行一段时 间 ,在申请调度转移负荷后手动停机 ,同时也减少了 大容量机组跳机对系统的冲击 。 ) 3提高了继电保护的动作可靠性 ,现在运用比 较广泛的三次谐波和基波零序电压 100 %定子接地 图 6 消弧线圈方式故障点电流波形 保护在消弧线圈方式下有更高的灵敏度 。 F ig. 6 Ground2fau lt cu rren t in neu tra l of gen ra to r grounded th rough neu tra lize r 参考文献 : [ 1 ] 贺家李 ,宋从矩. 电力系统继电保护原理 [ M ]. 北京 : 通过仿真结果 ,我们可以看到 ,通过接地变压器 中国电力出版社 , 1994.和电阻组合的接地故障电流为 9. 28 A。因此 ,这种 H E J ia2li, SON G Cong2ju. P rinc ip le of R e laying P ro tec2 接地方式发生单相接地故障时必须马上跳机 。而通 tion in Powe r System [M ]. B e ijing: Ch ina E lec tric Powe r 过消弧线圈接地能够将故障电流降低到安全电流的 P re ss, 1994. 允许值以下 ,电流为 0. 20 A。在 0. 1 s发生短路时 , [ 2 ] B e rm ann J , Krip sky A , Ska lka M. P ro tec tion of L a rge 均有暂态接地电流 ,这个电流幅值和频率主要不暂 A lte rna to rs Connec ted to Step 2up Tran sfo rm e rs aga in st the 态电容有关 ,其幅值还受故障初始相角影响 ,暂态电 Con sequence s Ea rth Fau lts in Sta to r W ind ing[ A ]. C IGR E ( )流幅值虽然很大 ,但是持续时间很短 ,约为 1 ～3 P roceed ing of the 24 th Se ssion. Pa ris: 1972. 128. 个工频周波 ,一般不会对电弧的熄灭带来多少影响 。 [ 3 ] 要焕年 ,曹梅月. 电力系统谐振接地 [ M ]. 北京 : 中国 在发电机中性点接地运行中 ,一般消弧线圈采 电力出版社 , 2000. 用欠补偿方式 ,因为在发电机采用单元制接线方式 , YAO H uan2n ian, CAO M e i2yue. R e sonance Ground ing of 发电机对地电容基本不变 ,不会导致谐振现象的发 Powe r System [M ]. B e ijing: Ch ina E lec tric Powe r P re ss, 生 。同时 ,容性电流的电弧比感性电流的电弧更容 2000. [ 4 ] 李润先. 中压电网系统接地实用技术 [M ]. 北京 : 中国易熄灭 。 [ 9 ] 电力出版社 , 2002. 毕大强 ,王祥珩 ,王维俭. 发电机中性点经消弧线圈谐 L I R un2xian. 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Key word s: gene ra to r neu tra l; ground ing2tran sfo rm e r; neu tra lize r; M a tlab sim u la tion 征稿启事 《继电器 》杂志自本期设立“继电保护与栏 ”后 ,将更多关注电力系统继电保护领域的发展 ,为此 ,本与栏 ()将陆续推出 : 750 kV 特高压输变电继电保护技术 ;电力系统事故 故障 分析 ; 继电保护配置不整定计算 ; 保 护算法探讨等不同的与题 。热烈欢迎大家踊跃投稿 ,共同促进我国继电保护技术的繁荣不发展 。 投稿电子邮箱 : dep s@ xjgc. comdep s@ sina. com 联系电话 : 0374 —3212254 联系地址 :河南省许昌市许继大道 32号许昌继电器研究所《继电器 》编辑部 邮编 : 461000 file:///D|/新建 Microsoft Word 文档.txt df机及ov及ojxlkvjlkxcmvkmxclkjlk;jsdfljklem,.xmv/.,mzxlkjvolfdjiojvkldf file:///D|/新建 Microsoft Word 文档.txt2012/8/2 16:09:56