定子绕组接地保护改进方案在实际工程中的应用

2022-09-10

目前50MW发电机中性点大都采用不接地方式, 当发电机定子绕组单相接地时, 流过故障点的发电机电压系统对地的电容电流所产生的电弧将灼伤铁芯, 甚至进一步发展成发电机定子绕组相间或匝间短路, 故需装设定子绕组接地保护。但由于某些原因, 定子绕组接地保护的设置存在一些问题, 下面就此作进一步探讨。

1 一次系统接线

由于地区负荷的减少, 近期设计的50MW机组大都以发电机变压器组接入中高压系统, 发电机中性点不接地。高压厂用电源系统推荐采用厂用电抗器, 这主要基于技术经济比较:16000kVA的高压厂用变压器约需60万元, 而相同容量的高压厂用电抗器约需3万元 (水泥电抗器) 或8万元 (空心电抗器) , 采用电抗器要节约许多投资。

2 定子绕组接地保护的常规配置

GB 14285-93《继电保护和安全自动装置技术规程》要求:“与母线直接连接的发电机:当单相接地故障电流 (不考虑消弧线圈的补偿作用) 大于允许值时, 应装设有选择性的接地保护装置。保护装置由装于机端的零序电流互感器和电流继电器构成。其动作电流按躲过不平衡电流和外部单相接地时发电机稳态电容电流整定。发电机变压器组:对100MW以下发电机, 应装设保护区不小于90%的定子接地保护, 对100MW及以上发电机, 应装设保护区不小于100%的定子接地保护。”按规程要求, 50MW发电机变压器组可配置保护区不小于90%的定子接地保护, 即采用基波零序电压保护, 接于机端电压互感器。

3 存在的问题

在大同第一热电厂 (平旺) 2X50MW工程中, 发电机变压器组就采用了基波零序电压保护, 但因高压厂用电系统采用电抗器, 造成发电机电压系统与厂用电电压系统形成一个整体系统, 当厂用电系统发生单相接地故障时, 发电机定子接地保护将误动。当时经多方讨论研究, 采取的措施为发电机定子接地保护动作后, 先切除厂用电抗器, 再延时跳发变组开关。但这并不是很完善的, 因为当厂用电系统任一馈线单相接地故障, 均造成厂用工作电源跳闸, 备用电源切换合闸, 而厂用电系统接地故障时可以只发信号 (接地故障电流小于10A) ;而当发电机发生单相接地故障时, 本应瞬时动作于跳闸 (接地故障电流大于允许值4A) , 只能延时动作于跳闸。虽大同第一热电厂 (平旺) 在几年的运行过程中, 曾有因发电机定子接地保护动作而成功切换厂用电, 未发生过问题, 但也给我们留下一个课题, 寻找更为完善的保护。

4 单相接地时6KV系统基波电容电流的分布

经估算, 厂用电系统接地电容电流约4A～6A, 发电机接地电容电流约1.2A～1.4A, 变压器低压绕组及机端母线系统接地电容电流约0.1A。

5 保护的改进

近期设计的25MW～50MW机组大都为发变组接线方式, 高压厂用电源采用电抗器。根据一次接线的特殊性, 按规程设置基波零序电压保护不是很完善, 下面探讨几种保护改进方案。

25MW～35MW机组装设零序电流保护, 由装于机端的零序电流互感器和电流继电器构成。当发电机内部D点发生单相接地故障时, 其等效序网图如图1 (2) 所示, 流过零序电流互感器LH0的零序电流是除发电机以外的发电机电压系统的电容电流, 即:

其中:UX为发电机的相电压;

ω为发电机角频率, ω=2πf;

CW为机端连接元件每相对地电容。CW=Cm+Cb+CC;

Cm为机端母线每相对地电容;

Cb为变压器低压绕组每相对地电容;

CC为厂用电系统每相对地电容;

当一次接地电流大于允许值4A时, 定子绕组接地保护动作于跳闸。

当发电机外部D点发生单相接地故障时, 其等效序网图如图1 (b) 所示, 流过零序电流互感器LH0的零序电流是发电机的电容电流, 即:

其中:CF为发电机每相对地电容。

这时3I0小于整定值, 保护不会误动。

对于50MW机组, 由于发电机回路电流将近6000A, 零序电流互感器变比选择较大达6000/5A或8000/5A, 目前无此产品 (最大变比只能做到4000/5A) , 所以不能按上述方案配置保护。

3) 考虑到在发电机启动过程中, 厂用工作电抗器退出, 由厂用备用变压器带厂用电, 此时50MW机组设置的零序电流保护相应退出, 保护仍不完善。故考虑另一种配置:仍保留基波零序电压保护, 当厂用电工作电抗器退出、发电机变压器组接入系统运行时, 也不存在发电机电压系统与厂用电电压系统形成一个整体系统的情况, 基波零序电压保护完全能起到其保护作用。由图1 (a) 、 (b) 可以看出, 当发电机内部或外部D点发生单相接地故障时, 流过零序电流互感器LH0的零序电流方向正好相反, 由此可以设置方向元件, 接于零序电流互感器LH0和机端或6KV侧PT, 作为基波零序电压保护闭锁元件, 以当厂用电工作电抗器正常投入运行时, 正确区分是发电机电压系统还是厂用电系统发生单相接地故障。目前微机保护完全能满足要求。