發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地保護(hù)的原理與存在的問題及改進(jìn)分析

1 引言

發(fā)電機(jī)定子接地是指發(fā)電機(jī)定子繞組回路及與定子繞組回路直接相連的一次系統(tǒng)發(fā)生的單相接地短路。定子接 按接地時間長短可分為瞬時接地、斷續(xù)接地和永久接地；按接地范圍可分為內(nèi)部接地和外部接地；按接地性質(zhì)可分為 金屬性接地、電弧接地和電阻接地；按接地原因可分為真接地和假接地。

近幾年來，各種原理的發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地保護(hù)裝置紛紛出現(xiàn)，如三次諧波電壓型、零序電流型等，但零序電壓型由于其接線簡單、維護(hù)方便、運(yùn)行可靠等優(yōu)點，仍在中小型機(jī)組上廣泛應(yīng)用。因此，對零序電壓型單相接地保護(hù)進(jìn)行分析和改進(jìn)，仍有現(xiàn)實意義。

2 零序電壓型單相接地保護(hù)原理

6kV發(fā)電機(jī)為中性點不接地系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生定子繞組單相接地時，故障點將出現(xiàn)零序電壓。下面以A相定子繞組任一點發(fā)生金屬性接地故障為例進(jìn)行分析。

當(dāng)中性點直接接地系統(tǒng)（又稱大接地電流系統(tǒng)）中發(fā)生接地短路時，將出現(xiàn)很大的零序電壓和電流。還有在中性點不直接接地系統(tǒng)中當(dāng)發(fā)生單相接地時，也會產(chǎn)生零序電壓。零序電源在故障點，故障點的零序電壓最高，系統(tǒng)中距離故障點越遠(yuǎn)處的零序電壓就越低，取決于測量點到大地間阻抗的大小。

如圖1所示，假設(shè)A相在距中性點a處（a表示由中性點到故障點的匝數(shù)中該相總匝數(shù)的百分?jǐn)?shù)）的d點發(fā)生接地故障。

則零序電壓為（推導(dǎo)過程略）：Ud0=-aEA

上式表明，故障點的零序電壓與a成正比，即接地點離中性點越遠(yuǎn)，零序電壓越高。這樣，可以利用接于機(jī)端的電壓互感器開口三角形取得零序電壓，構(gòu)成單相接地保護(hù)，如圖2所示。

3 存在問題與改進(jìn)

圖2是最基本的零序電壓型發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)，實際運(yùn)行中，經(jīng)常發(fā)生保護(hù)誤動或拒動現(xiàn)象。因此，有必要對這些問題進(jìn)行分析與改進(jìn)，從而提高保護(hù)的正確動作率。

3.1 動作電壓值整定

變壓器 bian ya qi利用電磁感應(yīng)的原理來改變交流電壓的裝置，主要構(gòu)件是初級線圈、次級線圈和鐵心（磁芯）。在電器設(shè)備和無線電路中，常用作升降電壓、匹配阻抗，安全隔離等。變壓器按用途可以分為：配電變壓器、電力變壓器、 全密封變壓器、組合式變壓器、干式變壓器、油浸式變壓器、 單相變壓器、電爐變壓器、整流變壓器、電抗器、抗干擾變壓器、防雷變壓器、箱式變電器 試驗變壓器、轉(zhuǎn)角變壓器、大電流變壓器、勵磁變壓器。

零序電壓型單相接地保護(hù)，是從機(jī)端電壓互感器開口三角形側(cè)取得零序電壓，接入保護(hù)用的過電壓繼電器。理想情況下，發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時，TV開口三角形側(cè)無零序電壓，繼電器不動作。但實際上，發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行情況下，其相電壓中存在三次諧波電壓；另外，在變壓器高壓側(cè)發(fā)生接地短路時，由于變壓器高低壓繞組之間有電容存在，發(fā)電機(jī)機(jī)端也會產(chǎn)生零序電壓。為了保證保護(hù)動作的選擇性，保護(hù)的整定值應(yīng)躲開上述三次諧波電壓與零序電壓。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗，電壓值一般整定為15~20V之間。按此值整定后，由于靠近中性點附近發(fā)生接地故障時，零序電壓低，保護(hù)可能不會起動，故此種保護(hù)的保護(hù)范圍約為由機(jī)端到中性點繞組的85%左右，保護(hù)存在死區(qū)。為了減小死區(qū)，提高保護(hù)的靈敏性，應(yīng)采取措施降低動作電壓。包括裝設(shè)三次諧波電壓濾過器、利用變壓器高壓側(cè)的零序電壓將接地閉鎖等方法來實現(xiàn)。接線原理如圖3所示。

將發(fā)電機(jī)出口6.3kV側(cè)零序由壓經(jīng)三次諧波濾過器LF濾波后，作為起動量輸入定子接地繼電器KE中，為防止變壓器高壓側(cè)接地時對低壓側(cè)的影響，將35kV側(cè)零序電壓作為制動量輸入KE中，這樣保護(hù)的整定值可降低。實際運(yùn)行中電壓值可整定在10V以下，可實現(xiàn)對發(fā)電機(jī)定子繞組90%范圍以上單相接地保護(hù)。

3.2 發(fā)信或跳閘

規(guī)程規(guī)定，對于出口電壓為6.3kV的發(fā)電機(jī)，當(dāng)接地電流等于或大于5A時，單相接地保護(hù)作用跳閘；小于5A時，一般只發(fā)信號不跳閘，這是基于保護(hù)發(fā)電機(jī)定子繞組而作出的規(guī)定。由于電力系統(tǒng)都在不斷擴(kuò)大，現(xiàn)有系統(tǒng)的電容電流一般都在5A以上，按照規(guī)定發(fā)電機(jī)是應(yīng)該跳閘的。但實際運(yùn)行中，受各種因素影響，單相接地誤動率還是較高的，發(fā)電機(jī)頻頻停機(jī)影響較大。這樣，在發(fā)信和跳閘上進(jìn)一步研究提有必要的。

向電力機(jī)車供電的牽引供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行應(yīng)該得到保證。一旦發(fā)生事故，安裝于牽引變電所（開閉所、分區(qū)亭）內(nèi)的繼電保護(hù)裝置即被事故產(chǎn)生的短路電流啟動，自動將向事故點供電的斷路器斷開，以縮小事故范圍，保證其他設(shè)備的安全運(yùn)行和向非事故線路正常供電。這種因事故而自動斷開斷路器的動作，稱為"跳閘".

（1）應(yīng)準(zhǔn)確區(qū)分接地點在發(fā)電機(jī)側(cè)還是在6kV廠用系統(tǒng)。多數(shù)中小電廠，發(fā)電機(jī)與廠用系統(tǒng)是聯(lián)為一體的，構(gòu)成6kV不接地系統(tǒng)。為準(zhǔn)確區(qū)分接地點，可在廠用分支處裝一方向零序電流保護(hù)，當(dāng)判斷為6kV廠用系統(tǒng)單相接地時，因線電壓對稱，仍可繼續(xù)運(yùn)行（一般為2h）。當(dāng)判斷為發(fā)電機(jī)側(cè)單相接地時，可按下面（2）跳閘方式處理。

（2）跳閘方式選擇。現(xiàn)代電廠，一般都是多臺鍋爐與汽機(jī)通過母管并列運(yùn)行。這樣，當(dāng)判斷為發(fā)電機(jī)側(cè)單相接地時，為避免發(fā)電機(jī)停機(jī)，可將該6kV系統(tǒng)上不重要的輔機(jī)跳閘，以減少電容電流至規(guī)定值以下，避免發(fā)電機(jī)定子鐵心進(jìn)一步燒損。在此期間，值班人員可對接地點進(jìn)行確認(rèn)，確認(rèn)無誤后，再通過調(diào)整系統(tǒng)負(fù)荷，對接地發(fā)電機(jī)進(jìn)行停機(jī)處理。

3.3 保護(hù)動作時間

國家有關(guān)規(guī)程對發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地保護(hù)的動作時間未作明確規(guī)定，各電廠應(yīng)根據(jù)本廠機(jī)組的實際運(yùn)行情況給出延時時間。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗，延時時間應(yīng)躲過變壓器高壓側(cè)后備保護(hù)的動作時間，一般為3~5s為宜，否則容易誤動。

4 小結(jié)

在發(fā)電機(jī)主保護(hù)動作跳閘，發(fā)電機(jī)重新零起升壓過程中，值班人員發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)零序電壓時，未直接切斷滅磁開關(guān)來消除發(fā)電機(jī)磁場能量，而是將發(fā)電機(jī)電壓降至零后才斷開勵磁調(diào)節(jié)柜輸出開關(guān)Q4,延誤了事故處理時間，甚至有可能擴(kuò)大事故。因為若故障點在發(fā)電機(jī)內(nèi)部的定子回路中，則二次升壓后故障電壓持續(xù)時間過長，會對定子回路造成嚴(yán)重?fù)p壞，造成無法挽回的后果。因此，處理此類事故時要頭腦冷靜，可直接采取切斷滅磁開關(guān)的辦法來處理。發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地保護(hù)，對于中小型發(fā)電機(jī)，可采用零序電壓型保護(hù)，實際運(yùn)行中，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)接線與運(yùn)行方式，決定保護(hù)接線、定值整定、跳閘方式等，以利于發(fā)電機(jī)定子單相接地保護(hù)準(zhǔn)確而可靠地動作。