小湾电厂发电机定子改接线对定子接地保护整定值的影响

时间:2022-07-02 12:56:57

小湾电厂发电机定子改接线对定子接地保护整定值的影响

摘 要:本文分析了小湾电厂发电机定子改接线对定子接地保护整定值的影响,介绍了发电机定子接地保护定值现场整定方法。通过单相接地的整定试验证实了定子改接线对定子接地保护整定值的影响。

关键词:三次谐波;定子接地保护、阻抗补偿。

0 引言

小湾水电站位于澜沧江中下游河段大理州南涧县和临沧市风庆县交界处,是“西电东送”的标志性工程;总装机容量420万千瓦(6×700MW)。

小湾发电机采用整数槽(q=4)波绕组(定子绕组节距为y1=13、y2=11),40极,定子槽数为480,每相8分支,每分支20个线圈。电站投产后,发电机线棒陆续出现电晕现象,阿尔斯通水电设备(中国)有限公司通过改进发电机定子绕组接线方式对线棒进行防晕处理。

发电机定子改接线不会改变发电机单相接地时的零序电压分布规律,因此不会对利用零序电压原理构成的定子接地保护造成影响,但发电机定子改接线改变了定子对地分布电容,会影响三次谐波定子接地保护及注入式定子接地保护的整定值。

1 发电机定子改接线简介

小湾电厂发电机原绕组绕线方式中,所有绕组的走线方向都是相同的,这就造成相邻的不同相别的线棒(定子端部每8根线棒)之间的电势差逐渐从零(中性点端)变大到18kV(出口段),继而造成定子绕组电场分布不均,局部电势差过高,加重了电晕。为解决电晕问题,小湾电厂对发电机定子进行改接线,改变部分支路绕组的走线方向,使相邻的不同相别绕组的走线方向相反,这样就使得它们之间的电势差始终保持在10.4kV左右,从而降低绕组间的局部电势差、改善线棒间的电场分布,进而减少、减弱电晕的发生[1]。

2 发电机定子改接线对三次谐波定子接地保护定值的影响

发电机三次谐波定子接地保护是通过比较发电机机端和中性点的三次谐波电压的比值,来判断发电机是否满足定子接地相关动作条件,以达到检测距中性点5%~15%范围内定子接地故障的目的。三次谐波定子接地保护的动作判据为:U3T/U3N >K3wzd,式中: U3T、U3N为机端和中性点三次谐波电压值,K3wzd为三次谐波电压比定值。机组在并网后,受变压器对地容抗的影响,机端等值容抗会发生较大的变化,三次谐波电压比值也会随之变化,因此微机保护在机组并网前后各设置一个三次谐波电压比值整定值,根据机组出口断路器位置接点变化自动切换。

根据实际运行情况,正常运行时机端和中性点三次谐波电压比值并不是一个固定的值,随着机组有功负荷变化而变化。这是因为:随着发电机运行工况的改变,定子绕组各点温升有差异,不同程度改变着定子绕组各点对地电导的大小;随着发电机运行工况的改变,发电机沿磁极表面各部位饱和程度不一致,发电机磁场是不均匀分布的,由此造成三次谐波电动势的不均匀;随着发电机运行工况的改变,升压变压器的铁芯饱和程度不同,变压器产生的三次谐波电动势也不同[3]。

发电机定子改接线后,改变了发电机定子绕组对地电容分布,将对机端和中性点三次谐波电压比值U3T/U3N造成影响,同时比值U3T/U3N又随着机组有功负荷变化而变化。因此需要实际测量定子改接线后,机组不同运行工况下机端和中性点三次谐波电压比值的最大值,以此为依据对三次谐波电压定子接地保护定值进行整定。

小湾电厂1、2、3号机组定子改接线前后三次谐波现场试验测量数据如下表。

通过现场试验测量可以看出,定子改接线后U3T/U3N的实测最大值比改接线前增大了,根据理论计算可以得出,发电机定子单相接地故障时:

(1)

(2)

U3T/U3N增大,则 就减小,所以小湾电站发电机定子改接线缩小了三次谐波定子接地保护的保护范围。

3 发电机定子改接线对注入式接地保护定值的影响

3.1 注入式定子接地保护简介

小湾电厂发变组B套定子接地保护使用的是20Hz电源注入式保护,其原理是在发电机定子回路对地之间外加一个20Hz交流电源,保护的动作判据为:RERE.SET}IG0ISAFE,即发电机定子绕组接地电阻小于接地电阻跳闸定值且流过发电机接地设备的零序电流大于安全接地电流定值时,保护动作跳闸。发电机正常运行时,三相定子绕组对地是绝缘的,20Hz电源回路检测到的定子绕组接地电阻很大。而发生定子接地故障时,20Hz电源回路将检测到定子绕组的接地过渡电阻值,该值小于接地电阻跳闸定值,同时发电机接地设备将流过较大的零序电流,使保护满足动作条件跳闸。保护具体接线方式为:发电机中性点接地变压器副边接负载电阻,20Hz注入式电源叠加在负载电阻上,通过接地变压器副边耦合至一次侧。

注入式接地保护的整定值主要有:接地电阻定值、安全接地电流定值、相角补偿值、电阻补偿值、电抗补偿值、电阻折算系数、电压回路监视定值、电流回路监视定值。

3.2 接地电阻定值

发电机中性点经接地变压器高阻接地,当定子绕组发生单相接地故障时,其等效的基波零序回路电路如图2所示。图中,E为发电机相电压;RE为故障点的接地过渡电阻;α为接地故障位置至中性点的匝数占定子绕组一相串联总匝数的百分比;Rn为中性点接地电阻;Xc为三相定子绕组侧系统对地总电容的容抗; U0为基波零序电压;IE为流过故障点的基波零序电流。

考虑发生严重的机端接地故障,根据规程允许的接地故障电流值,通过等效电路求出接地过渡电阻值,此电阻值作为保护接地电阻报警值和调整值的整定依据。

根据等效电路可得出

(3)

式中RN为接地变压器等效至发电机一次侧的电阻值。

根据公式(3)可以计算出机端接地故障时在规定接地故障电流下的过渡电阻值。接地过渡电阻值由两部分组成:可以看出第一部分是一个固定值(机端接地时α=1,IE取规程允许的接地故障电流值);第二部分在定子改接线后变化很小,这是因为发电机定子绕组对地总电容的容抗Xc比RN大得多,定子改接线后Xc发生了一定的变化,但Xc仍然比RN大得多,RN/(-jXc)的值变化很小。

综上所述,定子改接线前后,机端接地故障时在规定接地故障电流下的过渡电阻计算值变化很小,所以注入式定子接地保护的接地电阻定值受发电机定子改接线的影响很小。

3.3 安全接地电流定值

发电机停机时,机端金属性接地,串接一电流表,发电机零起升压,当电流表显示接地故障电流到达安全电流时,读取保护装置检测到的流过接地变压器电流IG0,作为安全接地电流的定值。这是比较准确的安全接地电流的整定方法[7]。

如图2在定子绕组对地总电容和接地变压器构成的并联回路中,流经接地变压器的接地故障电流为:

(4)

由于发电机定子绕组对地总电容的容抗Xc比RN大得多,所以流经接地变压器的电流占发电机接地故障电流的很大一部分。发电机定子改接线虽然改变了定子绕组对地总电容的容抗Xc,但Xc仍比RN大得多,定子绕组对地总电容和接地变压器构成的并联回路的总阻抗变化很小,流经接地变压器的接地故障电流的变化也很小,所以对安全接地电流定值不会有太大的影响。

3.4 相角补偿值

发电机在正常绝缘情况下,注入电流表现为电容电流,注入电压滞后注入电流90°,由于电压、电流回路硬件检测通道相位存在延迟差异,会使电压、电流相位发生偏移。因此须查看正常状态下保护装置显示的相角,然后通过修改相角补偿值进行相角补偿,使补偿后的相角为270°[8]。

发电机定子改接线后改变了定子绕组对地总电容容抗Xc的大小,但不会改变注入电流、电压的相角关系,因此发电机定子改接线对注入式定子接地保护的相角补偿值没有影响。

3.5 电阻、电抗补偿值

电阻补偿值、电抗补偿值的整定方法为:发电机停机状态下,接地变压器高压侧对地短路,投入“补偿试验状态投入”控制字,读取测量电阻二次值作为电阻补偿值,读取测量电抗二次值作为电抗补偿值。经补偿后装置测量的电阻值应该接近为零[8]。

20Hz注入式电源的等效电路如图3所示,图中, 、是接地变压器一次侧绕组漏阻抗,R2、X2是接地变压器二次侧绕组漏阻抗,、是接地变压器激磁阻抗,EZ是注入式电源电动势,各参数均为20Hz下折算到接地变压器二次侧的值。可以看出,接地变压器高压侧对地短路时,所测量出来的电阻二次值、电抗二次值,实际上就是接地变压器的电阻、电抗值,因此发电机定子改接线对注入式定子接地保护的电阻补偿值、电抗补偿值没有影响。

3.6 电阻折算系数

理论上电阻折算系数,但实际的接地变压器电压变比nt、分压器分压比、中间电流互感器变比与设计值之间有偏差,因此需按现场模拟接地故障试验调整该系数。发电机停机状态下,中性点对地经过电阻接地,将实际电阻值与装置中测量的接地电阻值进行比较,电阻折算系数,其中RE为实际接地故障电阻的阻值(一次值),为装置测量到的接地电阻的二次值。调整折算系数后,装置测量结果(一次值)应与实际电阻阻值相对应。由上述可见,电阻折算系数与电压、电流回路变比有关,发电机定子改接线对注入式定子接地保护的电阻折算系数没有影响。

3.7 电压回路监视定值

在发电机停机状态下,发电机中性点做金属性短路试验,实测低频零序电压为,则电压回路监视定值,其中Krel为可靠系数,取0.4~0.6。根据T型等效电路图(图3)可以看出,发电机中性点金属性短路时,其实测低频零序电压的大小与定子绕组对地总电容的容抗Xc无关,因此发电机定子改接线对注入式定子接地保护的电压回路监视定值没有影响。

3.8 电流回路监视定值

在发电机停机状态下,无接地故障时,保护装置实测低频零序电流为IG0.min,则电流回路监视定值,其中Krel为可靠系数,取0.4~0.6。

无故障时保护装置检测到的低频零序电流主要为发电机对地低频电容电流,其大小与定子绕组对地总电容的容抗Xc有很大关系,因此发电机定子改接线对注入式定子接地保护的电流回路监视定值有较大影响。

3.9 注入式定子接地保护现场试验情况

小湾电厂1、2、3号机组定子改接线前后注入式定子接地保护现场试验整定数据如下表。

从表中数据可以看出,小湾电站发电机定子改接线前后,通过现场试验方法整定的注入式定子接地保护的相角补偿值、电阻补偿值、电抗补偿值、电阻折算系数、电压回路监视定值变化很小,只有电流回路监视定值发生了比较明显的变化。

4 结束语

小湾电站发电机定子改接线后,定子绕组对地总电容的容抗Xc发生了变化,改变了正常运行时机端和中性点三次谐波电压比值,使三次谐波定子接地保护的保护范围缩小。对于注入式定子接地保护,定子改接线后改变了发电机对地低频电容电流的大小,从而影响了电流回路监视定值,对注入式定子接地保护的其他定值影响很小或者没有影响。综上所述,发电机定子接线结构发生变化后,会对三次谐波定子接地保护定值及注入式定子接地保护的部分定值造成影响,需要对这两种定子接地保护的定值重新进行现场试验整定。

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