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選擇性發(fā)電機(jī)定子單相接地保護(hù)方案研究

  【摘 要】本文分析了發(fā)電機(jī)發(fā)生單相接地故障前后機(jī)端側(cè)及中性點(diǎn)側(cè)相電流變化量,提出一種基于故障電阻測量的選擇性定子單相接地保護(hù),通過計算各機(jī)組故障后的計算電阻,來判斷單相接地點(diǎn)是否在本發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部,實(shí)現(xiàn)100%定子單相接地保護(hù)。 
  【關(guān)鍵詞】發(fā)電機(jī);定子接地保護(hù);選擇性;電阻測量 
  0 前言 
  定子繞組對地(鐵心)絕緣的損壞將引發(fā)單相接地故障,這是定子繞組最常見的電氣故障。由于發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)是不接地的或經(jīng)高阻抗接地的,所以定子單相接地故障并不引起大的故障電流,相應(yīng)的定子接地保護(hù)通常只發(fā)信號,經(jīng)轉(zhuǎn)移負(fù)荷后平穩(wěn)停機(jī)。目前很多研究應(yīng)用在多臺發(fā)電機(jī)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行故障時的故障機(jī)組的判斷上時存在一定的不足,無法正確判斷出故障機(jī)組。逐臺機(jī)組去排除,不僅會延長故障時間,還會導(dǎo)致很大經(jīng)濟(jì)損失。本文對現(xiàn)有的各種保護(hù)方法進(jìn)行分析,分析并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障引起的機(jī)端及中性點(diǎn)相電流變化特點(diǎn),進(jìn)行發(fā)電機(jī)定子單相接地保護(hù)方案設(shè)計,使用Matlab來實(shí)現(xiàn)接地保護(hù)算法,進(jìn)行仿真分析。 
  1 基于故障電阻測量的選擇性定子單相接地保護(hù) 
  1.1 定子繞組單相接地故障前正常運(yùn)行時相電流的分析 
  1.2 定子繞組單相接地故障時相電流的分析 
  故障發(fā)電機(jī)故障相相電流變化量大于非故障發(fā)電機(jī)相電流變化量和故障發(fā)電機(jī)的非故障相相電流變化量。對于發(fā)電機(jī)定子單相接地故障,相電流變化量會隨發(fā)電機(jī)定子接地點(diǎn)位置不同而改變,且當(dāng)發(fā)電機(jī)定子在靠近中性點(diǎn)附近發(fā)生單相接地時(即α趨于0時),相電流變化量基波分量數(shù)值很?。ㄚ呌?)。通過分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生定子單相接地故障時,故障相相電流變化量大,而非故障發(fā)電機(jī)各相和非故障相相電流變化量較小,因此可以利用此區(qū)分故障發(fā)電機(jī)。 
  1.3 基于故障電阻測量的接地保護(hù)原理 
  1.3.1 保護(hù)啟動 
  通過在線監(jiān)測并連續(xù)計算并列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)和機(jī)端側(cè)的零序電壓有效值。當(dāng)大于電壓整定值U0set時,判定系統(tǒng)發(fā)生接地故障,啟動保護(hù)判斷。啟動判據(jù)為: 
  由于發(fā)電機(jī)發(fā)生定子單相接地故障時(設(shè)故障相為A相),故障點(diǎn)的零序電壓為: 
  因此在中性點(diǎn)附近發(fā)生定子單相接地時,α趨于0,零序電壓也趨于0,此時保護(hù)不會啟動,存在死區(qū),由于設(shè)計時間有限,僅對零序電壓保護(hù)啟動判據(jù)進(jìn)行分析和研究,故不能實(shí)現(xiàn)定子100%接地保護(hù)。 
  1.3.2 保護(hù)判據(jù) 
  對地計算電阻進(jìn)行接地故障檢測,采用發(fā)電機(jī)的對地計算電阻值與整定值比較,如果發(fā)電機(jī)對地計算電阻小于該發(fā)電機(jī)的整定值(Rf  所以保護(hù)判據(jù)為: 
  發(fā)電機(jī)計算電阻整定值按需要保護(hù)的最大高阻接地故障電阻值乘以一大于1的靈敏系數(shù)確定。當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生定子單相接地故障時,故障發(fā)電機(jī)故障相相電流變化量大,而非故障發(fā)電機(jī)各相和故障發(fā)電機(jī)非故障相相電流變化量較小,因此可以利用此區(qū)分故障發(fā)電機(jī)。通過發(fā)電機(jī)的對地計算電阻值與整定值比較進(jìn)行故障機(jī)組的判斷。 
  2 仿真波形及結(jié)果分析 
  采用EMTP仿真,以三臺發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行為例。各項(xiàng)參數(shù)取值如下:各發(fā)電機(jī)額定電壓均為13.8kV,各發(fā)電機(jī)每相對地電容分別為0.577μF、0.560μF、0.560μF,發(fā)電機(jī)外部系統(tǒng)每相總電容0.15μF。以發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)不接地為例,根據(jù)故障點(diǎn)位置(按照從機(jī)端到中性點(diǎn)側(cè)的順序,即α的取值分別為1.00、0.50、0.00三種定子繞組單相接地位置)、故障電阻Rf(低阻5?贅和高阻1000?贅)等不同情況,分別進(jìn)行仿真測試。 
  2.1 仿真波形 
  圖2、6為發(fā)電機(jī)1定子單相接地故障(C相)前后零序電壓變化波形圖,從圖3到圖5和圖7到圖9為發(fā)電機(jī)1定子繞組C相發(fā)生單相接地時,發(fā)電機(jī)1、2的計算電阻波形圖。由于此時對于發(fā)電機(jī)2和3屬于外部故障,為了簡化分析的過程,只畫出發(fā)電機(jī)1和2的測量電阻波形圖。圖10和圖11為發(fā)電機(jī)外部系統(tǒng)發(fā)生接地故障時的波形圖。Rf1為發(fā)電機(jī)1的計算電阻,Rf2為發(fā)電機(jī)2的計算電阻。 
  2.1.1 定子繞組經(jīng)低阻接地時仿真波形圖 
  2.1.2 定子繞組經(jīng)高阻接地時仿真波形圖 
  2.1.3 發(fā)電機(jī)外部系統(tǒng)接地時仿真波形圖 
  2.2 仿真結(jié)果分析 
  3 結(jié)論 
  本文提出一種新的有選擇性的定子接地保護(hù)方案,即利用測量電阻法,比較各發(fā)電機(jī)的計算電阻而構(gòu)成的定子單相接地保護(hù)原理。分析了三臺發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行和定子接地故障時相電流變化量的基波分量的大小,并提出了保護(hù)的啟動判據(jù)和保護(hù)判據(jù)。通過分析發(fā)現(xiàn),故障發(fā)電機(jī)的計算電阻為一有限值(接近于接地電阻大小的值),而非故障發(fā)電機(jī)的計算電阻為一很大的值,可以區(qū)分故障發(fā)電機(jī),實(shí)現(xiàn)有選擇性的定子單相接地保護(hù),且易于工程實(shí)現(xiàn)。 
  當(dāng)定子單相接地故障發(fā)生在中性點(diǎn)附近時,零序電壓趨于零,保護(hù)不能啟動,保護(hù)存在死區(qū);且低阻接地時,由于故障相電壓值很小,是保護(hù)判據(jù)存在死區(qū)。發(fā)電機(jī)外部系統(tǒng)接地故障時,對于三臺發(fā)電機(jī)來說均屬于外部故障,故此時三臺發(fā)電機(jī)的計算電阻均為較大的值(相對于接地電阻來說),故該保護(hù)具有較高的可靠性。 
  【參考文獻(xiàn)】 
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  [2]王維儉.發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,1998:83-115. 
  [3]王媛媛.小電流接地系統(tǒng)接地保護(hù)方法研究[D].長沙:長沙理工大學(xué),2006. 
  [責(zé)任編輯:龐修平]