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关于定子接地保护的几个问题           
关于定子接地保护的几个问题
作者:佚名 文章来源:技术论文 点击数: 更新时间:2008-10-13 8:59:26
随着机组容量的增大,定子接地保护的重要性越来越大。继电保护和安全自动装置技术规程第2.2.4.3条规定:对100 MW及以上的发电机,应装设100%的定子接地保护。全国统计表明,已投运的100%定子接地保护正确动作率不高,且不能有效保护发电机不受损坏。其主要原因是保护投运方式不合理,动作可靠性低,动作灵敏度不高等。本文就定子接地保护的投运方式、保护动作可靠性及动作灵敏度等问题进行探讨。

1 接地保护的投运方式

  70年代以前,定子接地保护的投运方式采用原苏联的标准,即接地电流大于5 A时投跳闸,小于5 A时投信号。80年代初,我国有关部门通过试验,制订了我国发电机单相接地电流的允许值(国家标准)[1],见表1。

表1 发电机单相接地电流允许值
Table 1 Values of permissible single
phase ground current of generator

发电机电压/kV 允许接地电流/A       ≤6.3 4 10.5 3 13.8~15.75 2(氢内冷发电机2.5) ≥18 1
  关于定子接地保护的投运方式,也参照表1规定:当接地电流超过允许电流时投跳闸,否则投信号。但由于多数运行单位不测量也不计算发电机单相接地电流,故国内的现状是125 MW及以下的发电机定子接地保护多数只投信号,200 MW及以上的发电机定子接地保护一般投跳闸。
  此外,对于双频式100%定子接地保护,其3次谐波电压型定子接地保护(本文简称为3ω保护)经常误动,故有关部门建议3ω保护只投信号。

2 定子故障与定子接地保护

  近几年来,定子绕组绝缘下降及绝缘破坏的故障很多。对于许多故障,虽然接地电流小于安全电流,但由于未及时处理,扩大为相间短路或匝间短路,严重损坏发电机,经济损失巨大。西北电网中曾发生多起这样的事故。
2.1 陕西秦岭电厂2号机故障
  1993年,秦岭发电厂2号机(125 MW)大修后并网运行。转子漏水使定子绕组绝缘下降。因未装100%定子接地保护,基波零序电压型定子接地保护(本文简称为3u0保护)只投信号,故障扩大为相间故障,差动保护动作,切除了发电机。
2.2 陕西韩城电厂3号机故障
  1997年,韩城发电厂3号机(125 MW)并网运行。发电机转子漏水,3ω保护动作(没投跳闸)。在运行人员检查的过程中,差动保护动作,切除了发电机。由于该机差动保护系BCH型,动作电流很大,致使3号机的定子线棒烧坏了一半,损失惨重。
2.3 甘肃连城电厂2号机故障
  1995年8月,连城发电厂2号机(100 MW)并网运行。转子进水管漏水,定子接地保护未动(系不灵敏的整流型保护),发展成相间短路,致使发电机端盖被炸开,经济损失很大。
2.4 陕西渭河电厂6号机故障
  1997年11月,渭河发电厂6号机(300 MW)并网运行,主汽门关闭。在此过程中,定子绕组一相接地(位于机端),定子接地保护拒动(引进的集成电路型接地保护),发电机解列时又发生另一相定子绕组接地,致使差动保护、匝间保护动作,切除了发电机。造成定子线棒烧坏多根,定子端部铁心烧损,损失严重。
2.5 定子接地保护
  甘肃永昌发电厂的100 MW机组也曾因定子绕组接地故障没及时切除发电机,致使发电机严重损坏。
  1995年,陕西渭河发电厂4号机(300 MW)并网运行。发电机带100多MW负荷。在增加负荷的过程中,3ω保护动作,切除了发电机。停机后耐压试验检查,发电机绝缘良好,重新启动并投入运行。当时上级主管单位确定为定子接地保护误动。
  后来调出记录资料表明,定子接地保护动作前,发电机一线棒的水回路被堵塞,线棒温度急剧升高,绝缘下降,该相对地电压已降低到51 V(TV二次侧),另两相对地电压已升高到63 V(TV二次侧),此时,如果定子接地保护不动作,运行人员将负荷加至300 MW,定子电流成倍增加,使发热呈平方关系增加,必然导致定子线棒烧坏。轻者停机抽转子处理,重者发展成相间短路。两者均会造成很大的经济损失。此后,主管单位认为定子接地保护动作正确。
  以上事实说明:对于双水内冷发电机,转子漏水必然会造成定子绕组绝缘降低。如不及时停机,也必然会导致相间短路,烧坏发电机。
  此外,定子绕组绝缘破坏,必定要停机处理。现在电力系统容量大,备用机组多,晚停机不如早停机好。
  国内运行的100 MW及125 MW机组,无匝间保护。定子接地保护如投跳闸,可兼起匝间保护的作用。
  综上所述可知:用接地电流允许值来确定定子接地保护的投运方式是不妥的;凡双水内冷的发电机均应装100%的定子接地保护,接地保护应投跳闸;100 MW及以上运行多年的老机组,定子接地保护应投跳闸;3ω保护投信号的规定不妥。
3 3ω保护
  目前,国内运行的100%定子接地保护主要有:叠加直流式、叠加交流式及双频式。
  叠加直流式100%定子接地保护,多用在80年代中期以前投运的大中型机组上。其优点是灵敏度高,能显示运行机组绝缘状况;缺点是发电机系统不能有接地点(包括TV一次中性点不能接地),受冷却水导电度的影响大。陕西秦岭电厂已对4台200 MW发电机叠加直流式定子接地保护作了改进,即当定子绕组冷却水导电度大于某一值时,自动地改变保护的整定电阻[2]
  在西北电力系统中,装有从ABB引进的叠加12.5 Hz交流的定子接地保护。此类保护装置复杂,调试困难,运行情况不佳。
  80年代中期,双频式定子接地保护开始被广泛采用。运行实践表明,3ω保护正确动作率低。以下探讨影响3ω保护正确动作的因素及对策。
3.1 3ω保护不能正确动作的原因
3.1.1
 调整不当
  目前,国内广泛采用的3ω保护的动作方程[3]为:

51-01.gif (596 bytes)

(1)

式中 51-02.gif (157 bytes)为机端3次谐波电压(二次侧);51-03.gif (163 bytes)为中性点3次谐波电压(二次侧);51-04.gif (215 bytes)为调整系数;β为制动比系数。
  该保护的特点是无整定值,要在发电机额定电压下调平衡。即在发电机空载或轻载时调整Image35.gif (862 bytes)1Image35.gif (862 bytes)2,使式(1)左侧为零或很小。
  实际上,由于Image34.gif (868 bytes)s3Image34.gif (868 bytes)N3一般很小(发电机空载时只有0.3 V~0.4 V),当基波零序电压较大时,如果没有特殊仪表能反映Image34.gif (868 bytes)s3Image34.gif (868 bytes)N3大小及相位关系,一般情况下,要使51-04.gif (215 bytes)51-05.gif (231 bytes)大小相等、相位相同是非常困难的。
  此外,随着发电机工况的变化,Image34.gif (868 bytes)s3Image34.gif (868 bytes)N3之间的相位也有些变化,那么当β取何值时才能保证3ω保护的灵敏度及可靠性呢?一般不知道。
  例如,陕西渭河发电厂3号机投运初期,由于平衡没调好,3ω保护经常误动。调试人员重新进行了调试,消除了误动。但将发电机中性点接地试验时,3ω保护又拒动。经检查知:调整时不是将51-04.gif (215 bytes)51-05.gif (231 bytes)调得大小相等、相位相同,而是调成:51-04.gif (215 bytes)=0,51-05.gif (231 bytes)=0。这样,保护输入信号永为零,不可能动作[4,5]
  此外,在没有专用测试仪表的情况下,由于Image34.gif (868 bytes)s3Image34.gif (868 bytes)N3很小,保护接入回路有问题也难以发现。例如,宁夏大坝电厂3号机投产时,将3ω保护中性点电压输入回路接在中性点出线的TA上(电压回路接电流回路),致使定子接地保护误动2次,经济损失很大。
3.1.2 自然条件不佳
  众所周知,双频式保护与其他叠加式保护一样,在发电机出线甚至主变低压侧及厂高变高压侧发生接地故障时,保护均要动作。
  目前国内运行的中型机组,发电机出线不是封闭母线。发电机出线通过穿墙套管引出厂房外,再接到主变及厂高变上。当环境恶劣时(特别是矿区),引出线、瓷瓶上及厂房墙上遍布灰尘。若遇大雨,雨水由厂房落到引线上,往往造成3ω保护误动。宁夏大武口发电厂,曾因天降大雨,定子接地保护多次动作;陕西韩城发电厂,3ω保护在雨天也误动过。
3.1.3 保护用TV中性点不接地
  发电机3次谐波等效回路如图1所示。
  由图1可以看出:机端TV1中性点不接地时,引到保护的3次谐波电压Image34.gif (868 bytes)s3与电容3Cg/2+Cs上的电压Image34.gif (868 bytes)s3′不相对应,这样Image34.gif (868 bytes)s3Image34.gif (868 bytes)N3的相对关系并不是Image34.gif (868 bytes)N3′Image34.gif (868 bytes)s3′之间的相对关系。因此,在发电机电压及负荷变化时,Image34.gif (868 bytes)s3Image34.gif (868 bytes)N3之间的变化规律与理论值不相符。
  80年代初,南京自动化研究所(现名电力自动化研究院)曾对两台大型汽轮发电机的3次谐波电压变化规律进行过测试。测试结果表明,随发电机电压及有功负荷的变化,U*s3与U*N3的大小及相位差也在变,Image34.gif (868 bytes)s3Image34.gif (868 bytes)N3之间的相位差在0°~360°之间变化。与理论值不符。
  1995年,对韩城电厂4号机(125 MW汽轮发电机)进行了谐波测量。测试发现:在发电机由零起升压至满负荷的过程中,Image34.gif (868 bytes)s3Image34.gif (868 bytes)N3随发电机电压升高而增高,随有功负荷的增大而增大,两者之间的相位差逐渐变化达360°,使3ω保护无法投运。后检查发现,机端电压互感器中性点未接地,而通过阻抗很大的消谐器接地。去掉消谐器而将电压互感器中性点直接接地后,重做上述测试,Image34.gif (868 bytes)s3Image34.gif (868 bytes)N3的变化及相位差与理论值相符。定子接地保护运行情况良好。
3.1.4 发电机3次谐波电压变化规律特殊
  众所周知,发电机3次谐波电势的大小与发电机的结构有关。我们曾对国产100 MW,125 MW,200 MW及300 MW的机组进行了谐波测量。测量结果表明:对于125 MW,200 MW及300 MW的机组,Image34.gif (868 bytes)s3Image34.gif (868 bytes)N3随发电机电压升高而增高,随发电机有功负荷的增大而增大,两者之间相位基本相同,最大相位差为6°。上述机组中性点通过单相TV或消弧线圈接地。
  但是,北方重型机械厂生产的100 MW机组Image34.gif (868 bytes)s3Image34.gif (868 bytes)N3的变化规律与上述情况不大相同。我们曾对甘肃永昌电厂及宁夏大武口电厂的6台100 MW机组进行了谐波测量,其变化规律相似。现以大武口电厂3号机为例予以说明(参见表2)。

表2 大武口电厂3号机谐波测量结果
Table 2 Harmonic measurement results
of No 3 generator in Dawukou Power Plant

发电机电压或有功 UN3/V Us3/V Image34.gif (868 bytes)s3Image34.gif (868 bytes)N3相位差/(°) 2 kV  0.125  0.095

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