大型水轮发电机中性点接地方式的若干问题分析
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表1 补偿系数与传递过电压
Tab. 1 Compensation factor and transferring over2voltage
k X L /Ω R /Ω U 0/ U ph ( %)
推导得
U 0n = - U A ・
2
ρ υ- j d
ρ— 式中 — — 系统不对称度 ρ=
CA + a CB + aCC CA + CB + CC
第 17 卷第 4 期
电工技术学报
2002 年 8 月
大型水轮发电机中性点接地方式的若干问题分析
Study on Ho w to Ground f or the Neutral Point of Large2Sized Hydro2 Generator
毕大强 王祥珩 王维俭 ( 清华大学电机工程与应用电子技术系 100084)
另外 , 从现场的运行情况来看 , 高压厂用变低 压侧发生单相接地后 , 零序电压通过高低压绕组间 的耦合电容产生的传递电压也可能使基波零序电压 定子接地保护误动 [ 5 ] , 这同样要引起注意 。 以三峡水电站发电机的一种设计为例计算说 明 , 其 有 关 主 要 数 据 为 U ph = 20/ 3 kV , Cg = μF , 高 压 侧 为 500kV 系 统 。按 经 验 值 选 取 1181 μF , CM = U H0 = 015 ×500/ 3 = 144kV , Ct = 012 μF , 按规定安全接地电流 Iδ = 1A 。 0100685 由式 ( 3 ) 计算得到 01956 ≤k ≤11048 , 表 1 分别按欠补偿 、全补偿 、过补偿计算了消弧线圈的 感抗 、电阻以及传递过电压 。可见 , 限制故障电流 在安全接地电流 1A 范围时 , 若高压侧发生接地短 路 , 尽管此传递过电压在安全范围内 , 但却远超过 通常基波零序电压定子接地保护的动作整定值 ( 5 ～10V ) , 定子单相接地保护必误动 , 这就必须在 保护判据中加上防误动措施 。由表中值可知 , 过补 偿时的传递电压比欠补偿时高 , 这也是发电机经消 弧线圈接地时须选择欠补偿方式 。
所以 , 若将故障电流限制在 Iδ 范围内 , 补偿系数 应满足以上关系 。 当式 ( 2) 取等号时 , 解得
XL = k Iδ k IC k XC I δ IC
2 2
( 4)
- 1 +2
( k - 1) 2
2
R=
I δ IC
・ XC
- 1 +2
( 5)
按不 同 的 电 压 等 级 设 定 安 全 接 地 电 流 Iδ , 按 式 ( 3) 选取补偿系数后 , 再由式 ( 4 ) 、式 ( 5 ) 计算 出消弧线圈的电感 L 和串联电阻 R 。 选取消弧线圈的电感和电阻后 , 还需按图 2 ( Δ/ Yn 型变压器 ) 验算高压侧系统发生接地故障 时 , 高压侧的零序电压 U H0 经升压变高 、低压绕 组间的耦合电容 CM 施加在发电机机端的传递电压 应满足绝缘耐压要求 , 通常不应使发电机相对地电 压超过发电机额定线电压 。大型水轮发电机按式 ( 5) 选取的小值串联电阻可以将传递过电压限制在 安全范围内 ( 见表 1 ) , 但在考虑传递电压对基波 零序电压定子单相接地保护的影响时 , 此传递电压 将使基波零序电压定子接地保护的动作值提高很 多 , 影响保护的灵敏性与可靠性 。即限制传递电压 和减小故障电流是一对相互矛盾的要求 , 增大串联
a= -
1 3 +j 2 2
υ— — — 补偿系统的脱谐度 ω ( CA + CB + CC) υ= ω L 2 R 2 + (ω L) ω ( CA + CB + CC)
I C - IL 1 =1IC k
=
d— — — 补偿系统的阻尼率 R 2 2 IR R + (ω L) 1 1-υ d= ω ( CA + CB + CC) = I C = kQ = Q Q— — — 消弧线圈的品质因数 Q = XL / R
1 引言
大型水轮发电机的中性点接地方式与其安全密 切相关 , 在具体选择时须考虑定子单相接地故障电 流对铁心的损害 、暂态过电压和传递过电压对绝缘 的损伤 、定子单相接地保护的整定和出口动作方 式 、正常运行时的中性点位移电压以及接地装置的 设计制造等诸多方面的问题 。目前国内外大型水轮 发电机组主要采用中性点经高阻接地 ( 配电变压器 二次侧接小电阻) 和消弧线圈 ( 欠补偿或谐振) 接
的消弧线圈电感 L 和串联电阻 R 及相应的补偿系 数 k。 流经消弧线圈的电流
I RL = U ph R U ph j X L U ph = 2 2 2 2 = I R + j IL R + j XL R + XL R + XL U ph U ph =j = j IC - j XC XC
流经对地电容的电流
图2 计算传递过电压的零序等效电路
Fig. 2 Zero2sequence equivalent circuit for calculating t he transf位移电压
Fig. 3 Displacing voltage on t he neutral point for arc2suppression coil grounding
IC =
XC =
1 3ω ( Cg + Ct )
2 2
πf , f = 50 Hz XL = ω L , ω= 2
k= IC R + X L = IL X C XL
( 1) ( 2) ( 3)
则有
I=
解得
1 1 + U ph ≤I δ - j X C R + j XL 1 1
Iδ 1+ IC
≤k ≤ I δ 1IC
毕大强 男 , 1973 年生 , 清华大学电机系博士生 , 主要从事电气主设备继电保护研究 。 王祥珩 男 , 1940 年生 , 清华大学电机系教授 , 博士生导师 , 主要从事电机分析和控制 、电机故障诊断及保护 。
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电工技术学报
2002 年 8 月
我国制定的单相接地故障时的安全接地电流为 : 发 电机额定电压 1015kV 为 3A ; 1318 ～ 15175kV 为 2A ; 18kV 及以上为 1A 。发电机定子绕组发生单 相接地故障后 , 无论中性点是经配电变压器高阻接 地或经消弧线圈接地 , 接地电流与流经中性点的电 流都是不同的 。流经中性点的电流是经过接地变压 器或消弧线圈的电流 , 接地电流则是流过对地电容 的电流与配电变压器或消弧线圈的电流的矢量和 。 因为铁心的烧损程度与流过故障点的电流平方成正 比 , 流过故障点的电流是接地电流 , 而不是流经中 性点的电流 , 后者不能用来作为发电机安全接地电 流值的判断标准 , 只能是用来设计配电变压器或消 弧线圈的容量 。 212 补偿系数的选择及传递过电压的验算 当认为消弧线圈为纯电感时 , 通常定义补偿系 电容电流 。但考虑消弧线圈本身及附加电 电感电流 阻时 , 这样定义就不准确了 , 因为流经消弧线圈的 并不是纯电感电流 , 这时应该从消弧线圈的补偿机 电容电流的容性分量 理出发定义 k 为 , 以下 消弧线圈电流的感性分量 按此表达式计算 。 经消弧线圈接地可以将故障电流限制在安全接 地电流范围内 , 串联小值电阻后 , 可以降低暂态过 电压 , 并把传递过电压限制在这安全范围内 [ 1 ] 。 数 k为 但从定子接地保护的角度看 , 传递电压还应该不使 基波零序电压单相接地保护误动 。 图 1 为发电机机端发生金属性接地故障时的零 序等效电路 , 图中 U ph 为发电机额定相电压 , C g 为定子绕组每相对地电容 , Ct 为发电机机端至主 变压器绕组间每相对地电容 。当发电机机端发生金 属性单相接地时 , 设 I 为补偿后的故障电流 , Iδ 为设定的安全接地电流 , 计算满足安全接地电流时
f undamental voltage and t he displacing voltage on t he neut ral point effected by t he unbalanced coeffi2 cient and safety grounding current during normal operation. For dist ribution t ransformer grounding it can limit t he over2voltage well , but increases t he grounding fault current and reduces t he sensitivity of protection. Two cases of dist ribution t ransformer grounding are analyzed. Keywords : Arc2suppression coil , dist ribution t ransformer , over2voltage , grounding current , stator ground fault protection
地方式 , 因为两种接地方式各有优缺点 , 国内外学 者对这两种接地方式所持的观点不尽相同 [ 1～4 ] , 所以有必要对两种接地方式存在的问题作以深入分 析 , 根据实际机组的具体情况合理选择接地方式 , 达到扬长避短的目的 。
2 消弧线圈接地方式的若干问题分析
211 安全接地电流
为确保定子铁心的安全 , 当发电机发生定子单 相接地时 , 接地故障电流不应超过安全接地电流 。
Bi Daqiang Wang Xiangheng Wang Weijian ( Tsinghua U niversity 100084 China)
摘要 详细讨论了大型水轮发电机中性点经两种不同方式接地时存在的若干问题 。对中性点 经消弧线圈接地 , 主要分析了限制故障电流在安全接地电流范围内时补偿系数的选取范围 , 在满 足安全接地电流的条件下 , 高压侧发生接地故障时产生的传递电压可能使基波零序电压型定子接 地保护误动 , 不对称系数和安全接地电流影响正常时的中性点位移电压 。对中性点经配电变压器 高阻接地方式 , 主要论述了其在限制过电压方面的优点 , 但存在增大故障电流和降低接地保护灵 敏度的不足 , 分析了两个中性点经配电变压器高阻接地的设计实例 。 关键词 : 消弧线圈 配电变压器 过电压 接地电流 定子接地保护 中图分类号 : TM312107 Abstract This paper discusses several problems about t he neut ral point grounded by two different modes in detail. For arc2suppression coil grounding t hese problems are analyzed such as how to choose t he compensation factor to rest rict t he fault current wit hin t he safety limit , t he impact of t ransferring over2voltage on t he sensitivity and reliability of stator ground fault protection using t he zero2sequence
Tab. 1 Compensation factor and transferring over2voltage
k X L /Ω R /Ω U 0/ U ph ( %)
推导得
U 0n = - U A ・
2
ρ υ- j d
ρ— 式中 — — 系统不对称度 ρ=
CA + a CB + aCC CA + CB + CC
第 17 卷第 4 期
电工技术学报
2002 年 8 月
大型水轮发电机中性点接地方式的若干问题分析
Study on Ho w to Ground f or the Neutral Point of Large2Sized Hydro2 Generator
毕大强 王祥珩 王维俭 ( 清华大学电机工程与应用电子技术系 100084)
另外 , 从现场的运行情况来看 , 高压厂用变低 压侧发生单相接地后 , 零序电压通过高低压绕组间 的耦合电容产生的传递电压也可能使基波零序电压 定子接地保护误动 [ 5 ] , 这同样要引起注意 。 以三峡水电站发电机的一种设计为例计算说 明 , 其 有 关 主 要 数 据 为 U ph = 20/ 3 kV , Cg = μF , 高 压 侧 为 500kV 系 统 。按 经 验 值 选 取 1181 μF , CM = U H0 = 015 ×500/ 3 = 144kV , Ct = 012 μF , 按规定安全接地电流 Iδ = 1A 。 0100685 由式 ( 3 ) 计算得到 01956 ≤k ≤11048 , 表 1 分别按欠补偿 、全补偿 、过补偿计算了消弧线圈的 感抗 、电阻以及传递过电压 。可见 , 限制故障电流 在安全接地电流 1A 范围时 , 若高压侧发生接地短 路 , 尽管此传递过电压在安全范围内 , 但却远超过 通常基波零序电压定子接地保护的动作整定值 ( 5 ～10V ) , 定子单相接地保护必误动 , 这就必须在 保护判据中加上防误动措施 。由表中值可知 , 过补 偿时的传递电压比欠补偿时高 , 这也是发电机经消 弧线圈接地时须选择欠补偿方式 。
所以 , 若将故障电流限制在 Iδ 范围内 , 补偿系数 应满足以上关系 。 当式 ( 2) 取等号时 , 解得
XL = k Iδ k IC k XC I δ IC
2 2
( 4)
- 1 +2
( k - 1) 2
2
R=
I δ IC
・ XC
- 1 +2
( 5)
按不 同 的 电 压 等 级 设 定 安 全 接 地 电 流 Iδ , 按 式 ( 3) 选取补偿系数后 , 再由式 ( 4 ) 、式 ( 5 ) 计算 出消弧线圈的电感 L 和串联电阻 R 。 选取消弧线圈的电感和电阻后 , 还需按图 2 ( Δ/ Yn 型变压器 ) 验算高压侧系统发生接地故障 时 , 高压侧的零序电压 U H0 经升压变高 、低压绕 组间的耦合电容 CM 施加在发电机机端的传递电压 应满足绝缘耐压要求 , 通常不应使发电机相对地电 压超过发电机额定线电压 。大型水轮发电机按式 ( 5) 选取的小值串联电阻可以将传递过电压限制在 安全范围内 ( 见表 1 ) , 但在考虑传递电压对基波 零序电压定子单相接地保护的影响时 , 此传递电压 将使基波零序电压定子接地保护的动作值提高很 多 , 影响保护的灵敏性与可靠性 。即限制传递电压 和减小故障电流是一对相互矛盾的要求 , 增大串联
a= -
1 3 +j 2 2
υ— — — 补偿系统的脱谐度 ω ( CA + CB + CC) υ= ω L 2 R 2 + (ω L) ω ( CA + CB + CC)
I C - IL 1 =1IC k
=
d— — — 补偿系统的阻尼率 R 2 2 IR R + (ω L) 1 1-υ d= ω ( CA + CB + CC) = I C = kQ = Q Q— — — 消弧线圈的品质因数 Q = XL / R
1 引言
大型水轮发电机的中性点接地方式与其安全密 切相关 , 在具体选择时须考虑定子单相接地故障电 流对铁心的损害 、暂态过电压和传递过电压对绝缘 的损伤 、定子单相接地保护的整定和出口动作方 式 、正常运行时的中性点位移电压以及接地装置的 设计制造等诸多方面的问题 。目前国内外大型水轮 发电机组主要采用中性点经高阻接地 ( 配电变压器 二次侧接小电阻) 和消弧线圈 ( 欠补偿或谐振) 接
的消弧线圈电感 L 和串联电阻 R 及相应的补偿系 数 k。 流经消弧线圈的电流
I RL = U ph R U ph j X L U ph = 2 2 2 2 = I R + j IL R + j XL R + XL R + XL U ph U ph =j = j IC - j XC XC
流经对地电容的电流
图2 计算传递过电压的零序等效电路
Fig. 2 Zero2sequence equivalent circuit for calculating t he transf位移电压
Fig. 3 Displacing voltage on t he neutral point for arc2suppression coil grounding
IC =
XC =
1 3ω ( Cg + Ct )
2 2
πf , f = 50 Hz XL = ω L , ω= 2
k= IC R + X L = IL X C XL
( 1) ( 2) ( 3)
则有
I=
解得
1 1 + U ph ≤I δ - j X C R + j XL 1 1
Iδ 1+ IC
≤k ≤ I δ 1IC
毕大强 男 , 1973 年生 , 清华大学电机系博士生 , 主要从事电气主设备继电保护研究 。 王祥珩 男 , 1940 年生 , 清华大学电机系教授 , 博士生导师 , 主要从事电机分析和控制 、电机故障诊断及保护 。
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电工技术学报
2002 年 8 月
我国制定的单相接地故障时的安全接地电流为 : 发 电机额定电压 1015kV 为 3A ; 1318 ～ 15175kV 为 2A ; 18kV 及以上为 1A 。发电机定子绕组发生单 相接地故障后 , 无论中性点是经配电变压器高阻接 地或经消弧线圈接地 , 接地电流与流经中性点的电 流都是不同的 。流经中性点的电流是经过接地变压 器或消弧线圈的电流 , 接地电流则是流过对地电容 的电流与配电变压器或消弧线圈的电流的矢量和 。 因为铁心的烧损程度与流过故障点的电流平方成正 比 , 流过故障点的电流是接地电流 , 而不是流经中 性点的电流 , 后者不能用来作为发电机安全接地电 流值的判断标准 , 只能是用来设计配电变压器或消 弧线圈的容量 。 212 补偿系数的选择及传递过电压的验算 当认为消弧线圈为纯电感时 , 通常定义补偿系 电容电流 。但考虑消弧线圈本身及附加电 电感电流 阻时 , 这样定义就不准确了 , 因为流经消弧线圈的 并不是纯电感电流 , 这时应该从消弧线圈的补偿机 电容电流的容性分量 理出发定义 k 为 , 以下 消弧线圈电流的感性分量 按此表达式计算 。 经消弧线圈接地可以将故障电流限制在安全接 地电流范围内 , 串联小值电阻后 , 可以降低暂态过 电压 , 并把传递过电压限制在这安全范围内 [ 1 ] 。 数 k为 但从定子接地保护的角度看 , 传递电压还应该不使 基波零序电压单相接地保护误动 。 图 1 为发电机机端发生金属性接地故障时的零 序等效电路 , 图中 U ph 为发电机额定相电压 , C g 为定子绕组每相对地电容 , Ct 为发电机机端至主 变压器绕组间每相对地电容 。当发电机机端发生金 属性单相接地时 , 设 I 为补偿后的故障电流 , Iδ 为设定的安全接地电流 , 计算满足安全接地电流时
f undamental voltage and t he displacing voltage on t he neut ral point effected by t he unbalanced coeffi2 cient and safety grounding current during normal operation. For dist ribution t ransformer grounding it can limit t he over2voltage well , but increases t he grounding fault current and reduces t he sensitivity of protection. Two cases of dist ribution t ransformer grounding are analyzed. Keywords : Arc2suppression coil , dist ribution t ransformer , over2voltage , grounding current , stator ground fault protection
地方式 , 因为两种接地方式各有优缺点 , 国内外学 者对这两种接地方式所持的观点不尽相同 [ 1～4 ] , 所以有必要对两种接地方式存在的问题作以深入分 析 , 根据实际机组的具体情况合理选择接地方式 , 达到扬长避短的目的 。
2 消弧线圈接地方式的若干问题分析
211 安全接地电流
为确保定子铁心的安全 , 当发电机发生定子单 相接地时 , 接地故障电流不应超过安全接地电流 。
Bi Daqiang Wang Xiangheng Wang Weijian ( Tsinghua U niversity 100084 China)
摘要 详细讨论了大型水轮发电机中性点经两种不同方式接地时存在的若干问题 。对中性点 经消弧线圈接地 , 主要分析了限制故障电流在安全接地电流范围内时补偿系数的选取范围 , 在满 足安全接地电流的条件下 , 高压侧发生接地故障时产生的传递电压可能使基波零序电压型定子接 地保护误动 , 不对称系数和安全接地电流影响正常时的中性点位移电压 。对中性点经配电变压器 高阻接地方式 , 主要论述了其在限制过电压方面的优点 , 但存在增大故障电流和降低接地保护灵 敏度的不足 , 分析了两个中性点经配电变压器高阻接地的设计实例 。 关键词 : 消弧线圈 配电变压器 过电压 接地电流 定子接地保护 中图分类号 : TM312107 Abstract This paper discusses several problems about t he neut ral point grounded by two different modes in detail. For arc2suppression coil grounding t hese problems are analyzed such as how to choose t he compensation factor to rest rict t he fault current wit hin t he safety limit , t he impact of t ransferring over2voltage on t he sensitivity and reliability of stator ground fault protection using t he zero2sequence
