水轮发电保护

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引言

随着我国对西南水电资源开发规模的空前扩大,大型水轮发电机作为重要电源点将在电力系统中得到更加广泛的应用。由绝缘损坏引起的定子单相接地是大型水轮发电机的常见故障,约占定子故障总量的70%~80%。定子绕组单相接地时故障电流和暂态过电压的大小以及保护方式均与发电机中性点接地方式密切相关。水轮发电机发生定子单相接地后,接地电流经故障点、对地电容、三相定子绕组构成回路,其大小和持续时间的长短将直接影响定子铁芯的烧伤程度。同时接地故障引起的间歇性弧光过电压可能会损坏定子绕组其他位置的绝缘,使接地故障发展成危害更大的相间或匝间短路。大型水轮发电机造价昂贵,制造工艺复杂,铁芯检修困难,所以对接地保护要求尤其严格,在装设100%保护的基础上,还要求中性点附近的绝缘水平下降到一定程度时保护就能动作[1-2]。目前大型水轮发电机装设的定子单相接地保护有2种:将接地故障本身信息作为判据的双频式100%接地保护,包括基波零序电压型保护和3次谐波电压型保护;基于外加交流电源信号的注入式保护。保护动作分为2种:一种是直接作用于跳闸停机;另一种是动作于信号,故障机组转移负荷后再平稳停机。大型水轮发电机单相接地保护装置复杂,涉及的内容和存在的问题都很多,本文围绕大型水轮发电机的中性点接地方式、定子单相接地保护和新技术的发展等问题,进行了深入的分析和评述。

1水轮发电机中性点的接地方式

目前大型发电机中性点接地方式主要有经配电变压器高阻接地和经消弧线圈接地,对于我国大型水轮发电机中性点的接地方式,近年来工业界和学术界一直都有讨论。欧美国家的主流设计是中性点经配电变压器高阻接地,因此近年来我国新建发电厂的引进机组如三峡电厂、二滩和广州蓄能等的水轮发电机都是采用配电变压器高阻接地,保护直接作用于快速跳闸。20世纪90年代中期以前大中型水轮发电机的接地主要由我国专家设计,大都采用中性点经消弧线圈接地,如葛洲坝、小浪底、岩滩和天生桥电厂等,保护动作于信号,机组在故障发生后允许继续运行一小段时间,因当时国内电力相对紧缺,该方法对维持电网的安全稳定运行有一定作用。水轮发电机定子单相接地时接地电流对定子的损伤程度与发电机中性点接地方式息息相关,需考虑2个问题:接地电流会引起故障扩大,其大小和持续时间将影响定子铁芯的烧伤程度;接地故障引起的暂态弧光过电压对定子其他位置的绝缘造成破坏,可能会导致接地故障发展为相间或匝间短路故障[3-6]。发电机中性点经消弧线圈接地情况下,C相出口处发生单相接地故障时的等效电路如图1所示。图中,XQ为消弧线圈,为感性;IXQ为单相接地故障后流过消弧线圈的接地电流;Id为单相接地故障后,实际的接地短路电流,Id=IXQ+Idc,其中,Idc=IA+IB+IC,为单相接地故障后三相对地电容电流和。发电机定子绕组或引出线发生单相接地故障时的相量图如图2所示。由图可知,流过接地点的电容电流超前接地相相电压90°,而流过消弧线圈的电流滞后接地相相电压90°,二者正好反相,所以经消弧线圈接地可以补偿接地故障产生的容性电流。图2中各相量关系如下:实际经验证明:若流过接地点的电流大于30A,则接地点将产生永久性电弧,严重烧损发电机定子绕组、铁芯或有关设备;如果流过接地点的电流为10~30A,则接地点将产生间歇性电弧,烧损设备的同时引起过电压。由于流过消弧线圈的电流对电容电流具有补偿作用,合理选择补偿度k(k=IXQ/Idc),就可以使得流过接地点的实际电流Id<10A,避免产生永久性与间歇性电弧,避免定子单相接地故障时设备损坏。水轮发电机的三相对地电容相对汽轮发电机更大,单相接地电流也就更大。中性点经消弧线圈接地可补偿接地点流过的容性电流使之不超过允许值,从而限制接地短路电流,所以保护可以只发信号由调度安排负荷转移后再停机,当然也可以直接作用于跳闸停机。在发电机与主变压器采用单元接线或扩大单元接线方式时,选择欠补偿方式(即k<1),这样可以限制主变压器高压侧和厂用变压器低压侧发生单相接地时产生的传递过电压,避免基波零序电压保护误动。通常认为单相接地运行过程中频率变化可能会引起谐振过电压,但是由于经消弧线圈接地的水轮发电机没有脱离电网,频率不会发生明显变化,所以应深入关注的问题是发电机及其外部元件上的电容分布复杂,整定计算量化比较困难,导致消弧电抗不容易选取。抽水蓄能机组起停机时频率变化幅度大,更要注意选用有频率补偿的消弧线圈。中性点经配电变压器高阻接地相对比较简单,其实质就是经大电阻直接接地,这样定子单相接地电流通过该电阻构成回路,短路电流大于中性点不接地时所产生的注入大地的电容电流,保护作用于灵敏跳闸。高阻接地方式对暂态谐振过电压和变压器高压侧故障的过电压传递有限制作用。大型水轮发电机通常要求中性点附近的绝缘水平下降到一定程度时保护就能动作,但是高阻接地在一定程度上降低了保护的灵敏度。另外,由于经高阻接地的单相短路电流很大,从保护接到信号到发电机停机灭磁过程中,短路电流依然存在,仍然可能烧坏定子。通过以上分析可知,对于定子绝缘强度很高的大型水轮发电机,真正的威胁是短路电流过大。消弧线圈可以限制短路电流且不会产生暂态过电压,从而避免单相接地故障时定子铁芯被烧坏,发电机也可以不立即跳闸停机,使得系统调整灵活。但消弧线圈的应用存在一定的约束条件,实际应用应谨慎。

2基波零序电压保护

2.1保护原理基波零序电压保护是指通过检测水轮发电机机端或中性点处的基波零序电压来判别单相接地故障,其存在一定的保护死区。零序电压可取自发电机机端TV的开口三角形绕组或中性点TV二次侧。假设定子绕组距中性点α处发生A相接地,α为中性点到故障点的绕组占全部绕组匝数的百分比,设机端三相对地电压分别为UdA、UdB、UdC,则故障点的零序电压为:式(5)表明,故障点的零序电压将随着故障点位置的不同而改变,接地点距离中性点越远,保护越灵敏。如果经过渡电阻单相接地,则过渡电阻越大,保护死区越大。中性点接地方式不同,单相接地的灵敏度不同,从而影响保护范围,中性点经消弧线圈接地可提高零序电压保护的灵敏度。

2.2不平衡电压的影响基波零序电压保护的动作电压Ud0按躲过正常运行时中性点单相TV或机端三相TV开口三角绕组的最大不平衡电压整定。零序电压互感器测量中的不平衡电压的来源主要有:发电机定子绕组感生的3次谐波电势,通常需设置3次谐波滤波环节,以降低整定值;发电机三相绕组对地电容不完全对称,中性点存在一定的位移电压;TV饱和引起的测量误差和机端三相TV各相间的变比误差,主要是TV一次绕组对开口三角形绕组之间的变比误差。

2.3区外故障的影响本文主要考虑发电机高压侧系统或高压厂用变低压侧系统发生单相接地故障可能对保护动作产生的影响:大型发变组的高压变高、低压绕组之间存在耦合电容,当高压侧发生单相接地短路时,高压侧的零序电动势可以通过该耦合电容传到发电机侧,如果该电动势较高,可能造成零序电压保护误动,可在保护中引入高压侧零序电压作为制动量进行保护闭锁,或牺牲部分灵敏度,提高动作电压;高压厂用变压器低压侧6kV系统发生单相接地故障时,过电压也会通过高压厂用变较大的耦合电容传递,由于故障产生的零序电压较低,传递电压也比较低,可以通过调整电压定值或增加相关外部制动电压量来躲过传递电压值;当保护动作于跳闸且零序电压取自发电机机端TV的开口三角形绕组时,为防止TV一次侧断线,需要装设TV断线闭锁[7-8,①]。3

3次谐波电压保护

3.1保护原理水轮发电机正常运行时定子绕组的感生电动势中含有2%~10%的3次谐波电势E3。3次谐波电压保护基于单相接地故障前后发电机中性点3次谐波电压UN3与机端处3次谐波电压US3幅值变化不同构成保护判据。正常运行时UN3>US3,而靠近中性点附近定子接地时则相反,利用该特性可消除基波零序电压保护在中性点附近的死区。水轮发电机的定子3次谐波电压分布理论分析不如汽轮发电机规范和严谨,但不同机组的3次谐波电压定子接地保护遵循同样的保护原理,即α<50%时,US3>UN3,保护动作且接地点越接近中性点,保护灵敏度越高。大型水轮发电机单相接地3次谐波电压保护的判据为:KpUN3-US3> KbUN3(6)其中,Kp、Kb为调整系数。保护装置需使用2组TV,机端3次谐波电压取自发电机机端TV的开口三角形绕组,中性点3次谐波电压取自发电机中性点TV或消弧线圈。实际上该判据可以独立完成100%的定子接地保护。但是在机组容量进一步增大时,由于机组对地分布电容随之增大,该判据将降低保护灵敏度。水轮发电机定子绕组为多极多分支,其各分支构成E3的3次谐波匝电势分布与绕组的连接形式有关,所以对UN3和US3的分析只能针对各个特定机组的等效电路进行,具体的计算分析工作十分复杂,因此3次谐波电压保护并不完全适用于水轮发电机。水轮发电机的3次谐波匝电势分布不同于汽轮机,保护灵敏度较低,一般补充注入式保护甚至用注入式保护取代3次谐波电压定子接地保护[9-11]。

3.2保护误动分析水轮发电机在起停机时刻和运行方式改变较大时,UN3和US3会发生较大改变,引起3次谐波电压保护误动。水轮发电机运行方式改变造成保护误动,主要是因为适用于各种可能运行方式的3次谐波保护动作方程难以确定,判据中的UN3和US3及二者比值均随运行工况改变,且没有确定的变化规律。目前还缺乏对UN3和US3随工况变化而改变的精确理论分析,调整系数很难同时满足不误动和高灵敏度的要求,另外励磁电流的变化也会引起3次谐波电势的变化,因此解决问题的根本在于改变判据形式。文献[2,11-12]对水轮发电机起停机时刻3次谐波电压保护的误动进行了分析总结:在水轮发电机并网前后UN3基本维持不变,US3大幅下降;解列前后UN3基本维持不变,US3大幅升高。发电机并网前机端电容小,容抗大,故US3大,并网后机端电容值会大幅增加,容抗减小,故US3会大幅下降,因此水轮发电机在起停机时刻US3明显变化是导致保护误动的主要原因。一般设2套3次谐波电压保护或设置不同的保护定值,并网前后投切不同的保护,来解决起停机时刻造成的误动,但是这样增加了保护的投资和复杂程度。由互感器故障造成3次谐波电压采集信息的丢失也会造成保护误动,目前的解决方法是增设低电压的保护闭锁环节。

4外加电源方式的定子接地保护

目前的大型水轮发电机基本都配置了外加低频交流电源方式的100%定子接地保护,通常和零序电压保护共同实现100%保护或是与双频式一起构成双重化接地保护。外加电源频率一般为20Hz,由发电机中性点变压器或发电机端TV开口三角形绕组处注入一次发电机定子绕组。其工作原理为正常运行时整个三相定子回路对地绝缘,外加电源产生的低频电流很小,而发生单相接地故障时对地绝缘被破坏,低频电流突然增大,保护动作。外加电源方式的定子接地保护能够独立检测接地故障,并能监测绝缘老化情况,且动作不受发电机运行方式和起停机影响,对定子绕组任何一点接地故障灵敏度都相同。其存在的问题主要是外加电源的可靠性和装置本身的复杂性。当采用外加电源的电流型判据时,中性点经消弧线圈接地时保护的灵敏度比经配电变压器高阻接地低,外加电源内阻对保护判据的灵敏度影响较大。抽水蓄能机组在电气制动和拖动起泵时,定子三相会产生不平衡低频电流,该电流流过中性点并通过配电变压器反应到保护装置内,引起保护误动。解决此类问题的方法是在这2种工况下将保护闭锁。另外保护装置在长期运行中由于电子元件老化引起注入低频信号电源的频率漂移下降,造成带通滤波器的等值阻抗下降,引起动作电流值减小,保护灵敏度下降,甚至使保护拒动,解决方法是要关注电源的校验问题。总体来看,外加电源方式的接地保护原理简单明晰,技术成熟,具有广泛的应用前景[13-16],但目前的运行经验多是针对中性点经配电变压器高阻接地的情况,由于消弧线圈在低频下阻抗更低,经消弧线圈接地情况下其应用还有待进一步提高。

5新技术的发展

传统大型水轮发电机定子单相接地保护并不完善,科技工作者们在新原理和新技术的应用方面做了许多开拓性的研究,下面是近年几个发展方向。a.基于自适应技术的保护是根据系统运行方式和故障状态的变化实时改变保护的性能特性,其实质是对Kp进行实时自动跟踪计算,进一步降低了制动量,在一定程度上提高了保护的灵敏度,得到了广泛应用。b.基于故障分量原理的保护技术是利用故障暂态过程中的3次谐波电压故障分量和零序电压故障分量或外加电源的电流故障分量构成保护判据,灵敏度高于稳态量,理论分析以及实验研究均验证了其优越性。此类暂态保护方案在处理灵敏度和可靠性之间的关系方面还存在不足,需进一步研究。c.基于故障行波原理的保护技术是从场量与波动的角度出发,利用接地故障暂态过程中的高频分量特征构成保护判据。已有的研究主要集中在对扩大单元接线中故障机组的选择性上,近来有文献针对其所做的故障选相、定位和差动保护进行了相关研究,其成果主要还停留在仿真层面,还处在探索阶段。其他相关新技术就是结合前述内容对信号进行小波分析,采用多回路分析方法对故障进行分析以及引入智能技术对故障进行识别等[17-26]。6结语大型水轮发电机定子单相接地安全性保护所涉及的内容比较多,相对完善的保护配置需要严谨的科学论证。其中3次谐波保护在可靠性和灵敏性方面存在很多问题而且难以解决,而外加电源信号的注入式保护具有逐步取代3次谐波保护的趋势,具备广泛的应用前景,在一定程度上代表了大型水轮发电机定子接地保护的发展方向。基于状态监测和故障诊断思想对水轮发电机定子绕组对地的绝缘变化状况开展研究,识别其单相接地早期的自身故障特征量,建立判据从而实现对发电机的保护,也具有广泛的应用前景。由于其立意于防范于未然,所以更具科学性,它在原理上和注入式保护监测绝缘有相通之处,更关注准确的故障分析和合理的判据与诊断措施及二者的结合,涉及更多的研究内容