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(cè)量的選擇性定子單相接地保護(hù)，通過(guò)計(jì)算各機(jī)組故障后的計(jì)算電阻，來(lái)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(cè)量
0 前言
定子繞組對(duì)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(hào)，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(tái)發(fā)電機(jī)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行故障時(shí)的故障機(jī)組的判斷上時(shí)存在一定的不足，無(wú)法正確判斷出故障機(jī)組。逐臺(tái)機(jī)組去排除，不僅會(huì)延長(zhǎng)故障時(shí)間，還會(huì)導(dǎo)致很大經(jīng)濟(jì)損失。本文對(duì)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(jì)，使用Matlab來(lái)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(cè)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(shí)相電流的分析
1.2 定子繞組單相接地故障時(shí)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(duì)于發(fā)電機(jī)定子單相接地故障，相電流變化量會(huì)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(shí)（即α趨于0時(shí)），相電流變化量基波分量數(shù)值很小（趨于0）。通過(guò)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(shí)，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(cè)量的接地保護(hù)原理
1.3.1 保護(hù)啟動(dòng)
通過(guò)在線監(jiān)測(cè)并連續(xù)計(jì)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(shí)，判定系統(tǒng)發(fā)生接地故障，啟動(dòng)保護(hù)判斷。啟動(dòng)判據(jù)為：
由于發(fā)電機(jī)發(fā)生定子單相接地故障時(shí)（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(shí)，α趨于0，零序電壓也趨于0，此時(shí)保護(hù)不會(huì)啟動(dòng)，存在死區(qū)，由于設(shè)計(jì)時(shí)間有限，僅對(duì)零序電壓保護(hù)啟動(dòng)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(duì)地計(jì)算電阻進(jìn)行接地故障檢測(cè)，采用發(fā)電機(jī)的對(duì)地計(jì)算電阻值與整定值比較，如果發(fā)電機(jī)對(duì)地計(jì)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(jì)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(shí)，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(guò)發(fā)電機(jī)的對(duì)地計(jì)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(tái)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(duì)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(cè)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(shí)，發(fā)電機(jī)1、2的計(jì)算電阻波形圖。由于此時(shí)對(duì)于發(fā)電機(jī)2和3屬于外部故障，為了簡(jiǎn)化分析的過(guò)程，只畫出發(fā)電機(jī)1和2的測(cè)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(shí)的波形圖。Rf1為發(fā)電機(jī)1的計(jì)算電阻，Rf2為發(fā)電機(jī)2的計(jì)算電阻。
2.1.1 定子繞組經(jīng)低阻接地時(shí)仿真波形圖
2.1.2 定子繞組經(jīng)高阻接地時(shí)仿真波形圖
2.1.3 發(fā)電機(jī)外部系統(tǒng)接地時(shí)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(cè)量電阻法，比較各發(fā)電機(jī)的計(jì)算電阻而構(gòu)成的定子單相接地保護(hù)原理。分析了三臺(tái)發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行和定子接地故障時(shí)相電流變化量的基波分量的大小，并提出了保護(hù)的啟動(dòng)判據(jù)和保護(hù)判據(jù)。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，故障發(fā)電機(jī)的計(jì)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(jì)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(shí)，零序電壓趨于零，保護(hù)不能啟動(dòng)，保護(hù)存在死區(qū)；且低阻接地時(shí)，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(shí)，對(duì)于三臺(tái)發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)均屬于外部故障，故此時(shí)三臺(tái)發(fā)電機(jī)的計(jì)算電阻均為較大的值（相對(duì)于接地電阻來(lái)說(shuō)），故該保護(hù)具有較高的可靠性。
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[責(zé)任編輯：龐修平]
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