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发电机内部相间短路纵差保护的灵敏度分析理
江苏中动电力设备有限公司 / 2012-08-21

 

    发电机定子绕组内部故障是一种常见的、破坏性很强的故障,对电厂发电机乃至电网的安全运行带来一系列严重的影响,为此必须装设内部故障保护装置。发电机纵联差动保护已有成熟的运行经验,通常作为内部相间短路的主保护[1,2]。但是对于纵差动保护灵敏度是以发电机机端发生两相金属性短路时短路电流与保护动作电流比值来衡量的,此时短路电流较大,几乎所有的发电机纵差动保护都能满足灵敏度要求,这种校核形同虚设。因此,对于大型发电机,必须详细分析在定子绕组内部各种相间短路情况下差动电流以及灵敏系数的变化规律,以便全面评价纵差保护对内部相间短路的保护能力,这就是本文所要研究的内容。
1 内部相间短路电流分析方法描述
  电机绕组内部故障属于内部电气不对称故障的范畴。当电机绕组内部不对称时,其气隙磁场的空间谐波分量就很强,这些谐波磁场的转速各不相同,转向也有正有反,因此在绕组中感应出的电势谐波很多。长期以来,诸多学者对电机不对称故障作了研究,对此类故障的分析提出了许多有效的方法。
  对称分量法是发电机内部短路分析中最常用的方法之一,该方法通常只考虑气隙磁场基波和定子电流的时间基波。而当绕组内部故障时,谐波分量很大,此时会遇到电抗修正及相序网络之间的耦合问题。文献[3]提出了以单个线圈元件为基础论述电机基本电磁关系的交流电机多回路理论,它可以考虑谐波影响以及绕组内部故障时影响重大的因素,如故障空间位置和绕组型式等因素,从而可以比较准确地获得绕组故障后的内部电磁关系和绕组电流分布,对发电机定子绕组内部故障保护装置的设计、制造和运行起到了积极推动作用。
  文献[4]在多回路理论的基础上,建立了求解发电机定子绕组内部故障稳态电量的通用数学模型,探讨了定子绕组各种内部故障规律。该文所建立的模型精确,结果准确,适用于各种内部故障的分析与计算。其基本思路是:首先从定子绕组单个线圈出发,列写发电机定转子初始回路的电压、磁链、功率以及外部系统的连接方程,根据故障后回路绕组的实际连接方式组成新的定子回路。当回路电感和电阻参数已知时,就得到了一组以回路电感和电阻为系数的非线性变系数微分方程组。根据稳态电量计算的需要,可以假设定转子回路稳态电量的表达式,将它代入微分方程组,利用同频率量相等的原则,把非线性变系数微分方程组转换为等效的非线性常系数代数方程组,通过求解这些方程,即可得各回路稳态电量值。这些代数方程组中回路参数的计算是关键。文献[5]中采用电磁场数值计算方法进行了参数求解,即按照发电机的实际运行工况和铁心磁阻的实际情况,计算某一线圈通直流电流之后在其他所有线圈或回路中的磁链,从而得出单个线圈和各个回路的电感系数。由于该方法能考虑铁心磁阻的非线性、齿槽效应和气隙谐波等因素,因而有助于提高发电机定子绕组内部故障后回路参数的计算精度,相应的定子绕组内部故障电流仿真结果也更加合理。同时,作者还编制了“大型发电机定子绕组内部故障电量计算与保护方案灵敏度分析”软件包,能灵活地模拟各种内部故障并能对多种内部故障保护方案如单元件横差、不完全差动、裂相横差保护等方案的灵敏度进行分析。本文在此基础上对纵差保护在各种内部相间短路情况下的差动电流和灵敏度规律进行探讨。
2 发电机基本参数及保护定值设定
2.1 SF125-96/15600水轮发电机基本参数
  额定功率PN=125 MW,额定电压UN=13 800 V,额定电流IN=5 980 A,额定空载励磁电流IF0=817 A,定子槽数Z=792,定子绕组每相并联支路数as=3,相匝数Wa=88。
(1)
式中 Iop为动作电流,Iop0 为最小动作电流;Ires为制动电流,Ires=I1+I2/2;I1,I2为差动保护两侧二次电流;m为比率制动特性的折线斜率,本文取m=0.35;1.0为额定定子电流。
图2 发电机纵差保护比率制动特性
设内部故障时继电器差动电流为Icd=I1-I2,则差动保护灵敏系数为Ksen=Icd/Iop
3 灵敏度分析
  本文以发电机孤立空载运行为计算条件,且不考虑励磁调节器的作用。由于内部相间短路时流过故障相差动继电器的差动电流相同,且非故障相的差动电流为零,所以只需分析一个故障相(如本文以A相为例)的差动电流即可。
3.1 短路匝比及故障位置影响规律
  为了探讨内部相间短路时差动电流的短路匝比规律,模拟B1支路对A1支路中性点发生金属性相间短路,对应图3中即故障点k在中性点O,B1支路故障点j可移动,过渡电阻Rg=0。图4为纵差一次侧差流基波幅值Icd(以下同)与短路匝比的关系曲线,α为短路匝比(j点到中性点的匝数与相匝数Wa的百分比)。由图4可知,随着短路匝比的增大,差流先减小然后再逐渐增大,即有一个最小点。这是因为差流反映的是短路回路电流,当短路匝比α较小时,回路电势增大的幅度不及回路电感增大的幅度,所以短路电流呈减小趋势;当α较大时,短路回路电势增大较快,而回路电感增大反而减慢,所以短路回路电流又呈现增大趋势。从图4中可看出,当α=22.73%时,Icd最小,为11 745.9 A,即1.39 IN;α=77.27%时,Icd=21 104.5 A,即2.50 IN,为额定。图中曲线在局部范围内出现的“振荡现象”,这是由于分数槽绕组N-S极交错连接所造成的。
  为了探讨短路故障位置对差动保护动作的影响,模拟了A1对B1支路相间金属性短路,即对应图3中的故障点k,j一起移动,且k,j到中性点的匝数nF相同。图5给出了纵差差流随故障位置的变化曲线,图中β为短路匝数nF与相匝数Wa的百分比。从图5可知,当β=23.86%时,差动电流Icd最小,为7 786.4 A,即0.92 IN;当β=1.14%,即1匝对1匝短路时,差动电流Icd额定,为17 114.4 A,即2.02 IN。
  从图4和图5也可以看出,当定子绕组内部发生金属性相间短路时,差动电流很大,相对应的差动保护灵敏系数也很高,即保护都能正确动作。
图4 纵差差流随短路匝比变化曲线
图5 纵差差流随故障位置变化曲线
3.2 过渡电阻影响规律
  以上分析均按金属性短路考虑, 实际上往往短路点存在过渡电阻。众所周知,故障点的过渡电阻将影响短路时故障电量如电流和电压的大小及相位,对保护产生很大影响。下面就来分析过渡电阻对差动保护动作的影响规律。
  首先分析3.1节中出现差流最小的情况,即对应图5中β=23.86%的一种故障情况时过渡电阻对差动电流的影响,令过渡电阻Rg从零逐渐增大,考察差流Icd随Rg的变化关系。图6为该种故障情况下过渡电阻对差流的影响关系曲线,Rg的单位为国外单位Ω。从图6可知,该种短路故障过渡电阻对纵差差流的影响不大,因为此时故障回路的电抗很大。图7为纵差保护灵敏系数Ksen随过渡电阻的变化关系曲线,方案1的最小动作电流Iop0 取为0.2 IN,方案2的Iop0 取为0.3 IN。由图7知当Ksen=2.0时,方案1所对应的临界过渡电阻Rgcr为0.767 Ω,方案2所对应的Rgcr为1.34 Ω。
图6 纵差差流随(短路)过渡电阻变化曲线
图7 (纵差)灵敏度随过渡电阻变化曲线
另一种最不利情况为短路回路电势最小,即B1支路1匝(靠近中性点)对A1支路中性点相间短路故障,图8为差流随过渡电阻的变化关系曲线。从图8可知,此时过渡电阻对纵差差流影响很大,当Rg从0增大到0.025 Ω时,差流Icd减少了约4倍(即从21 055 A 减少到 5 405 A)。 两种方案的灵敏度随过渡电阻的变化关系曲线如图9示。从图9可知,当过渡电阻很小时,由于此时短路电流很大,纵差保护呈现制动特性。当灵敏系数Ksen=2.0时,方案1所对应的Rgcr为0.027 Ω, 方案2对应的Rgcr为0.041 Ω,大大低于图7中的临界过渡电阻值,即过渡电阻对该种故障影响很大,或保护的动作对过渡电阻很敏感。
4 结论
  从以上计算可见,比率制动式纵差保护对发电机内部相间短路有较高灵敏度,可以对绝大多数内部相间短路起到保护作用。若不考虑过渡电阻,则任何相间故障都能使保护可靠动作,Iop0 取稍大也无妨。若考虑过渡电阻,则Iop0 取较小可增加保护灵敏度,或者说保护可以反应经较大过渡电阻短路的故障。同时可见,过渡电阻对纵差差流和灵敏度也有较大影响,尤其当位于中性点附近短路匝数较少时。所以,比率制动式纵差动保护的死区一般是位于靠近中性点附近经过渡电阻短路的情况,死区大小既与短路匝比有关,也与过渡电阻的大小有关系,具体分析要通过内部故障的详细计算才能进行。
  需要指出的是比率制动式纵差保护只对内部相间短路起保护作用,对于内部匝间短路却无能为力,必须增设发电机定子绕组匝间短路保护装置。
本项目得到国家教育委员会博士点基金资助,项目编号为:9528619
作者简介:     屠黎明 男,1972年生,电机专业博士,从事电站电气设备的故障诊断和保护研究。
          吴济安 男,1960年生,总工,高工,电力系统及其自动化专业硕士,从事大机组故障诊断与继电保护研究。
          胡敏强 男,1961年生,电机专业博士,从事大型电机设计和运行、电机物理场和电气故障诊断教学和科研。
作者单位:
屠黎明 胡敏强 东南大学电气工程系.210096.南京) 
吴济安 南京电力自动化设备总厂.210003.南京)
参考文献
1 国家电力调度通信中心组编.发电机变压器继电保护应用.北京:中国电力出版社,1998
2 王维俭.电气主设备继电保护原理和应用.北京:中国电力出版社,1996
3 高景德,王祥珩.交流电机的多回路理论.清华大学学报(自然科学版),1987,27(1)
4 胡敏强,屠黎明,林鹤云,吴济安.水轮发电机定子绕组内部故障稳态电量仿真及其规律探讨.中国电机工程学报(已录用)
5 林鹤云,屠黎明,胡敏强.大型水轮发电机回路参数的有限元计算.中国电机工程学报,1998,18(4):258~261
 

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