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新聞主題 |
發(fā)電機三次諧波電壓保護原理與改進(jìn)措施 |
1、三次諧波電壓保護原理
由于發(fā)電機氣隙磁通密度的非正弦分布和鐵磁飽和的影響，在定子繞組中感應的電動(dòng)勢除基波分量外，還含有高次諧波分量。其中三次諧波分量是零序性質(zhì)的分量，雖然在線(xiàn)電動(dòng)勢中被消除，但是在相電動(dòng)勢中依然存在。如果把發(fā)電機的對地電容等效地看作集中在發(fā)電機的中性點(diǎn)N和機端S，且每相的電容大小都是0.5Cf，并將發(fā)電機端引出線(xiàn)、升壓變壓器、廠(chǎng)用變壓器以及電壓互感器等設備的每相對地電容Cw也等效在機端，并設三次諧波電動(dòng)勢為E3。那么當發(fā)電機中性點(diǎn)不接地時(shí)，其等值電路如圖1所示。這時(shí)中性點(diǎn)及機端的三次諧波電壓分別為
發(fā)電機端的三次諧波電壓US3與中性點(diǎn)側的三次諧波電壓UN3之比為
由式（2-14）可見(jiàn)，在正常運行時(shí)，發(fā)電機中性點(diǎn)側的三次諧波電壓UN3總是大于發(fā)電機端的三次諧波電壓US3。當發(fā)電機孤立運行時(shí)，即發(fā)電機出線(xiàn)端開(kāi)路，Cw＝0時(shí)，UN3＝US3。
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中性點(diǎn)不接地發(fā)電機三次諧波電動(dòng)勢和對地電容的等值電路圖 |
中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地發(fā)電機三次諧波電動(dòng)勢和對地電容的等值電路圖 |
當發(fā)電機中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地時(shí)，其等值電路如圖2所示，假設基波電容電流被完全補償，即
此時(shí)發(fā)電機中性點(diǎn)側對三次諧波的等值阻抗為
整理后得
發(fā)電機端對三次諧波的等值阻抗為
因此，發(fā)電機端三次諧波電壓和中性點(diǎn)三次諧波電壓之比為
式（2-19）表明，接入消弧線(xiàn)圈后，中性點(diǎn)的三次諧波電壓UN3在正常運行時(shí)比機端三次諧波電壓US3更大。在發(fā)電機出線(xiàn)端開(kāi)路后，即Cw＝0時(shí)，則有
在正常運行情況下，盡管發(fā)電機的三次諧波電動(dòng)勢E3隨著(zhù)發(fā)電機的結構及運行狀態(tài)而改變，但是其機端三次諧波電壓與中性點(diǎn)三次諧波電壓的比值總是符合以上關(guān)系的。
當發(fā)電機定子繞組發(fā)生金屬性單相接地時(shí)，設接地發(fā)生在距中性點(diǎn)α處，其等值電路如圖2-16所示，此時(shí)不管發(fā)電機中性點(diǎn)是否接有消弧線(xiàn)圈，總是有UN3＝αE3和US3＝（1-α）E3，兩者相比，得
中性點(diǎn)電壓UN3和機端電壓US3隨故障點(diǎn)α的變化曲線(xiàn)如圖2-17所示。因此，如果利用機端三次諧波電壓US3作為動(dòng)作量，而用中性點(diǎn)三次諧波電壓UN3作為制動(dòng)量來(lái)構成接地保護，且當US3≥UN3時(shí)作為保護的動(dòng)作條件，則在正常運行時(shí)保護不可能動(dòng)作，而當中性點(diǎn)附近發(fā)生接地時(shí)，則具有很高的靈敏性。利用此原理構成的接地保護，可以反應距中性點(diǎn)約50％范圍內的接地故障。
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發(fā)電機單相接地時(shí)三次諧波電動(dòng)勢分布的等值電路圖 |
發(fā)電機中性點(diǎn)電壓UN3和機端電壓US3隨故障點(diǎn)α的變化曲線(xiàn)圖 |
2、反應三次諧波電壓比值的定子繞組單相接地保護
利用反應三次諧波電壓比值US3/UN3和基波零序電壓可以構成100％定子繞組單相接地保護。反應三次諧波電壓比值的定子繞組接地保護的動(dòng)作判據為
式中 β——整定比值。
需要指出，發(fā)電機中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地與發(fā)電機經(jīng)配電變壓器高阻接地，兩者的整定比值β是有區別的。
目前廣泛采用三次諧波電壓比值與基波零序電壓共同構成的100％定子繞組單相接地保護。三次諧波電壓保護可采用式（2-22）作為判據，將機端三次諧波電壓US3作為動(dòng)作量，中性點(diǎn)三次諧波電壓UN3作為制動(dòng)量進(jìn)行比較?？梢苑磻l(fā)電機定子繞組中α＜0.5范圍內的單相接地故障，并且當故障點(diǎn)越靠近中性點(diǎn)時(shí)，保護的靈敏性就越高；利用前述的基波零序電壓接地保護，則可以反應α＞0.15范圍內的單相接地故障，且當故障點(diǎn)越靠近發(fā)電機機端時(shí)，保護的靈敏性就越高。兩部分共同構成了保護區為100％的定子接地保護。另外，基波零序電壓元件取中性點(diǎn)零序電壓，使裝置可不考慮電壓互感器斷線(xiàn)的影響。
3、改進(jìn)的反應三次諧波電壓比值的定子繞組單相接地保護
動(dòng)作判據｜US3／UN3｜＞β可以改寫(xiě)為｜US3｜＞β｜UN3｜，即US3為動(dòng)作量，UN3為制動(dòng)量。該動(dòng)作判據的三次諧波電壓保護靈敏度不夠高，尤其是當中性點(diǎn)經(jīng)過(guò)渡電阻發(fā)生接地故障時(shí)，容易發(fā)生拒動(dòng)。為提高大型機組三次諧波電壓保護的靈敏度，改進(jìn)的措施是增加調整系數Kp，進(jìn)一步減小動(dòng)作量，這樣也就能進(jìn)一步減小制動(dòng)量，即可減小制動(dòng)系數β，使β《1.0，從而可獲得更高的靈敏度和防誤動(dòng)能力。
改進(jìn)的動(dòng)作判據為
當發(fā)電機發(fā)生單相接地時(shí)，若故障點(diǎn)在機端附近，則US3減小而UN3增大；若故障點(diǎn)在中性點(diǎn)附近，則US3增大而UN3減小。其結果是：故障點(diǎn)在中性點(diǎn)附近時(shí)組合動(dòng)作量｜US3-KpUN3｜顯著(zhù)增大，而此時(shí)制動(dòng)量β｜UN3｜卻比較小，保護可靈敏動(dòng)作；即使在機端發(fā)生金屬性接地故障，UN3雖會(huì )顯著(zhù)增大，但制動(dòng)量β｜UN3｜因為β＜1.0不會(huì )很大，而此時(shí)動(dòng)作量｜US3-KpUN3｜＝｜KpUN3｜，由于Kp接近1.0，所以動(dòng)作量｜KpUN3｜很大，于是保護仍可靈敏動(dòng)作。如果此動(dòng)作判據調試合理，三次諧波電壓式定子繞組單相接地保護的靈敏度可得到大幅提高。
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