CN107947493A - 一种发电机中性点接地装置及参数选择方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种发电机中性点接地装置及参数选择方法，设有单相接地变压器、接地电阻、接地电抗、全控开关器件、电容器、控制平台、电流互感器、电压互感器；所述电流互感器、电压互感器接至发电机出口，所述单相接地变压器高压侧接至发电机中性点与接地网之间，所述接地电阻、接地电抗并联至单相接地变压器低压侧，所述电容器通过全控开关组成的H桥并联至单相接地变压器低压侧；控制平台根据发电机出口的电压互感器和电流互感器采集到的电压、电流信号，通过计算得出全控开关器件的驱动信号，从而改变电容器等效至单相接地变压器二次侧的等效电容值。本发明能够有效降低发电机定子单相接地电容电流，且能保证发电机保护装置可靠动作。
Description
技术领域
本发明涉及一种发电机中性点接地装置及参数选择方法。
背景技术
由于发电机及机端设备存在对地电容，当发电机定子绕组发生单相接地故障时，流过故障点的发电机电压系统对地电容电流所产生的电弧将灼伤定子铁心，甚至可进一步发展相间短路，引起发电机故障。根据统计，发电机单相接地故障是发电机故障最主要的类型。为限制故障接地电弧，防止接地故障扩大，有效保护发电机及机端设备，发电机中性点通常采用经消弧线圈或经高阻方式接地。两种方法各有优势，由于接地电弧呈容性，经消弧线圈接地可有效降低接地故障电弧电流，对瞬时型单相接地故障可使电弧自行熄灭，提高发电机运行可靠性，这种方式适用于中小型机组。发电机经高阻接地通过计算选取合适的电阻值，可使接地故障点电阻电流分量大于电容电流分量，使接地故障引起的过电压峰值在发电机额定相电压2.6倍范围内，同时可保证发电机保护系统可靠动作，以保障机组安全，这种方式适用于大型发电机。
然而，随着发电机容量进一步增大，特别是大型水轮发电机，发电机定子单相接地电容电流已超过IEEE C37.101-2006《发电机接地保护导则》中规定的发电机定子单相接地电流极限值25A，此时如果仍采用中性点经高阻方式接地，当发电机定子单相接地故障后故障点定子绕组将烧毁，引起发电机损坏。针对这种情况，有文献提出可在高阻接地方式中的接地变压器二次侧并联电抗，或增大接地变压器阻抗，以减小故障点电容电流分量，这种方法原理上是将欠补偿经消弧线圈和经高阻两种接地方式结合起来，既要降低电容电流，又要保证保护系统可靠动作，但由于发电机定子电容电流仅为估算值，实际中电容电流与故障点及运行方式关系较大，无法准确选取合适的电抗或变压器阻抗，因此仍无法有效限制接地电流。
发明内容
本发明首先要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供能够有效降低发电机定子单相接地电容电流，且能保证发电机保护装置可靠动作的发电机中性点接地装置。为此，本发明采用以下技术方案：
一种发电机中性点接地装置，其特征在于它设有单相接地变压器、接地电阻、接地电抗、全控开关器件、电容器、控制平台、电流互感器、电压互感器；所述电流互感器、电压互感器接至发电机出口，所述单相接地变压器高压侧接至发电机中性点与接地网之间，所述接地电阻、接地电抗并联至单相接地变压器低压侧，所述电容器通过全控开关组成的H桥并联至单相接地变压器低压侧；
控制平台根据发电机出口的电压互感器和电流互感器采集到的电压、电流信号，通过计算得出全控开关器件的驱动信号，从而改变电容器等效至单相接地变压器二次侧的等效电容值。
进一步地，所述控制平台是一种以DSP或FPGA等数字信号处理器为核心的信号系统。
所述全控开关器件可以是绝缘栅双极型晶体管IGBT或门极可关断型晶闸管GTO或集成门极换流晶闸管IGCT。
本发明另一个要解决的技术问题是提供上述发电机中性点接地装置的参数选择方法，其包括以下步骤：
(1).根据发电机额定相电压Ug与单相接地变压器额定电压(220V)确定单相接地变压器的变比n＝Ug/220；
(2).根据发电机定子侧对地电容值Cg，计算得出接地电抗电感值以保证定子侧单相接地故障时接地电抗所提供的感性电流ILn不小于发电机定子侧对地电容电流Igc的1.35倍，即接地电抗单独作用可实现过补偿。
(3).根据发电机定子侧对地电容值Cg，选择电容器的电容值Cn＝n2Cg/3。
(4).接地电阻Rn＝110Ln，以保证定子单相接地故障后接地点短路电流电阻分量大于电容分量。
(5).发电机空载启动运行后，控制平台系统根据发电机出口端采集到的电压信号Ug和电流信号Ig以及两者的相位差，可计算出单相短路后电容电流并进一步得到出接地电抗提供的电感电流ILn与Igc的差值(ILn-Igc)，根据此差值得到全控器件的驱动信号。
(6).根据控制平台系统所发出的全控器件驱动信号，以控制电容器所产生的电容电流与(ILn-Igc)相等，即可将单相接地故障点的电容电流降低至零左右。
本发明将有如下的有益效果：
1.根据发电机的运行方式及单相接地短路点的不同，可通过调节全控器件的驱动信号，快速响应实现对故障点接地电容电流进行补偿，大幅降低接地电弧对定子绕组产生的危害。
2.单相接地变压器二次侧的接地电抗所产生的电感电流将超过发电机最大定子单相接地电容电流的1.35倍，即可实现过补偿。
3.单相接地变压器二次侧具有全控器件组成的H桥和电容器，可快速动态调节中性点装置所发出的电感电流。
4.接地电阻将提供足够的电阻电流，即能保证接地故障产生的谐振过电压低于发电机相电压2.6倍范围内，抑制故障扩大，同时又能保证足够的电流使发电机保护装置可靠动作，保证机组安全。
5.能够有效降低单相接地变压器容量，使得大容量发电机单相接地变压器容量选择在合理范围内。
附图说明
图1为本发明发电机中性点接地装置的电路示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述：
参照图1，本实施实例涉及的发电机中性点接地装置具有单相接地变压器1、接地电阻2、接地电抗3、IGBT4、电容器5、控制平台6、电流互感器7、电压互感器8等。所述电流互感器7、电压互感器8接至发电机出口，所述单相接地变压器1高压侧接至发电机中性点与接地网之间，所述接地电阻2、接地电抗3并联至单相接地变压器1低压侧。所述电容器5通过绝缘栅双极型晶体管(IGBT)4组成的H桥并联至单相接地变压器1低压侧。
附图标号91为发电机A相回路对地电容；附图标号92为发电机B相回路对地电容；附图标号93为发电机C相回路对地电容。
所述控制平台是一种以数字信号处理器DSP为核心的信号系统，所产生的控制信号通过光纤发送至绝缘栅双极型晶体管(IGBT)4，控制绝缘栅双极型晶体管(IGBT)4导通和关断。
所述控制平台同时和各相的电压互感器7和电流互感器8连接，采集发电机出口端相应的电压、电流信号。
其参数选择步骤如下：
1.根据发电机额定相电压Ug＝11550V与单相接地变压器额定电压(220V)确定单相接地变压器1的变比n＝52.5；
2.根据发电机定子侧对地电容值Cg＝4μF，计算得出接地电抗3的电感值Ln＝0.7mH，定子侧单相接地故障时接地电抗3所提供的电感电流ILn＝70.5A约为发电机最大定子侧对地电容电流Igc＝52.2A的1.35倍。
3.根据发电机定子侧对地电容值Cg＝4μF，选择电容器5的电容值Cn＝n2Cg/3＝3675μF。
4.接地电阻2Rn＝110Ln＝0.077Ω，以保证定子单相接地故障后接地点短路电流电阻分量大于电容分量。
5.发电机空载启动运行后，控制平台系统根据发电机出口端采集到的电压信号Ug和电流信号Ig以及两者的相位差，可计算出单相短路后电容电流并进一步得到出接地电抗提供的电感电流ILn与Igc的差值(ILn-Igc)，根据此差值得到全控器件的驱动信号。
6.根据控制平台6所发出的全控器件驱动信号，以控制电容器5所产生的电容电流与(ILn-Igc)相等，即可将单相接地故障点的电容电流降低至零左右。
上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的范围内，做出的变化、改添加或替换，都应属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种发电机中性点接地装置，其特征在于它设有单相接地变压器、接地电阻、接地电抗、全控开关器件、电容器、控制平台、电流互感器、电压互感器；所述电流互感器、电压互感器接至发电机出口，所述单相接地变压器高压侧接至发电机中性点与接地网之间，所述接地电阻、接地电抗并联至单相接地变压器低压侧，所述电容器通过全控开关组成的H桥并联至单相接地变压器低压侧；
控制平台根据发电机出口的电压互感器和电流互感器采集到的电压、电流信号，通过计算得出全控开关器件的驱动信号，从而改变电容器等效至单相接地变压器二次侧的等效电容值。
2.如权利要求1所述的一种发电机中性点接地装置，其特征在于所述控制平台是一种以数字信号处理器为核心的信号系统。
3.如权利要求1所述的一种发电机中性点接地装置，其特征在于所述全控开关器件可以是绝缘栅双极型晶体管IGBT或门极可关断型晶闸管GTO或集成门极换流晶闸管IGCT。
4.权利要求1所述发电机中性点接地装置的参数选择方法，其特征在于：参数选择包括如下步骤：
(1).根据发电机额定相电压Ug与单相接地变压器额定电压(220V)确定单相接地变压器的变比n＝Ug/220；
(2).根据发电机定子侧对地电容值Cg，计算得出接地电抗电感值以保证定子侧单相接地故障时接地电抗所提供的感性电流ILn不小于发电机定子侧对地电容电流Igc的1.35倍，即接地电抗单独作用可实现过补偿；
(3).根据发电机定子侧对地电容值Cg，选择电容器的电容值Cn＝n2Cg/3；
(4).接地电阻Rn＝110Ln，以保证定子单相接地故障后接地点短路电流电阻分量大于电容分量；
(5).发电机空载启动运行后，控制平台系统根据发电机出口端采集到的电压信号Ug和电流信号Ig以及两者的相位差可计算出单相短路后电容电流并进一步得到出接地电抗提供的电感电流ILn与Igc的差值(ILn-Igc)，根据此差值得到全控器件的驱动信号；
(6).根据控制平台所发出的全控器件驱动信号，以控制电容器所产生的电容电流与(ILn-Igc)相等，即可将单相接地故障点的电容电流降低至零左右。
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