CN111106600B - 大中型水轮发电机中性点高阻抗接地装置参数优化方法 - Google Patents

大中型水轮发电机中性点高阻抗接地装置参数优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大中型水轮发电机中性点高阻抗接地装置参数优化方法，该方法提出了阻抗比和位移电压系数的新概念，确定阻抗比和位移电压系数的取值范围，阻抗比的取值是根据接地电流和弧光接地过电压曲线综合确定的，接地电流与阻抗比的变化规律、弧光接地过电压与阻抗比的变化规律是优化设计的关键，本专利创造性地揭示了这两大规律，从而为发电机中性点接地装置优化设计创造了条件。综合考虑上述多方面影响因素，本发明的方法使得接地装置的设计参数可以达到最优。

Description

大中型水轮发电机中性点高阻抗接地装置参数优化方法
技术领域
本发明涉及一种大中型水轮发电机中性点高阻抗接地装置参数优化方法，属于电力系统及其自动化技术领域。
背景技术
发电机中性点接地方式主要采用消弧线圈接地、高电阻接地方式。大中型水轮发电机定子绕组对地电容电流较大，消弧线圈接地方式下存在定子接地故障电流谐波成分较大、位移电压过高等问题；高电阻接地方式下存在定子单相接地电流过大等问题。以上两种接地方式均不能满足现有大中型水轮发电机中性点接地技术要求。已有研究者综合考虑消弧线圈和高电阻各自优点，通过在接地变压器低压边并联电阻和电抗，提出了一种高阻抗接地方式。但如果具体参数选用不当，当发电机运行中发生定子绕组接地时，可能会引起发电机定子铁心烧损、绝缘损坏等严重事故。
影响发电机中性点接地装置参数的因素较多，现有设计思路主要考虑单一因素，如接地故障电流或位移电压；或部分因素的影响，如：消弧线圈接地方式以补偿接地电流为目标，仅考虑补偿后接地电流小于允许值，未考虑发电机中性点位移电压、弧光接地过电压等因素的影响；高电阻接地方式以降低位移电压为目标，仅考虑采用中性点接地电流与电容电流相等进行设计，未考虑单相接地故障情况下的各种影响因素，而各种因素对接地装置参数的选择又是相互制约的，存在接地电流过大的风险，虽然从继电保护上进行了配合，但接地故障电流过大仍然会烧毁发电机定子铁心，也未校核弧光接地过电压、三次谐波电压比等；高阻抗接地方式也是仅从接地阻性电流与抵消中性点接地装置中的感性电流后的容性电流相等进行设计，接地装置参数选择对系统影响具有不确定性。因此目前接地装置的参数设计方式存在较大的缺陷。现有设计方式对电容量较小的汽轮发电机和小型水轮发电机适用，但随着水轮发电机容量增大，定子绕组对地电容增大，对大中型水轮发电机带来较大的运行风险，为此，有必要从优化设计方法上进行改变。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供一种考虑多方面影响因素，使得接地装置的设计参数可以达到最优的发电机中性点高阻抗接地装置参数优化方法。
为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：一种大中型水轮发电机中性点高阻抗接地装置参数优化方法，包括如下步骤：
定义发电机中性点位移电压系数为位移电压与不对称电压的比值；
Figure GDA0003535266150000011
式中，m为位移电压系数；Ubd为发电机中性点不对称电压；U0为发电机中性点位移电压；v为脱谐度；d为阻尼率；IC为发电机在额定定子电压下的电容电流；Ik为发电机在一点接地时额定定子电压下的接地电流；
定义接地变原边等效接地电阻与发电机端对地容抗和接地变原边等效接地感抗的并联值之比为阻抗比；
Figure GDA0003535266150000021
式中，K为阻抗比；ZR为接地变原边等效电阻；Zc-L为发电机端三相对地容抗与接地变等效接地感抗的并联值；
设定阻抗比的值为1～1.33，位移电压系数的值小于等于1.5；
根据位移电压系数确定接地电流，所述位移电压系数与接地电流成反比；
根据接地电流和阻抗比确定中性点接地电流中阻性电流值IR；
根据中性点接地电流中阻性电流值确定电容电流与中性点接地感性电流差值IC-IL；
根据电容电流与中性点接地感性电流差值计算中性线感性电流IL值；
根据中性点接地电流中阻性电流值IR和中性线感性电流IL，计算中性点接地装置电阻值R和电感值L。
对上述技术方案的进一步设计为：所述发电机中性点不对称电压Ubd的计算公式为：
Figure GDA0003535266150000022
式中，CA、CB、CC分别为发电机定子绕组每相对地电容值；UA为发电机A相对地电压；α、α2为运算子，α是将原向量反时针方向转120°；α2是将原向量反时针方向转240°。
所述脱谐度v的计算公式为：
Figure GDA0003535266150000023
式中，IL为接地装置在发电机额定相电压下的电感电流；L为发电机中性点并联电抗；ω为角频率。
所述阻尼率d的计算公式为：
Figure GDA0003535266150000024
Figure GDA0003535266150000025
式中，R′为等效电阻；R为发电机中性点接地电阻；r0为发电机定子绕组每相对地等效电阻。
所述接地电流不超过15A，位移电压不超过10％发电机定子绕组额定相电压。
所述中性线接地电流中阻性电流值IR的计算公式为：
Figure GDA0003535266150000031
所述电容电流与中性线接地感性电流差值IC-IL的计算公式为：
IC-IL＝KIR。
所述中性线感性电流IL的计算公式为：
IL＝IC-KIR。
所述中性线接地装置电阻值R的计算公式为：
Figure GDA0003535266150000032
所述中性点接地装置电感值L的计算公式为：
Figure GDA0003535266150000033
本发明的有益效果为：
本发明提出了阻抗比和位移电压系数的新概念，确定阻抗比和位移电压系数的取值范围，阻抗比的取值是根据接地电流和弧光接地过电压曲线综合确定的，接地电流与阻抗比的变化规律、弧光接地过电压与阻抗比的变化规律是优化设计的关键，本专利创造性地揭示了这两大规律，从而为发电机中性点接地装置优化设计创造了条件。综合考虑上述多方面影响因素，本发明的方法使得接地装置的设计参数可以达到最优。
附图说明
图1为发电机中性点高阻抗接地装置原理图；
图2为发电机中性点接地系统等效电路图；
图3为暂态过电压与阻抗比的关系曲线；
图4为接地电流比值与阻抗比的关系曲线；
图5为计算传递过电压的近似简化电路。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。
高阻抗接地方式的优化设计方法主要是指综合考虑传递过电压、弧光接地过电压、操作过电压、暂态过电压、中性点位移电压、单相接地故障电流、单相接地保护等安全运行约束条件，设计高阻抗接地装置最优电阻和电抗的优化设计方法。
高阻抗接地装置中电阻和电抗参数的优化设计应考虑如下因素：对发电机中性点位移电压的影响；对单相接地电流及其谐波电流的影响；三次谐波电压比对单相接地保护的影响；对弧光接地过电压的影响；验证该接地方式对电力系统的影响；确定发电机中性点位移电压和单相接地电流的变化规律。
本发明从系统角度提出一种适用于大中型水轮发电机中性点高阻抗接地装置的参数优化设计方法。该方法建立了动模试验与理论计算、现场试验相结合的高阻抗接地装置参数设计构架；提出位移电压系数的定义，重新定义了高阻抗接地方式下阻抗比的概念；提出大中型水轮发电机高阻抗接地方式下阻抗比设计参数范围；建立适用于高阻抗接地方式下的三次谐波电压单相接地保护的校核计算模型；建立高阻抗接地方式下单相接地谐波电流的理论计算模型；确定发电机中性点位移电压和单相接地短路电流的变化规律。具体实施方法如下；
本发明适用的大中型水轮发电机中性点高阻抗接地装置原理图如图1所示，发电机中性点接地系统等效电路图如图2所示。图中CA、CB、CC分别为发电机定子绕组每相对地电容值；CAB、CBC、CCA分别为发电机定子绕组相间电容值；R为发电机中性点接地电阻；L为发电机中性点并联电抗；r0为发电机定子绕组每相对地等效电阻。
本发明对大中型水轮发电机中性点高阻抗接地装置的参数优化设计的步骤为：
步骤一、本发明提出位移电压系数的定义，重新定义了高阻抗接地方式下阻抗比的概念，提出了位移电压系数的典型值。
其中，位移电压是指在额定定子电压下发电机中性点接入接地装置后的中性点电压。发电机中性点位移电压系数为位移电压与不对称电压的比值。
Figure GDA0003535266150000041
Figure GDA0003535266150000042
Figure GDA0003535266150000043
Figure GDA0003535266150000044
Figure GDA0003535266150000045
式中，m为位移电压系数；Ubd为发电机中性点不对称电压；UA为发电机A相对地电压；U0为发电机中性点位移电压；v为脱谐度；d为阻尼率；IL为接地装置在发电机额定相电压下的电感电流；IC为发电机在额定定子电压下的电容电流；Ik为发电机在一点接地时额定定子电压下的接地电流；R′为等效电阻。
位移电压系数与阻尼率和脱谐度有关，与不对称电压无关，该系数能反应接地装置参数对位移电压的影响，可作为接地装置的重要性能指标。
大中型水轮发电机位移电压系数不超过1.5，典型值取1.5。
阻抗比是指接地变原边等效接地电阻与发电机端对地容抗和接地变原边等效接地感抗的并联值之比，即：
Figure GDA0003535266150000051
式中，K为阻抗比；ZR为接地变原边等效电阻；Zc-L为发电机端三相对地容抗与接地变等效接地感抗的并联值。
本发明利用下述方法来确定大中型水轮发电机高阻抗接地方式下阻抗比典型设计参数范围。
(1)暂态过电压与阻抗比的变化规律；
暂态过电压与阻抗比的变化规律通过仿真计算获得，如图3所示，由图可知：阻抗比K＜1.33。
(2)提出了高阻抗接地方式下接地电流比值与阻抗比的变化规律；
Figure GDA0003535266150000052
结合图4所示接地电流比值与阻抗比的关系曲线可知；当阻抗比K＞1时，接地电流比值已无明显减少，故阻抗比取值为K＞1。
(3)阻抗比取值；
综合考虑弧光接地过电压、接地电流比与阻抗比的关系，阻抗比K可取1～1.33。
步骤二、优化边界条件；
在满足位移电压不超过10％定子绕组额定相电压、单相接地电流不超过15A、弧光接地过电压不超过2.6倍定子绕组额定相电压、传递过电压不超过10％定子绕组额定相电压的要求，且尽量取最小值的情况下，确定高阻抗接地方式的接地装置中接地变压器副边电阻和电抗参数值。
步骤三、根据位移电压系数确定接地电流；
本发明中位移电压系数为：
Figure GDA0003535266150000053
由上式可知，位移电压系数是电容电流与单相接地电流的比值，表明在一定的电容电流下，位移电压系数只与单相接地电流有关，且发电机中性点位移电压系数与定子单相接地故障电流成反比。根据位移电压系数与接地电流成反比的规律，确定接地电流。
步骤四、根据接地电流和阻抗比确定中性点接地电流中阻性电流值；
Figure GDA0003535266150000061
步骤五、根据中性点接地电流中阻性电流值确定电容电流与中性点接地感性电流差值IC-IL；
IC-IL＝KIR (10)
步骤六、计算中性线感性电流IL值；
IL＝IC-KIR (11)
步骤七、计算中性点接地装置电阻值R和电感值L；
Figure GDA0003535266150000062
Figure GDA0003535266150000063
步骤八、校核单相接地谐波电流；
本发明建立了适用于高阻抗接地方式下单相接地谐波电流的理论计算模型；
高阻抗接地方式下单相接地各次谐波电流如下：
Figure GDA0003535266150000064
接地总电流为：
Figure GDA0003535266150000065
式中，k’为谐波次数。
通过计算和实测表明：优化设计的高阻抗接地方式下单相接地谐波电流较小。
步骤九、校核单相接地保护中三次谐波电压比值；
三次谐波电压比值允许值为(1.2～1.5)倍的α0，α0为发电机正常运行情况时的最大三次谐波电压比值，一般为1左右。
本发明建立了适用于高阻抗接地方式下的三次谐波电压单相接地保护的校核计算模型；
发电机中性点高阻抗接地方式下，考虑接地阻抗会引起三次谐波电压比值增大，可能造成保护误动，高阻抗接地方式下的三次谐波电压单相接地保护的校核计算模型如下：
Figure GDA0003535266150000071
式中，U3s0为发电机定子绕组出口三次谐波电压；U3N0为发电机定子绕组中性点三次谐波电压；C∑为发电机定子绕组至变压器低压边所有单相对地电容之和；R为中性点接地变副边并联电阻；Rg为发电机定子绕组接地时接地点的接地电阻。
步骤十、校核传递过电压；
本发明对传递过电压进行校核的方法为：计算传递过电压的近似简化电路如图5所示，其中a)为主变压器高压侧中性点直接接地时的电路图；b)为主变压器高压侧中性点不接地时的电路图；
当主变压器高压侧中性点直接接地时；
并联部分的等值阻抗为：
Figure GDA0003535266150000072
传递过电压为：
Figure GDA0003535266150000073
当主变压器高压侧中性点不接地时
并联部分的等值阻抗为：
Figure GDA0003535266150000074
传递过电压为：
Figure GDA0003535266150000075
式中Zn为发电机中性点接地阻抗；E0为系统侧接地短路时产生的基波零序电动势；Ug0为传递过电压；CM为主变压器、低压绕组间的相耦合电容。
实施例：
本实施例采用某水电站发电机，额定功率175MW，额定电压13800V，发电机定子绕组至主变压器低压边总电容为2.281μF，接地变变比n＝34.5，发电机定子绕组不对称电压为483.71V。该电站发电机中性点高阻抗接地装置参数计算结果见表1。
表1某水电站发电机中性点高阻抗接地装置参数计算结果
Figure GDA0003535266150000081
由表1可知，阻抗比较大时，中性点阻性电流和感性电流均较小，接地装置容量可以减小，该机组接地装置可选K＝1.2～1.3之间，说明传统的阻抗比取1的设计方法选择的参数不是最优参数，本发明所介绍的方法扩展了参数选择范围，可根据情况选择最优参数。
采用上述参数优化后(阻抗比K取1.25)，主变压器中性点接地时，传递过电压为143.10V；主变压器中性点不接地时，传递过电压为286.18V。均小于10％额定定子相电压(796.7V)，满足要求。
本发明的技术方案不局限于上述各实施例，凡采用等同替换方式得到的技术方案均落在本发明要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种大中型水轮发电机中性点高阻抗接地装置参数优化方法，其特征在于：
定义发电机中性点位移电压系数为位移电压与不对称电压的比值；
Figure FDA0003535266140000011
式中，m为位移电压系数；Ubd为发电机中性点不对称电压；U0为发电机中性点位移电压；v为脱谐度；d为阻尼率；IC为发电机在额定定子电压下的电容电流；Ik为发电机在一点接地时额定定子电压下的接地电流；
定义接地变压器原边等效接地电阻与发电机端对地容抗和接地变压器原边等效接地感抗的并联值之比为阻抗比；
Figure FDA0003535266140000012
式中，K为阻抗比；ZR为接地变压器原边等效电阻；Zc-L为发电机端三相对地容抗与接地变压器等效接地感抗的并联值；n为接地变压器变比；R为中性点接地变压器副边并联电阻；ω为角频率；C∑为发电机定子绕组至变压器低压边所有单相对地电容之和；
设定阻抗比的值为1～1.33，位移电压系数的值小于等于1.5；
根据位移电压系数确定接地电流，所述位移电压系数与接地电流成反比；
根据接地电流和阻抗比确定中性点接地电流中阻性电流值IR；
根据中性点接地电流中阻性电流值确定电容电流与中性点接地感性电流差值IC-IL；
根据电容电流与中性点接地感性电流差值计算中性线感性电流IL值；
根据中性点接地电流中阻性电流值IR和中性线感性电流IL，计算中性点接地装置电阻值R和电感值L。
2.根据权利要求1所述大中型水轮发电机中性点高阻抗接地装置参数优化方法，其特征在于，所述发电机中性点不对称电压Ubd的计算公式为：
Figure FDA0003535266140000013
式中，CA、CB、CC分别为发电机定子绕组每相对地电容值；UA为发电机A相对地电压；α、α2为运算子，α是将原向量反时针方向转120°；α2是将原向量反时针方向转240°。
3.根据权利要求2所述大中型水轮发电机中性点高阻抗接地装置参数优化方法，其特征在于，所述脱谐度v的计算公式为：
Figure FDA0003535266140000014
式中，IL为接地装置在发电机额定相电压下的电感电流；L为发电机中性点并联电抗；ω为角频率。
4.根据权利要求3所述大中型水轮发电机中性点高阻抗接地装置参数优化方法，其特征在于，所述阻尼率d的计算公式为：
Figure FDA0003535266140000021
Figure FDA0003535266140000022
式中，R′为等效电阻；R为发电机中性点接地电阻；r0为发电机定子绕组每相对地等效电阻。
5.根据权利要求1所述大中型水轮发电机中性点高阻抗接地装置参数优化方法，其特征在于：所述接地电流不超过15A，位移电压不超过10％发电机额定相电压。
6.根据权利要求1所述大中型水轮发电机中性点高阻抗接地装置参数优化方法，其特征在于，所述中性点接地电流中阻性电流值IR的计算公式为：
Figure FDA0003535266140000023
7.根据权利要求1所述大中型水轮发电机中性点高阻抗接地装置参数优化方法，其特征在于，所述电容电流与中性点接地电流差值IC-IL的计算公式为：
IC-IL＝KIR。
8.根据权利要求1所述大中型水轮发电机中性点高阻抗接地装置参数优化方法，其特征在于，所述中性线感性电流IL的计算公式为：
IL＝IC-KIR。
9.根据权利要求1所述大中型水轮发电机中性点高阻抗接地装置参数优化方法，其特征在于，所述中性点接地装置电阻值R的计算公式为：
Figure FDA0003535266140000024
10.根据权利要求1所述大中型水轮发电机中性点高阻抗接地装置参数优化方法，其特征在于，所述中性点接地装置电感值L的计算公式为：
Figure FDA0003535266140000025
ω为角频率。
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