CN113076646A - 一种水轮发电机中性点接地参数计算方法 - Google Patents

一种水轮发电机中性点接地参数计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水轮发电机中性点接地参数计算方法，该方法为：在应用水轮发电机中性点经配电变压器低压侧负载电阻上并联电感接地方式的参数计算中，引入接地变压器负载电阻的电抗XR′、接地变压器三相对地电容Cw、发电机单相对地电容CF、接地变压器短路阻抗Zk四种因素，对水轮发电机中性点接地参数计算，算出接地参数电阻R1′和电感X1′的取值，得到一种计入上述四种因素后的中性点经配电变压器低压侧电阻并联电抗接地方式的参数计算方法。本发明的方法在水轮发电机中性点经组合式接地方式参数选取中可以更加准确，避免参数选取的误差带来故障电流的增大，从而为以后进行参数选择时是否计入接地变电抗以及变压器三相对地电容提供了一种选择。

Description

一种水轮发电机中性点接地参数计算方法
技术领域
本发明属于水轮发电机和电力系统主设备继电保护技术领域，具体涉及一种水轮发电机中性点接地参数计算方法,主要涉及水轮发电机中性点经配电变压器低压侧电阻并联电感接地方式下，接地变阻抗和对地电容对参数选择。
背景技术
水轮发电机的中性点是否接地以及应该采用哪种类型的接地形式，是由水轮发电机的容量、电压等级、接入电力系统的运行要求以及继电保护设置等多方面因素决定的。以往大型发电机的中性点接地方式，大多采用谐振接地方式或高电阻接地方式，但随着水轮发电机容量不断增大，电机电压和定子电容也不断增加，定子绕组发生故障时接地电容电流不断增加；而且随着该类型中性点接地装置的应用不断推广，近年来在水轮发电机出现显著中性点漂移的问题日益突出；为了保证补偿接地故障电流的同时便于定子接地保护的应用，近年来，一些水轮发电机(如二滩、铜街子水电站的发电机)应用了一种折中的接地方案，即在配电变压器低压侧负载电阻上并联一个电感。
在运用上述接地方式的时候，参数的选取变得尤为重要。在以往分析计算参数的时候，为了使问题分析和计算过程简化，往往忽略了接地变电抗和变压器对地电容的影响，而在实际情况下，接地变压器短路电阻和电抗、变压器负载电阻的电抗以及变压器对地电容并不小；若在选取接地变参数时不考虑接地变阻抗及其对地电容，则计算出的接地参数在实际应用中(考虑接地变阻抗及其对地电容的情况下)会导致对地故障电流超出允许值，所以，我们在分析计算时，应考虑计入接地变的电抗以及对地电容等因素。目前，关于水轮发电机中性点经配电变压器低压侧电阻并联电感接地方式的参数计算方法中，还没有关于本发明所写的同时考虑三种因素的参数计算方法。
发明内容
发明目的：本发明提出了一种水轮发电机中性点接地参数计算方法，在大型水轮发电机中性点经配电变压器并联阻抗接地方式下考虑接地变电抗和变压器三相对地电容后对接地参数选择的影响，为以后进行参数选择时是否计入接地变电抗以及变压器三相对地电容提供了一种选择。
为了实现上述目的，本发明提出的技术方案为：
一种水轮发电机中性点接地参数计算方法，该方法为：
在应用水轮发电机中性点经配电变压器低压侧负载电阻上并联电感接地方式的参数计算中，引入接地变压器负载电阻的电抗XR′、接地变压器三相对地电容Cw、发电机单相对地电容CF、接地变压器短路阻抗Zk四种因素，对水轮发电机中性点接地参数计算，算出接地参数电阻R1′和电感X1′的取值，得到一种计入上述四种因素后的中性点经配电变压器低压侧电阻并联电抗接地方式的参数计算方法。
进一步地，所述接地变压器负载电阻的电抗XR′的计算方法为：
Figure BDA0003003776280000021
其中，
Figure BDA0003003776280000022
为接地变二次侧电阻器功率因数，取保守值为0.98；
Figure BDA0003003776280000023
为0.2；R为接地变二次侧电阻器的电阻。
进一步地，所述接地变压器三相对地电容Cw，发电机单相对地电容为CF，其中，Cw按《电力工程设计手册》为0.004μF-0.01μF。
进一步地，所述接地变压器短路阻抗Zk的计算方法为：
Zk＝Rk+jXk
折算到低压侧为：
Figure BDA0003003776280000024
其中，Rk为电阻分量，Xk为电抗分量，j为虚数单位；U2为接地变压器低压侧额定电压；Pk为接地变压器的铜损，一般不超过额定容量的2％；Uk％为接地变压器的短路电压百分比，一般取值为4％-8％；S为接地变压器的额定容量。
进一步地，所述接地变压器的容量S在发电机正常运行时，中性点对地的基波电压为0，3次谐波电压也不大；在发电机机端发生金属性单相接地故障时，中性点对地工频电压U0将等于发电机的相电压；选择接地变压器的额定容量时，由于定子接地保护均快速动作，接地变压器的容量S按短时过负荷情况进行估算，再按电力变压器R10容量系列确定S最终的取值，具体的计算方法为：
Figure BDA0003003776280000025
其中，U1为接地变压器一次侧额定电压，按发电机额定线电压选定，已包含
Figure BDA0003003776280000026
的裕量；IC为对地电容电流，其电容包括发电机三相对地电容和变压器三相对地电容；KO为过负荷系数，通常按过负荷持续1min确定，一般为4.7。
进一步地，所述计入四种影响因素后的电容电流IC′的计算方法为：
Figure BDA0003003776280000031
其中，CF为发电机单相对地电容；Ug为发电机额定电压；ω为额定角频率。
进一步地，所述计入四种因素后当发电机机端发生金属性接地故障时，变压器低压侧等效输入阻抗Zn′的计算方法为：
Figure BDA0003003776280000032
其中，N为接地变压器高低压侧线圈的匝数比；IR′、IL′为低压侧阻抗等效到高压侧时的等效电阻、电感所流过的电流；
进一步地，所述接地变压器低压侧接地参数电阻R1′和电感X1′的计算方法为：
Figure BDA0003003776280000033
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
若在选取接地变参数时不考虑接地变阻抗及其对地电容，则计算出的参数R1、X1在实际应用中(考虑接地变阻抗及其对地电容的情况下)会导致对地故障电流超出允许值。而本发明考虑到接地变的阻抗及其对地电容，在水轮发电机中性点经组合式接地方式参数选取中可以更加准确，避免参数选取的误差带来故障电流的增大，从而为以后进行参数选择时是否计入接地变电抗以及变压器三相对地电容提供了一种选择。
附图说明
图1为接地变压器等效电路图。
图2为水轮发电机接地方案。
具体实施方式
以下结合实例和说明书附图，详细说明本发明的实施过程。
本发明涉及的接地变参数选取需要考虑的部分因素：
(1)计入接地变压器负载电阻的电抗XR,
Figure BDA0003003776280000034
其中，
Figure BDA0003003776280000035
为接地变二次侧电阻器功率因数，取保守值为0.98；
Figure BDA0003003776280000036
取0.2；R为接地变二次侧电阻器的电阻。
(2)定义接地变压器三相对地电容Cw，发电机单相对地电容为CF，其中，Cw按《电力工程设计手册》为0.004μF-0.01μF。大型汽轮发电机定子绕组线圈数较少，相应的每相对地电容不是很大，一般为0.2-0.4μF；相比之下，大型水轮发电机定子绕组线圈数量较多，每相对地电容CF通常要高1个数量级。
(3)接地变压器短路阻抗Zk；其中，电阻分量为Rk，电抗分量为Xk。
Zk＝Rk+jXk
折算到低压侧为：
Figure BDA0003003776280000041
其中，U2为接地变压器低压侧额定电压；Pk为接地变压器的铜损，一般不超过额定容量的2％；Uk％为接地变压器的短路电压百分比，一般取值为4％-8％。
发电机正常运行时，中性点对地的基波电压基本为0，3次谐波电压也不大；发电机机端发生金属性单相接地故障时，中性点对地工频电压U0将等于发电机的相电压；选择接地变压器的额定容量时，由于定子接地保护均快速动作，接地变压器的容量S可以按短时过负荷情况进行估算，再按电力变压器R10容量系列确定S最终的取值，
Figure BDA0003003776280000042
其中，U1按发电机额定线电压选定，已包含
Figure BDA0003003776280000043
的裕量；S为接地变压器的额定容量；IC为对地电容电流，其电容包括发电机三相对地电容和变压器三相对地电容；KO为过负荷系数，通常按过负荷持续1min确定，一般为4.7。
在计算参数时，一般均忽略了上述三个因素，但实际其影响不容小觑。
本发明对比两种方法说明其对实际参数选取的影响。
(1)若不计入接地变阻抗以及对地电容，那么变压器低压侧参数选取如下，
电容电流IC为：
Figure BDA0003003776280000044
其中，CF为发电机单相对地电容；Ug为发电机额定电压；ω为额定角频率。
若不计入接地变阻抗以及对地电容，设发电机机端发生金属性接地故障，变压器低压侧等效输入阻抗Zn为:
Figure BDA0003003776280000045
其中，N为接地变压器高低压侧线圈的匝数比；IR、IL为低压侧阻抗等效到高压侧时的电阻、电感电流；
若不计入接地变阻抗以及对地电容，进而求得不计入接地变阻抗以及对地电容时接地变压器低压侧接地参数电阻和电感R1、X1分别为：
Figure BDA0003003776280000051
(2)计入接地变阻抗以及对地电容时，电容电流变为：
Figure BDA0003003776280000052
计入接地变阻抗以及对地电容后，当发电机机端发生金属性接地故障时，变压器低压侧等效输入阻抗Zn′变为
Figure BDA0003003776280000053
进而求得计入接地变阻抗以及对地电容时接地变压器低压侧接地参数为：
Figure BDA0003003776280000054
Figure BDA0003003776280000055
经计算验证，若在选取接地变参数时不考虑接地变阻抗及其对地电容，则计算出的参数R1、X1在实际应用中(考虑接地变阻抗及其对地电容的情况下)会导致对地故障电流超出允许值。
下面结合附图和具体实例详细说明本发明的实施情况，但他们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。
以一台1000MW的水轮发电机为例进行计算分析，额定电压Ug＝24KV，发电机三相对地总电容为13.2μF，取U1＝24KV，U2＝1212V；K0＝4.7，UK％＝6％，PK＝2％*S。
下面对两种情况下的进行参数计算：
(1)在不考虑接地变阻抗和对地电容的情况，
对地电容电流为：
Figure BDA0003003776280000056
将故障电流IF控制在25A内，取补偿后的电容电流和电阻电流相等，这里取值IF为25A，则得出电阻电流IR、电感电流IL,
Figure BDA0003003776280000057
设发电机机端发生金属性接地故障，变压器低压侧等效输入阻抗Zn为:
Figure BDA0003003776280000061
进而求得不计入接地变阻抗以及对地电容时接地变压器低压侧接地参数为：
Figure BDA0003003776280000062
(2)考虑接地变阻抗和对地电容的情况时，
接地变压器三相对地电容CW取为0.01μF；
对地电容电流为：
Figure BDA0003003776280000063
接地变压器的容量S为：
Figure BDA0003003776280000064
先计算接地变压器的短路阻抗值Zt,Zt＝Rt+jXt,折算到低压侧为：
Figure BDA0003003776280000065
当发电机机端发生金属性接地故障时，变压器低压侧等效输入阻抗Zn′为：
Figure BDA0003003776280000066
进而求得计入接地变阻抗以及对地电容时接地变压器低压侧接地参数为：
Figure BDA0003003776280000067
Figure BDA0003003776280000068
(3)对于未考虑到接地变及其对地电容选取的参数，在实际运用时应考虑接地变阻抗及其对地电容，则计算对地故障电流如下，
此时变压器低压侧实际等效输入阻抗为：
Zn1＝Zn+(Rk+jXk)+XR′＝0.43+j1.02
进而得出单相接地故障时中性点实际流过电流为：
Figure BDA0003003776280000071
求出实际故障点电流为：
Figure BDA0003003776280000072
其结果远大于故障点限制电流25A。
因此得出，若在选取接地变参数时不考虑接地变阻抗及其对地电容，则计算出的参数R1、X1在实际应用中(考虑接地变阻抗及其对地电容的情况下)会导致对地故障电流超出允许值。
上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种水轮发电机中性点接地参数计算方法，其特征在于：该方法为
在应用水轮发电机中性点经配电变压器低压侧负载电阻上并联电感接地方式的参数计算中，引入接地变压器负载电阻的电抗XR′、接地变压器三相对地电容Cw、发电机单相对地电容CF、接地变压器短路阻抗Zk四种因素，对水轮发电机中性点接地参数计算，算出接地参数电阻R1′和电感X1′的取值，得到一种计入上述四种因素后的中性点经配电变压器低压侧电阻并联电抗接地方式的参数计算方法。
2.根据权利要求1所述的水轮发电机中性点接地参数计算方法，其特征在于：所述接地变压器负载电阻的电抗XR′的计算方法为：
Figure FDA0003003776270000011
其中，
Figure FDA0003003776270000012
为接地变二次侧电阻器功率因数，取保守值为0.98；
Figure FDA0003003776270000013
为0.2；R为接地变二次侧电阻器的电阻。
3.根据权利要求1所述的水轮发电机中性点接地参数计算方法，其特征在于：所述接地变压器三相对地电容Cw，发电机单相对地电容为CF，其中，Cw按《电力工程设计手册》为0.004μF-0.01μF。
4.根据权利要求1所述的水轮发电机中性点接地参数计算方法，其特征在于：所述接地变压器短路阻抗Zk的计算方法为：
Zk＝Rk+jXk
折算到低压侧为：
Figure FDA0003003776270000014
其中，Rk为电阻分量，Xk为电抗分量，j为虚数单位；U2为接地变压器低压侧额定电压；Pk为接地变压器的铜损，一般不超过额定容量的2％；Uk％为接地变压器的短路电压百分比，一般取值为4％-8％；S为接地变压器的额定容量。
5.根据权利要求4所述的水轮发电机中性点接地参数计算方法，其特征在于：所述接地变压器的容量S在发电机正常运行时，中性点对地的基波电压为0，3次谐波电压也不大；在发电机机端发生金属性单相接地故障时，中性点对地工频电压U0将等于发电机的相电压；选择接地变压器的额定容量时，由于定子接地保护均快速动作，接地变压器的容量S按短时过负荷情况进行估算，再按电力变压器R10容量系列确定S最终的取值，具体的计算方法为：
Figure FDA0003003776270000021
其中，U1为接地变压器一次侧额定电压，按发电机额定线电压选定，已包含
Figure FDA0003003776270000025
的裕量；IC为对地电容电流，其电容包括发电机三相对地电容和变压器三相对地电容；KO为过负荷系数，通常按过负荷持续1min确定，一般为4.7。
6.根据权利要求1所述的水轮发电机中性点接地参数计算方法，其特征在于：所述计入四种影响因素后的电容电流IC′的计算方法为：
Figure FDA0003003776270000022
其中，CF为发电机单相对地电容；Ug为发电机额定电压；ω为额定角频率。
7.根据权利要求1所述的水轮发电机中性点接地参数计算方法，其特征在于：所述计入四种因素后当发电机机端发生金属性接地故障时，变压器低压侧等效输入阻抗Zn′的计算方法为：
Figure FDA0003003776270000023
其中，N为接地变压器高低压侧线圈的匝数比；IR′、IL′为低压侧阻抗等效到高压侧时的等效电阻、电感所流过的电流。
8.根据权利要求1所述的水轮发电机中性点接地参数计算方法，其特征在于：所述接地变压器低压侧接地参数电阻R1′和电感X1′的计算方法为：
Figure FDA0003003776270000024
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