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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(yīng)的電動勢除基波分量外，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，雖然在線電動勢中被消除，但是在相電動勢中依然存在。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、升壓變壓器、廠用變壓器以及電壓互感器等設(shè)備的每相對地電容Cw也等效在機端，并設(shè)三次諧波電動勢為E3。那么當(dāng)發(fā)電機中性點不接地時，其等值電路如圖1所示。這時中性點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與中性點側(cè)的三次諧波電壓UN3之比為
由式（2-14）可見，在正常運行時，發(fā)電機中性點側(cè)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(dāng)發(fā)電機孤立運行時，即發(fā)電機出線端開路，Cw＝0時，UN3＝US3。
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中性點不接地發(fā)電機三次諧波電動勢和對地電容的等值電路圖 |
中性點經(jīng)消弧線圈接地發(fā)電機三次諧波電動勢和對地電容的等值電路圖 |
當(dāng)發(fā)電機中性點經(jīng)消弧線圈接地時，其等值電路如圖2所示，假設(shè)基波電容電流被完全補償，即
此時發(fā)電機中性點側(cè)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三次諧波電壓之比為
式（2-19）表明，接入消弧線圈后，中性點的三次諧波電壓UN3在正常運行時比機端三次諧波電壓US3更大。在發(fā)電機出線端開路后，即Cw＝0時，則有
在正常運行情況下，盡管發(fā)電機的三次諧波電動勢E3隨著發(fā)電機的結(jié)構(gòu)及運行狀態(tài)而改變，但是其機端三次諧波電壓與中性點三次諧波電壓的比值總是符合以上關(guān)系的。
當(dāng)發(fā)電機定子繞組發(fā)生金屬性單相接地時，設(shè)接地發(fā)生在距中性點α處，其等值電路如圖2-16所示，此時不管發(fā)電機中性點是否接有消弧線圈，總是有UN3＝αE3和US3＝（1-α）E3，兩者相比，得
中性點電壓UN3和機端電壓US3隨故障點α的變化曲線如圖2-17所示。因此，如果利用機端三次諧波電壓US3作為動作量，而用中性點三次諧波電壓UN3作為制動量來構(gòu)成接地保護，且當(dāng)US3≥UN3時作為保護的動作條件，則在正常運行時保護不可能動作，而當(dāng)中性點附近發(fā)生接地時，則具有很高的靈敏性。利用此原理構(gòu)成的接地保護，可以反應(yīng)距中性點約50％范圍內(nèi)的接地故障。
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發(fā)電機單相接地時三次諧波電動勢分布的等值電路圖 |
發(fā)電機中性點電壓UN3和機端電壓US3隨故障點α的變化曲線圖 |
2、反應(yīng)三次諧波電壓比值的定子繞組單相接地保護
利用反應(yīng)三次諧波電壓比值US3/UN3和基波零序電壓可以構(gòu)成100％定子繞組單相接地保護。反應(yīng)三次諧波電壓比值的定子繞組接地保護的動作判據(jù)為
式中 β——整定比值。
需要指出，發(fā)電機中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地與發(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(qū)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(gòu)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(jù)，將機端三次諧波電壓US3作為動作量，中性點三次諧波電壓UN3作為制動量進行比較?？梢苑磻?yīng)發(fā)電機定子繞組中α＜0.5范圍內(nèi)的單相接地故障，并且當(dāng)故障點越靠近中性點時，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(yīng)α＞0.15范圍內(nèi)的單相接地故障，且當(dāng)故障點越靠近發(fā)電機機端時，保護的靈敏性就越高。兩部分共同構(gòu)成了保護區(qū)為100％的定子接地保護。另外，基波零序電壓元件取中性點零序電壓，使裝置可不考慮電壓互感器斷線的影響。
3、改進的反應(yīng)三次諧波電壓比值的定子繞組單相接地保護
動作判據(jù)｜US3／UN3｜＞β可以改寫為｜US3｜＞β｜UN3｜，即US3為動作量，UN3為制動量。該動作判據(jù)的三次諧波電壓保護靈敏度不夠高，尤其是當(dāng)中性點經(jīng)過渡電阻發(fā)生接地故障時，容易發(fā)生拒動。為提高大型機組三次諧波電壓保護的靈敏度，改進的措施是增加調(diào)整系數(shù)Kp，進一步減小動作量，這樣也就能進一步減小制動量，即可減小制動系數(shù)β，使β《1.0，從而可獲得更高的靈敏度和防誤動能力。
改進的動作判據(jù)為
當(dāng)發(fā)電機發(fā)生單相接地時，若故障點在機端附近，則US3減小而UN3增大；若故障點在中性點附近，則US3增大而UN3減小。其結(jié)果是：故障點在中性點附近時組合動作量｜US3-KpUN3｜顯著增大，而此時制動量β｜UN3｜卻比較小，保護可靈敏動作；即使在機端發(fā)生金屬性接地故障，UN3雖會顯著增大，但制動量β｜UN3｜因為β＜1.0不會很大，而此時動作量｜US3-KpUN3｜＝｜KpUN3｜，由于Kp接近1.0，所以動作量｜KpUN3｜很大，于是保護仍可靈敏動作。如果此動作判據(jù)調(diào)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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