论文部分内容阅读
摘 要：本文分析了母线直连于外电网的小型汽轮发电机组，当外电网线路单相接地故障时对电厂内网的严重影响及原因，阐述了出线线路单相接地短路时零序电流的特点，并利用这一特点，采用小电流接地选线装置，实现与外电网的快速解列，为小机组发电厂应对外电网接地故障提供经济可行的解决方案。
关键词：外电网；单相接地短路；选线装置
当前，垃圾焚烧发电、生物发电等小型发电机组规模日益壮大，由于成本考量，通常在机组连接外电网时，未采取隔离变压器等隔离措施，而采用将母线直接连接于外电网的电气主接线形式。在外电网发生雷击、短路特别是单相接地短路等故障时，往往会对电厂内网设备造成冲击，甚至造成机组跳闸，发电机解列等事故，给机组运行带来较大的安全隐患。长期以来，这一隐患一直困扰着广大的小机组用户，未能找到较好的解决方案。
我司东部垃圾焚烧发电厂工程规模为一台12MW的垃圾焚烧发电机组，采用中性点不接地系统。厂用10kV母线分为两段，Ⅰ段母线和0段母线分别通过901和902开关，经电业局10kV开关站与两回架空线路连接至林尾变电站，两段母线之间由分段开关连接。发电机定子直接与母线相连接，经自动/手动准同期方式并网发电。
发电机的定子接地保护采用3U0动作于跳闸和3U0+3I0动作于告警相结合的方式，自调试以来多次因外电网单相接地短路造成了发电机3U0、3I0定子接地保护报警、跳闸事件，极大地影响了机组的安全稳定运行。3月16日夜晚，风雨大作。凌晨2：50分中控室照明灯突然闪一下，发电机保护“定子接地”光字牌亮，发电机出口开关和灭磁开关跳闸。#1、#2引风机及一、二次风机跳停， 400VPCI段、PC II热力系统和公用MCC（一）4132开关等多路馈线开关跳闸。
事故发生后，技术部门组织对系统一、二次设备进行了充分排查，对影响系统安全的相关数据再次进行了实测，就发电机3U0、3I0定子接地保护多次动作原因进行了具体分析和判断，针对外电网单相接地短路时零序电流大小和方向的特点，提出了加装小电流接地选线装置的改造解决方案。具体如下：
一、发电机3U0、3I0定子接地保护动作原因分析
中性点不接地或不直接接地供电系统中， 发生三相短路或两相短路的情况，线路一般具备较全面的继电保护，而当发生单相接地时， 由于规程允许线路可以带故障运行1-2小时，一般只要求保护装置能选出发生接地的线路并及时发出告警。规程同时要求，当发电机电压网络接地电容电流大于允许值（4A）时，不论该网络是否装有消弧线圈，接地保护应动作于跳闸。据实测，外网接入时接地电容电流为30～40A，远大于允许值，按要求应立即动作于跳闸。同时对于直连网，当外电网任何一点金属性接地短路时，产生的零序电压值将直接反映在发电机机端PT开口三角上，当其值超过整定值和整定时间时，立即动作于发电机跳闸。因此，不论是规程要求，或是实际连接方式，发电机出口断路器均要跳闸，这就是外电网单相接地短路时发电机解列的直接原因。
同时在单相接地时，A、B、C三相的其中某相电压忽然降低，使得连接风机的变频器低电压保护动作，#1、#2引风机及一、二次风机跳停及两段低压母线上的部分开关跳闸。
二、外电网单相接地短路时，零序电流大小和方向分析：
连接于电厂内网和外电网的901和902线路，在挂网运行时承担着往内网供电或外网送电的任务。当线路上某点单相接地短路时，在线路上产生的零序电流，相当于双侧电源分别产生的零序电流的叠加。不同测产生的零序电流大小及方向分析如下：
电厂内网由发电机往外网供电，是典型的中性点不接地系统。如图1，为线路II某点单相接地时电容电流分布图。
由图可见，在接地点流回的电容电流I为全系统B相和C相电容电流总和，其值为：
■ =（■B1+■C1）+（■BII+■CII）+（■BG+■CG）
有效值为：I=3Uφω（C0I+C0II+C0G）= 3UφωCOΣ
而电流要从A相流回，即■AII = -■。此时在线路II始端流过的零序电流：
3■0II = ■AII+■BII+■CII = -（ ■B1+■C1+■BG+■CG ）
有效值：3I0II=3 Uφω（COΣ-COII）
结论：线路某点单相接地时，零序电流值为系统非故障线路对地电容电流总和（不包括本线路），其电容性无功功率方向是由线路流向母线，与非故障线路相反。
（2） 外电网往电厂内网供电，是典型的中性点经消弧线圈接地系统。如图2，为线路II某点单相接地时电容电流分布图：
图2 中性点经消弧线圈接地系统，单相接地时电容电流分布图
接入消弧线圈之后，接地电容电流大小和分布是与不接地系统是一致的，只不过在接地点由在接地点增加了一个相角相差180的电流 ■L。
此时，从接地点流回的总电流为：■=■L+■C∑。
因考虑串联谐振的问题，外电网消弧线圈采用的是过补偿方式，流经故障线路的零序电流是流过消弧线圈的零序电流与非故障相零序电流之差，电容性无功功率方向由母线（此时为外电网）流向线路（此时为内网母线）。
由上述分析可知，当本线路单相接地短路时，在线路端产生的零序电流叠加后其值大于系统非故障线路对地电容电流之和，电容性无功功率方向是由线路流向母线，与非故障线路相反。
三、解决方案
此时，在线路901或902端口处安装一CT，通过与发电机出口端和其他馈线端口安装的CT采集到的零序电流大小和方向值进行对比，即可判别901或902线路是否单相接地短路。为满足判断准确性和动作快速性要求，在考虑多种方案以后，最后确定选用“KA2003型小电流接地电网单相接地故障选线装置”，利用其智能群体比幅比相法、谐波比幅比相法等等综合选线方法，识别直接接地或弧光接地等等复杂接地故障的准确率高、速度快的特点，躲过发电机定子零序电压和零序电流的保护整定值，迅速可靠地切断单相接地线路出口断路器，将外电网和内网分离解列，避免了对系统内网一、二次设备造成冲击，同时发电机不解列，转入孤岛运行状态，保证了生产的持续稳定运行。具体实现过程及二次回路示意图如图3所示：
当线路901或902出线上任一相单相接地短路时，装置输出跳闸信号经B1/2或B3/4，使中间继电器MR1或MR2动作，连接于901或902的断路器分闸线圈动作；同时通过MR3或MR4将信号发至DCS，启动故障报警。系统稳定运行后，DCS以通讯方式发出复归信号，选线装置复归，声光报警解除。
【结语】
本方案在外电网单相接地故障发生后能以最快速度解列，保证内部电网和厂用电的安全；分网隔离排查，符合《电气事故处理规程》的相关要求；在厂系统其它任何出线单相接地短路时可以发出告警，有助于线路故障的快速排除；同時投资少，技改时间短，在故障外线切除后不停机、炉，经济损失少，为母线直连于外电网的小型汽轮发电机组应对外电网接地短路故障提供了一个较好的解决方案。但由于在外电网故障切断时，往往会造成发电机组负荷大幅度波动，这就对汽轮发电机组控制系统在孤岛运行条件下的运行能力提出了较高的要求。
参考文献
[1] 张保会，电力系统继电保护 中国电力出版社，2005
[2] 鲁改凤，小电流接地系统单相接地故障选线方法探究 ，电力系统保护与控制 2010.
作者简介：
颜毅彬（1969-），男，毕业于福州大学电气工程系，工程师，从事发电厂电气技术研究工作。
关键词：外电网；单相接地短路；选线装置
当前，垃圾焚烧发电、生物发电等小型发电机组规模日益壮大，由于成本考量，通常在机组连接外电网时，未采取隔离变压器等隔离措施，而采用将母线直接连接于外电网的电气主接线形式。在外电网发生雷击、短路特别是单相接地短路等故障时，往往会对电厂内网设备造成冲击，甚至造成机组跳闸，发电机解列等事故，给机组运行带来较大的安全隐患。长期以来，这一隐患一直困扰着广大的小机组用户，未能找到较好的解决方案。
我司东部垃圾焚烧发电厂工程规模为一台12MW的垃圾焚烧发电机组，采用中性点不接地系统。厂用10kV母线分为两段，Ⅰ段母线和0段母线分别通过901和902开关，经电业局10kV开关站与两回架空线路连接至林尾变电站，两段母线之间由分段开关连接。发电机定子直接与母线相连接，经自动/手动准同期方式并网发电。
发电机的定子接地保护采用3U0动作于跳闸和3U0+3I0动作于告警相结合的方式，自调试以来多次因外电网单相接地短路造成了发电机3U0、3I0定子接地保护报警、跳闸事件，极大地影响了机组的安全稳定运行。3月16日夜晚，风雨大作。凌晨2：50分中控室照明灯突然闪一下，发电机保护“定子接地”光字牌亮，发电机出口开关和灭磁开关跳闸。#1、#2引风机及一、二次风机跳停， 400VPCI段、PC II热力系统和公用MCC（一）4132开关等多路馈线开关跳闸。
事故发生后，技术部门组织对系统一、二次设备进行了充分排查，对影响系统安全的相关数据再次进行了实测，就发电机3U0、3I0定子接地保护多次动作原因进行了具体分析和判断，针对外电网单相接地短路时零序电流大小和方向的特点，提出了加装小电流接地选线装置的改造解决方案。具体如下：
一、发电机3U0、3I0定子接地保护动作原因分析
中性点不接地或不直接接地供电系统中， 发生三相短路或两相短路的情况，线路一般具备较全面的继电保护，而当发生单相接地时， 由于规程允许线路可以带故障运行1-2小时，一般只要求保护装置能选出发生接地的线路并及时发出告警。规程同时要求，当发电机电压网络接地电容电流大于允许值（4A）时，不论该网络是否装有消弧线圈，接地保护应动作于跳闸。据实测，外网接入时接地电容电流为30～40A，远大于允许值，按要求应立即动作于跳闸。同时对于直连网，当外电网任何一点金属性接地短路时，产生的零序电压值将直接反映在发电机机端PT开口三角上，当其值超过整定值和整定时间时，立即动作于发电机跳闸。因此，不论是规程要求，或是实际连接方式，发电机出口断路器均要跳闸，这就是外电网单相接地短路时发电机解列的直接原因。
同时在单相接地时，A、B、C三相的其中某相电压忽然降低，使得连接风机的变频器低电压保护动作，#1、#2引风机及一、二次风机跳停及两段低压母线上的部分开关跳闸。
二、外电网单相接地短路时，零序电流大小和方向分析：
连接于电厂内网和外电网的901和902线路，在挂网运行时承担着往内网供电或外网送电的任务。当线路上某点单相接地短路时，在线路上产生的零序电流，相当于双侧电源分别产生的零序电流的叠加。不同测产生的零序电流大小及方向分析如下：
电厂内网由发电机往外网供电，是典型的中性点不接地系统。如图1，为线路II某点单相接地时电容电流分布图。
由图可见，在接地点流回的电容电流I为全系统B相和C相电容电流总和，其值为：
■ =（■B1+■C1）+（■BII+■CII）+（■BG+■CG）
有效值为：I=3Uφω（C0I+C0II+C0G）= 3UφωCOΣ
而电流要从A相流回，即■AII = -■。此时在线路II始端流过的零序电流：
3■0II = ■AII+■BII+■CII = -（ ■B1+■C1+■BG+■CG ）
有效值：3I0II=3 Uφω（COΣ-COII）
结论：线路某点单相接地时，零序电流值为系统非故障线路对地电容电流总和（不包括本线路），其电容性无功功率方向是由线路流向母线，与非故障线路相反。
（2） 外电网往电厂内网供电，是典型的中性点经消弧线圈接地系统。如图2，为线路II某点单相接地时电容电流分布图：
图2 中性点经消弧线圈接地系统，单相接地时电容电流分布图
接入消弧线圈之后，接地电容电流大小和分布是与不接地系统是一致的，只不过在接地点由在接地点增加了一个相角相差180的电流 ■L。
此时，从接地点流回的总电流为：■=■L+■C∑。
因考虑串联谐振的问题，外电网消弧线圈采用的是过补偿方式，流经故障线路的零序电流是流过消弧线圈的零序电流与非故障相零序电流之差，电容性无功功率方向由母线（此时为外电网）流向线路（此时为内网母线）。
由上述分析可知，当本线路单相接地短路时，在线路端产生的零序电流叠加后其值大于系统非故障线路对地电容电流之和，电容性无功功率方向是由线路流向母线，与非故障线路相反。
三、解决方案
此时，在线路901或902端口处安装一CT，通过与发电机出口端和其他馈线端口安装的CT采集到的零序电流大小和方向值进行对比，即可判别901或902线路是否单相接地短路。为满足判断准确性和动作快速性要求，在考虑多种方案以后，最后确定选用“KA2003型小电流接地电网单相接地故障选线装置”，利用其智能群体比幅比相法、谐波比幅比相法等等综合选线方法，识别直接接地或弧光接地等等复杂接地故障的准确率高、速度快的特点，躲过发电机定子零序电压和零序电流的保护整定值，迅速可靠地切断单相接地线路出口断路器，将外电网和内网分离解列，避免了对系统内网一、二次设备造成冲击，同时发电机不解列，转入孤岛运行状态，保证了生产的持续稳定运行。具体实现过程及二次回路示意图如图3所示：
当线路901或902出线上任一相单相接地短路时，装置输出跳闸信号经B1/2或B3/4，使中间继电器MR1或MR2动作，连接于901或902的断路器分闸线圈动作；同时通过MR3或MR4将信号发至DCS，启动故障报警。系统稳定运行后，DCS以通讯方式发出复归信号，选线装置复归，声光报警解除。
【结语】
本方案在外电网单相接地故障发生后能以最快速度解列，保证内部电网和厂用电的安全；分网隔离排查，符合《电气事故处理规程》的相关要求；在厂系统其它任何出线单相接地短路时可以发出告警，有助于线路故障的快速排除；同時投资少，技改时间短，在故障外线切除后不停机、炉，经济损失少，为母线直连于外电网的小型汽轮发电机组应对外电网接地短路故障提供了一个较好的解决方案。但由于在外电网故障切断时，往往会造成发电机组负荷大幅度波动，这就对汽轮发电机组控制系统在孤岛运行条件下的运行能力提出了较高的要求。
参考文献
[1] 张保会，电力系统继电保护 中国电力出版社，2005
[2] 鲁改凤，小电流接地系统单相接地故障选线方法探究 ，电力系统保护与控制 2010.
作者简介：
颜毅彬（1969-），男，毕业于福州大学电气工程系，工程师，从事发电厂电气技术研究工作。