Przepięcia ziemnozwarciowe w generatorach blokowych z izolowanym punktem gwiazdowym uzwojeń stojana

M ieczysław ZIE LIC H O W S K I1), R em igiusz M YDLIKOW SKI2*

PRZEPIĘCIA ZIEMNOZWARCIOWE W GENERATORACH BLOKOWYCH Z IZOLOWANYM PUNKTEM GWIAZDOWYM UZWOJEŃ STOJANA

S treszczenie. Określono przepięcia ziemnozwarciowe w blokach generator-transformator podczas łukowych, przerywanych zwarć doziemnych w uzwojeniach stojanów generatorów z izolowanym punktem gwiazdowym, w układach z pojemnościami doziemnymi wyłączników generatorowych oraz układach bez pojemności wyłącznikowych.

GROUND-FAULT OVERVO LTAG ES IN UNIT-CONNECTED GENERATOR W ITH NEUTRAL UNGROUNDED

Sum m ary. The ground-fault overvoltages during interrupted arcing ground-fault in the stator winding of the unit-connected generator with the neutral ungrounded, equipped with generator breakers with additional capacitances to ground and in the unit without these capacitances were determined.

Key w o rd s : unit-connected generator, ground - fault overvoltages

1. W S T Ę P

Łukow e zw arcie doziem ne w izolacji głównej stojana generatora m a charakter przerywany i w je d n ym półokresie częstotliw ości przem ysłowej następują w ielokrotne zapłony łuku, przy czym czas palenia się łuku w krótkotrw ałym stanie nieustalonym pom iędzy kolejnym zapłonem i zgaśnięciem łuku je s t rzędu ułam ka m ilisekundy [2,4,7]. W pewnych warunkach, w tym krótkotrwałym stanie nieustalonym , a w ię c po czasie bardzo krótkim , licząc od chwili przebicia izolacji, m og ą ju ż powstać znaczne przepięcia ziem nozw arciow e. Jeżeli przepięcia te spow odują drugie przebicie izolacji uzwojenia, to ju ż po czasie krótszym niż 1 m s doziem ienie przekształca się w zwarcie m iędzyfazow e lub zwojow e i przez rdzeń stojana popłynie ogrom ny prąd zwarciowy, który nawet przy prawidłow ym działaniu układów zabezpieczeń m oże znacznie zniszczyć generator. W dużej m ierze rozm iar uszkodzeń uzależniony je s t od zastosow anych układów odwzbudzania i param etrów bloku [1,5,6]. Jednakże nawet przy najszybszych układach odwzbudzania skutki takich zw arć s ą bardzo rozległe i e lim in u ją praktycznie generator z dalszej eksploatacji, a koszty koniecznego rem ontu s ą ogrom ne.

Ze w zględu na bezpieczeństw o eksploatacji bloków generator-transform ator znajom ość przepięć ziem nozw arciow ych m a zasadnicze znaczenie, zwłaszcza w blokach w yposażonych w w yłączniki generatorow e z dodatkow ym i pojem nościam i doziem nym i [8].

W artykule przedstaw iono w yniki badań ziem nozwarciow ych zagrożeń przepięciowych podczas łukowych, przerywanych zw arć doziem nych w uzwojeniach stojanów generatorów 200 M W z izolow anym punktem gw iazdow ym , w yposażonych w w yłączniki generatorowe firm y A B B z dodatkow ym i pojem nościam i doziem nym i. W oparciu o badania sym ulacyjne z uwzględnieniem rzeczyw istych param etrów bloku generator-transform ator, w tym m echanizm u powstawania przerywanego zw arcia doziem nego i rezystancji dynam icznej kanału ziem nozwarciowego w izolacji głównej uzwojenia stojana, które wyznaczono w badaniach eksperym entalnych, określono m aksym alne w artości przepięć ziem nozwarciowych podczas tych zwarć. Stwierdzono, że w

^ Prof. Politechnika W rocławska Instytut Energoelektryki, ul. Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław, teł.: (071) 3203562, fax.: (071) 3203596, e-mail: zielicho@elektryk.ie.pwr.wroc.pl

21 Politechnika Wrocławska Instytut Energoelektryki, ul. Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław, tel.: (071) 3203379, fax.: (071) 3203596, e-mail: mydlik@elektiyk.ie.pwr.wroc.pl

generatorach z izolow anym punktem gwiazdowym zagrożenia przepięciowe zw iększają się m aksym alnie o kilkanaście procent w porównaniu z tym i w generatorach z uziem ionym punktem gwiazdow ym przez rezystor [8].

2. Z A K R E S I M E T O D O LO G IA BADAŃ

Ziem nozw arciow e zagrożenia przepięciow e podczas łukow ych zwarć doziem nych w uzwojeniach stojanów generatorów z izolow anym i punktam i gw iazdow ym i określono w oparciu o badania sym ulacyjne, w których uw zględniono wszystkie istotne elem enty układu, w pływające na przepięcia ziem nozw arciow e, w tym zwłaszcza m echanizm przerywanego zw arcia doziemnego, rezystancję d yn a m iczn ą łuku ziem nozw arciow ego oraz w arunki jego zapłonu i gaśnięcia.

B adaniam i objęto bloki o m ocy 200 M W , aktualnie eksploatow ane w system ie energetycznym . W ła ściw o ści łuku ziem nozw arciow ego w krótkotrw ałych stanach nieustalonych, towarzyszących kolejnym je g o zapłonom , w a rto ść rezystancji dynam icznej łuku pom iędzy kolejnym zapłonem i zgaśnięciem oraz ch a rakter je j zm ian w dłuższym przedziale czasowym zwarcia doziem nego, tj.

uw zględniającym przerw y bezprądow e i kolejne zapłony, były zgodne z rzeczyw istym i, określonym i w badaniach eksperym entalnych, w w arunkach rzeczyw istych [2],

Przyjęte w badaniach sym ulacyjnych param etry łuku ziem nozwarciow ego, tj. zm ianę jego rezystancji dynam icznej w krótkotrw ałym stanie nieustalonym , w przedziale czasowym pomiędzy kolejnym zapłonem i zgaśnięciem , je j w a rto ść w czasie przerwy bezprądowej oraz w artość napięć kolejnych za p ło n ów łuku, zam ieszczono w pracy [8].

W szystkie istotne e lem enty pojem nościow e bloku generator-transform ator, w pływ ające na przepięcia ziem nozw arciow e podczas doziem ień w stojanie generatora, pokazano na rys.1.

G Wq TB

Rys.1. Schemat zastępczy bloku generator-transformator, uwzględniający pojemności doziemne, mające wpływ na przebiegi ziemnozwarciowe: G - generator blokowy, WG - wyłącznik generatorowy, TB - transformator blokowy, TO - transformator odczepowy

Fig.1. Equivalent diagram of a unit-connected generator with capacitances to ground influencing the ground-fault transients: G - generator, W G - generator breaker, TB - main transformer, TO - unit auxiliary transformer P oszczególne pojem ności na rys.1 oznaczają:

C i - po je m n o ść zastępcza uzwojeń stojana generatora względem ziem i w punkcie gwiazdowym, C2 - pojem ność zastępcza uzwojenia fazy układu w zględem ziem i, uwzględniająca generator

w raz z połączeniam i do w yłącznika generatorowego,

C w i, C w

2

C z - pojem ność zastępcza fazy układu zew nętrznego w zględem ziem i, widziana z zacisków otw artego w yłącznika generatorow ego, uwzględniająca transform ator blokowy, tran sfo rm a to r odczepow y i połączenia w yłącznika generatorowego z tym i elem entam i.

Przeprow adzona analiza rzeczyw istych w artości poszczególnych pojem ności układu wykazała, że w a rto ść p o jem ności C2 je s t zbliżona do w artości określonej przez pojem ność fazy uzwojenia stojana generatora w zględem ziem i Cf, a pojem ność Cz w ynosi m aksym alnie kilkanaście procent pojem ności Cf. W dalszej analizie przyjęto, że pojem ność Cz w ynosi 12% pojem ności Cf, a p ojem ność Cz je s t równa 0,5 pojem ności Cf.

Po przekształceniach sch e m a t z rys.1, um ożliw iający analizę przepięć ziem nozwarciowych przy zw arciu doziem nym w stojanie generatora, przyjm uje postać pokazaną na rys.2.

Rys.2. Schemat zastępczy bloku z izolowanym punktem gwiazdowym generatora, po przekształceniach Fig.2. Equivalent diagram of a unit-connected generator with the neutral ungrounded after transformation Poszczególne param etry na rys.2 oznaczają:

eR, es, eT - siły elektrom otoryczne indukowane w uzwojeniach stojana generatora,

Rg, L” - odpow iednio, rezystancja i indukcyjność zastępcza generatora w stanie nadprzejściowym m .

rk - rezystancja dynam iczna kanału ziem nozw arciow ego w izolacji głównej uzwojenia stojana generatora,

Ls - indukcyjność w schem acie zastępczym bloku, określona zależnością:

Lg = y ( L 0 - L " ) , (1)

Lo - indukcyjność generatora dla prądów kolejności zerowej,

Cm - pojem ność w schem acie zastępczym bloku, określona wyrażeniem : C f + Co

przy czym pojem ność Cs wynosi:

a) w bloku bez w yłączników generatorowych:

c s = c z ,

b) w bloku z w yłącznikam i generatorowym i:

- przy otw artym w yłączniku generatorowym : C s = C w o = C w i .

- przy zam kniętym w yłączniku generatorowym : C s = C W z+ C Z = C Wi + C W 2 + C z .

(

)

(3)

(4)

(5) gdzie :

CWo - pojem ność fazy w yłącznika generatorow ego względem ziem i w stanie otwartym , widziana od strony generatora,

Cwz - pojem ność fazy w yłącznika generatorowego względem ziem i w stanie zam kniętym . Z ależności pom iędzy prądam i iR, is , ¡ t w poszczególnych fazach generatora i napięciam i tych faz uR, u s, u t w zględem ziem i, przy łukowym zwarciu doziem nym w pobliżu zacisków wyjściowych generatora (przypadek najniekorzystniejszy), określa następujący układ równań:

e n = L " ^ L + inR B + u n + ua ' (6)

i dio u g = L g - ^ + u g ■

d u 9’ 3 C f

0 dt 2 ’

n=R

rił C M + ' r

d t rk

(7)

(8)

(9) gdzie:

n = R, S, T - sym bol oznaczający odpow iednio fazy R, S, T,

en - siła elektrom otoryczna indukowana w poszczególnych fazach generatora, un - napięcie poszczególnych faz generatora w zględem ziem i,

in - prąd w poszczególnych fazach generatora.

Po przekształceniach otrzym uje się następujące zależności opisujące przebiegi ziem nozw arciow e napięć w obw odzie ziem nozwarciowym :

f d 2 u R c M + d u °

\ 1 d u R k d t2 Cw dt

+

+ l dt e R - L"

e _ i .. d 2us r d u s

s M ^ r

-12,,

*g + U R + u o

CMR g + U S +Ug ,

e T ~ L" 'dt2T C M + - ^ - C MRg + U T +Ug ,

( 10)

(11)

(12)

(13)

(14)

Z w arcie doziem ne m odelow ano w w arunkach najniekorzystniejszych, tj. na zaciskach w yjściow ych generatora. Przebicie następow ało w fazie R.

u Q = : Urf i 1 + — -R 9 l+ u s +UT +

^ fuK /

d u R , d u s _{, dUT \} dt

+

i V

dt

J

i L 0 - L g l

i

O

+

- L 0 - dUg' _ f duR . dus , duT )2 C^m 2 iłs .

dt ' l dt dt dt / 3C f + 3 C f

3. W Y N IK I BAD AŃ S Y M U LA C YJN Y C H

A b y ułatw ić analizę porów naw czą przebiegów ziem nozw arciow ych napięć w obwodach generatora, podczas przeryw anego łukow ego zwarcia doziem nego w stojanie generatora z izolow anym punktem gw iazdow ym , z tym i w generatorze z uziem ionym punktem gwiazdowym przez rezystor [8], badania sym ulacyjne w ykonano w takich sam ych warunkach pracy wyłącznika generatorow ego i podobnych przedziałach czasow ych zwarcia doziem nego. Stwierdzono, że:

1. Spadki napięć na rezystancjach uzwojeń generatora, w ywołane przepływem ziem nozw arciow ego prądu przejściow ego, są pom ijalnie m ałe i nie w pływ ają na przepięcia ziem nozw arciow e.

2. S padki napięć na indukcyjnościach L" generatora podczas łukow ego zw arcia doziem nego w yn o szą od ok. 9 do 22% am plitudy napięcia fazow ego generatora, przy czym w artość m aksym alna dotyczy bloku, przy nieuwzględnieniu pojem ności Cz, która w warunkach rzeczyw istych zaw sze występuje.

3. W p ływ składow ej oscylacyjnej, w napięciu punktu gw iazdowego generatora w zględem ziemi, na przepięcia ziem nozw arciow e je s t pomijalny.

c z a s [ m s l c z a s ( m s l

Rys.3. Napięcia przejściowe w krótkotrwałym stanie nieustalonym po pierwszym zapłonie łuku ziemnozwarciowego w izolacji głównej uzwojeń stojana generatora blokowego; wyłącznik generatorowy: a) otwarty, b) zamknięty Fig.3. Ground-fault fast transients of phase voltages in a unit-connected generator, generator breaker: a) open;

b) closed

a)

/ / /

/

/

o.o

0.2

c z a s [ m s l c z a s [ m s l

UJ

/

/ J

I /

1

S

1=3

0) IQ.

c z a s [ m s l c z a s f m s l

Rys.4. Napięcia przejściowe punktu gwiazdowego generatora po pierwszym zapłonie łuku ziemnozwarciowego w izolacji głównej uzwojeń stojana generatora blokowego; wyłącznik generatorowy: a) otwarty; b) zamknięty Fig.4. Fast transients voltages of the generator neutral in a unit-connected generator; generator breaker a) open;

b) closed

0 . 0 4 .0 1 . 0 1 2 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 c z a « I m a I

Rys.5. Napięcia poszczególnych faz w procesie doziemienia w układzie z wyłącznikiem generatorowym zamkniętym Fig.5. Voltages during interrupted arcing ground fault in a unit-connected generator; closed-generator breaker

4. R ów nież na przepięcia ziem nozw arciow e nie m a istotnego wpływu składowa oscylacyjna w napięciach poszczególnych faz generatora w zględem ziem i, gdyż je s t ona szybko tłum iona, a je j m aksym a ln e w artości w y n o s z ą kilkanaście procent am plitudy napięcia fazowego.

5. Różnice przebiegów napięć przejściow ych w badanych blokach, powodowane w pływ em ich p aram etrów własnych, s ą m ało istotne z punktu widzenia przepięć ziem nozw arciowych.

D otyczy to rów nież w pływu pojem ności wyłącznikowych.

P rzebiegi ziem nozw arciow e napięć przy łukow ym , przerywanym zwarciu doziem nym w stojanach generatorów blokow ych z izolowanym punktem gwiazdow ym , w blokach z generatoram i typu 5 0 W T 2 0 H -1 0 0 , przedstaw iono na rysunkach od 3 do 5. Poszczególne napięcia na tych rysunkach s ą zgodne z oznaczeniam i napięć na schem acie zastępczym bloku (rys.2).

M ożna stw ierdzić, że przebiegi ziem nozw arciow e napięć, w krótkotrwałym stanie nieustalonym pom iędzy kolejnym zapłonem i zgaśnięciem łuku, podczas zwarcia doziem nego w stojanie generatora z izolow anym punktem gwiazdow ym charakteryzują się podobnym i w łaściw ościam i jak te w generatorach z uziem ionym punktem gwiazdowym przez rezystor o w artościach od 900 do 1150 fJ [8], D otyczy to:

- napięć na indukcyjnościach L” uzwojeń stojana generatora, - napięć punktu gw iazdow ego generatora w zględem ziem i, - napięć poszczególnych faz generatora w zględem ziem i.

Jednakże w przedziale czasow ym pom iędzy zgaśnięciem łuku w krótkotrw ałym stanie przejściow ym i je g o ponow nym zapłonem , przebiegi napięć poszczególnych faz generatora i punktu

gw iazdowego w zględem ziem i są inne w generatorach z izolowanym punktem gwiazdowym, niż w generatorach z uziem ionym punktem gw iazdowym przez rezystor.

W przypadku izolow anego punktu gwiazdowego, jego napięcie względem ziem i po zgaśnięciu tuku do czasu ponow nego zaptonu pozostaje praktycznie state, gdyż udział składowej oscylacyjnej w tym napięciu je s t pom ijalnie mały, a konduktancja izolacji głównej uzwojeń generatora je s t bardzo duża. Z tego w zględu napięcia poszczególnych faz generatora względem ziem i, w czasie przerwy bezłukowej, o sią g a ją w yższe w artości w generatorach z izolowanym punktem gwiazdowym niż w generatorach z uziem ionym przez rezystor.

W blokach z izolow anym punktem gwiazdowym generatora wartości m aksym alne tych napięć są zbliżone do podwójnej w artości am plitudy napięcia fazowego generatora.

W oparciu o przeprowadzone badania sym ulacyjne przebiegów ziem nozwarciowych napięć w obwodach bloków generator-transform ator, podczas przerywanych łukowych zw arć doziem nych w uzwojeniach stojanów generatorów z izolowanym punktem gwiazdowym, m ożna stwierdzić, że m aksym alne przepięcia ziem nozw arciow e w tych układach m ogą wynosić 2-krotną w artość am plitudy napięcia fazow ego generatora.

W yn ika stąd, że w porównaniu z generatoram i z uziem ionym punktem gw iazdowym przez rezystor, w których przepięcia w ynoszą m aksym alnie 1,75 amplitudy napięcia fazowego [8], przepięcia w generatorze z izolowanym punktem gwiazdowym zw iększają się m aksym alnie o ok.

0.25.am plitudy napięcia fazow ego generatora.

4. W N IO S K I

1.Zarówno w blokach z pojem nościam i wyłącznikowym i, ja k i w blokach bez tych pojem ności, m aksym alne w artości przepięć podczas łukowych zw arć doziem nych w uzwojeniach stojanów generatorów z izolowanym punktem gwiazdowym są zbliżone do 2-krotnej wartości am plitudy napięcia fazow ego generatora.

2.W yłączenie z obwodu bloku rezystora uziem iającego punkt gwiazdowy uzwojeń stojana generatora pow oduje w zrost przepięć ziem nozwarciowych o około 14 procent. Przy łącznej ocenie wpływu rezystora na zagrożenia ziem nozw arciowe należy uw zględnić fakt istotnego zm niejszenia się prądów ziem nozw arciowych, w generatorach z izolowanym punktem gwiazdowym , a tym sam ym zagrożeń powodow anych energią łuku ziem nozwarciowego [3], Z punktu widzenia bezpiećznej eksploatacji bloków generator-transform ator, przy spełnieniu pewnych w arunków, układy bez rezystorów uziem iających punkty gwiazdowe generatorów m ogą być korzystniejsze niż układy z tym i rezystorami.

3 .O cena wpływu rezystora uziem iającego punkt gw iazdowy generatora na zagrożenia ziem nozw arciow e winna być dokonana w oparciu o analizę m ożliwości przekształcenia się zwarcia doziem nego w zwarcie silnoprądowe, tj. m iędzyfazowe lub zwojowe, przy uwzględnieniu w szystkich czynników w pływ ających na przebieg tego zjawiska. Dotyczy to także stanu izolacji uzwojenia stojana generatora.

LITE R ATU R A

1.G ulachenski E.M., Courville E.W .: New England electric’s 39 years of experience with resonant neutral-grounding of unit-connected generators, IEEE Transients on Power Delivery, V o l.6, No.3, 1991, p p .1016-1024.

2.Zielichow ski M.: C urrent-voltage transients in the breakdown channel during earth-faults in stator windings o f turbogenerators, Archiw um Elektrotechniki, V o l.37, N o .1/4, 1988, p p.141-147.

3.Zielichow ski M.: Erosion du circuit m agnétique des stators de turbogeneraterus pendant les courts-circuits à la terre , Revue Electricité, V o l.9, No 11-12, 1980, pp. 226-234.

4.Zielichow ski M.: M echanism o f earth-fault are quenching in the m ain isolation o f the turbogenerators, Proc. o f the first European Conf. On Power System s Transients, Instituto da Energia INTERG , Lisbon, 1993, pp.33-38.

5.Zielichow ski M., F ulczyk M.: G round-fault fast transients in the generator stator windings, Ninth International Sym posium on High Voltage Engineering ISH'95, Institute of High Voltage Engineering G raz U niversity o f Technology, Graz, 1995, pp.6796-1-6796-4.

6.Z ielich ow ski M., Fulczyk M.( M ydlikow ski R .; G round-fault overvoltage danger in m odern unit- connected generators, 8th Int. Sym posium on Short-C ircuit C urrents in Pow er System s, Brussels, Belgium , 1998, p p .144-147.

7 .Z ielichow ski M., Fulczyk M., M ydlikow ski R.: G round-fault overvoltage d anger In m odern unit- connected generators, European T ransactions on Electrical Pow er Engineering. V ol.10, No.3 2000, p p .171-178.

8.Z ielichow ski M., M ydlikow ski R.: Z iem nozw arciow e przebiegi przejściow e w generatorach wielkich m ocy, Badania m aszyn elektrycznych. XXXVI M iędzynarodowe Sym pozjum Maszyn Elektrycznych. Badania, diagnostyka, m odelow anie m aszyn elektrycznych. SM E 2000. Szklarska Poręba, 13-17 czerw ca 2000, p p .113-121.

R ecenzent: Prof, dr hab. inż. Andrzej Bytnar

W p łyn ę ło do R edakcji dnia 20 lutego 2001 r.

Abstract

In o rder to protect e ffe ctively unit-connected generators against the effects o f ground-faults in th e ir sta to r w indings the phenom ena th a t accom pany these faults m ust be fully investigated.

O vervoltages during arcing ground-faults close to the generator term inals are the g reatest danger to the m ain insulation o f the generator windings. A p p ropriately high overvoltages are accom panied by a sig n ifica n t increase in e lectrical stresses in the w inding m ain insulation. T hese stresses w eaken the insulation and can cause secondary faults.

Since the g round-fault arc has Interrupted character, m ultiple ignitions and quenching accom panied by fa s t tran sie n ts occu r in the ground-fault process. T hese phenom ena have a m arked Influence on the g round-fault overvoltage values.

T he vo ltage-current fa st transients during ground-faults in the sta to r o f a unit-connected g e nerator depend on the param eters in its zero-sequence circuit and on the m echanism o f the interrupted ground-fault. T his applies m ainly to the elem ents grounding the generator neutral, the e lem ents connected to its term inals, the resistance o f the ground-fault arc and the m echanism o f its quenching.

T he gro u n d -fa u lt overvoltages during interrupted arcing ground-fault in the sta to r w inding o f a unit-connected g e nerator w ith a neutral ungrounded, equipped with generator breakers with additional ca pacitances to ground and in the unit w ithout these capacitances were determ ined.

A s a result o f sim u la tion te sts the ground-fault voltages in the fa s t transients a fter the firs t arc ignition and in the w hole g round-fault process w ere determ ined. T he interrupted ground-fault was m odelled on the g e nerator te rm in a ls o f the R phase. The first breakdown occurred w hen the eR voltage reached the m axim um . T he obtained voltages are given in relative units in relation to the Ufm am plitude o f the 6r g e n era to r phase voltage.

T he studies have shown th a t ca pacitances to ground o f a generator breaker has the negligible influence on the values o f overvoltages during ground fa u lts in the sta to r w indings o f a unit- connected generator.

In real co nditions the m axim um ground-fault overvoltages in the tested generators with the neutral points ungrounded did not exceed the double value o f the phase voltage am plitude (F ig .5).

The grounding resistor im proves the overvoltage conditions in com parison with those which exist in generators w ith ungrounded neutral. According to the grounding resistor param eters and the ch a ra cte r o f an interrupted ground fault, the reduction In overvoltage can be from several to 14 p er cent.