發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地保護(hù)配置的探討

陶東昕，楊開黎，李金萍

（1. 國電鞍山熱電有限公司，遼寧 鞍山 114000；2. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040；3. 國電哈爾濱熱電有限公司，哈爾濱 150080）

引言

隨著發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量越來越大，對發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)系統(tǒng)提出了更高的要求。由于發(fā)電機(jī)線棒與定子鐵心之間絕緣易受破壞，因此發(fā)電機(jī)發(fā)生定子繞組單相接地故障比例很高，特別是大容量機(jī)組，由于定子對地電容較大，當(dāng)在機(jī)端發(fā)生單相接地時故障電流很大，流過故障點(diǎn)的電容電流產(chǎn)生電弧可能燒壞定子鐵心，容易引起匝間、相間短路，給機(jī)組安全運(yùn)行帶來極大危害，同時也對電網(wǎng)穩(wěn)定造成不利影響。因此，單相接地故障的保護(hù)在保證電力系統(tǒng)安全供電中具有非常重要的作用，同時也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)問題。

目前，在 GB/T14285-2006“繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程“中規(guī)定：發(fā)電機(jī)變壓器組：對100MW以下發(fā)電機(jī)，應(yīng)裝設(shè)保護(hù)區(qū)不小于 90%的定子接地保護(hù)；對100MW及以上的發(fā)電機(jī)，應(yīng)裝設(shè)保護(hù)區(qū)為100%的定子接地保護(hù)。保護(hù)帶時限動作于信號，必要時也可動作于停機(jī)。對發(fā)電機(jī)微機(jī)保護(hù)裝置而言，采用國內(nèi)和國外的保護(hù)裝置既有相同的部分，又有一定的差別。本文就發(fā)電機(jī)定子單相接地（100%）保護(hù)方法的原理、判定依據(jù)進(jìn)行探討，以便為選擇合適的保護(hù)方式提供參考。

1 發(fā)電機(jī)單相接地故障特征

圖1為中性點(diǎn)不接地的定子單相接地示意圖。為便于分析，假設(shè)電網(wǎng)的負(fù)荷為零，并忽略電源和線路上的壓降。

當(dāng)A相繞組在距離中性點(diǎn)β處接地時，三相繞組對地電壓分別為：

式中：、、分別為三相繞組的相電勢。

此時，零序電壓為：

接地電流為：

從式（2）和式（3）可知：零序電壓與β成正比，當(dāng)在中性點(diǎn)短路時，零序電壓為零；當(dāng)在機(jī)端發(fā)生接地時（β=1），定子零序電壓和零序電流達(dá)到最大，此時B、C相對地電壓將變?yōu)樵瓉淼?3倍，零序電容電流值為 3ω(Cf+Cw)EA，并且零序電流相位超前零序電壓90°。這些故障信息對接地保護(hù)非常重要，下面就定子單相接地保護(hù)方法的原理和判據(jù)進(jìn)行探討。

圖1 定子繞組示意圖

2 基波零序電壓保護(hù)

該方法是國內(nèi)外配電保護(hù)裝置的通用方法。在國內(nèi)外的保護(hù)裝置中，均具有基波零序過電壓保護(hù)功能，可保護(hù)從發(fā)電機(jī)機(jī)端算起的 90%的定子繞組單相接地，該方法的保護(hù)判據(jù)為≥。

如果故障發(fā)生在中性點(diǎn)附近時，U0趨向于零，保護(hù)判據(jù)將不會啟動。其中，基波零序電壓可取自發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的單相電壓互感器或機(jī)端三相電壓互感器剩余繞組。保護(hù)動作根據(jù)低整定值或高整定值分別作用于信號或跳閘。

這種保護(hù)的一個突出優(yōu)點(diǎn)是，即使在定子單相接地電流很小的情況下也可以采用，但是該保護(hù)在中性點(diǎn)附近存在死區(qū)，僅采用該方法不能進(jìn)行100%的定子單相接地保護(hù)。

3 基于3次諧波電壓的接地保護(hù)

3.1 基本原理

在正常運(yùn)行工況下，中性點(diǎn)處3次諧波電壓要比機(jī)端的3次諧波電壓大；當(dāng)中性點(diǎn)附近發(fā)生接地故障時，機(jī)端的3次諧波電壓增大，而中性點(diǎn)處的3次諧波電壓則降低。利用接地前后3次諧波電壓的變化特點(diǎn)，可以構(gòu)成基于3次諧波電壓的定子單相接地保護(hù)。對于發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)附近定子繞組單相接地的3次諧波電壓保護(hù)，主要可分為單側(cè)和雙側(cè)3次諧波電壓保護(hù)兩種方式。

3.2 單側(cè)3次諧波電壓保護(hù)

這種保護(hù)方法通常是利用發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)處的單側(cè)3次諧波電壓U3N構(gòu)成低電壓接地保護(hù)，而在發(fā)電機(jī)機(jī)端三相電壓互感器并無剩余繞組。這種保護(hù)較為簡單，在國外的保護(hù)裝置中仍有應(yīng)用。該方法的判據(jù)為：

其中，a值小于正常運(yùn)行時發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的最小3次諧波電壓。

由于不同的發(fā)電機(jī)之間有不同的3次諧波分布，整定值需實測得出；并且發(fā)電機(jī)的3次諧波電勢不是常數(shù)，隨負(fù)荷大小和功率因數(shù)而變。這種3次諧波接地保護(hù)的保護(hù)區(qū)域大約在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)附近的5%～10%的定子繞組，且靈敏度低，只能動作于保護(hù)信號?，F(xiàn)在國內(nèi)的保護(hù)裝置已摒棄上述簡單的保護(hù)原理。

3.3 雙側(cè)3次諧波電壓保護(hù)

這種保護(hù)方法是由中性點(diǎn)處和機(jī)端雙側(cè)3次諧波電壓共同構(gòu)成判據(jù)，即通過同時比較發(fā)電機(jī)機(jī)端和中性點(diǎn)側(cè)零序3次諧波電壓的大小和相位。

式中：——發(fā)電機(jī)機(jī)端三相電壓互感器剩余繞組的3次諧波分量；

——發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器二次側(cè)的 3次諧波分量；

Kp、Kt、K'、K''、K'''——調(diào)整系數(shù)或制動系數(shù)。

以上三個判據(jù)包括了3次諧波電壓的比判據(jù)和差動判據(jù)。僅采用比判據(jù)時，在靠近中性點(diǎn)的較小保護(hù)范圍內(nèi)具有較高的靈敏度；而僅采用差動判據(jù)時，可以實現(xiàn)100%接地保護(hù)，但故障位置處于繞組中部時，由于中性點(diǎn)和機(jī)端的3次諧波電壓的變化量很小，因此保護(hù)的靈敏度較低。將以上三個判據(jù)配合使用則具有較高的靈敏度，可動作于跳閘。

從上述分析可知，基波零序電壓保護(hù)可以保護(hù)90%范圍的定子繞組，并且在靠近機(jī)端時靈敏度較高；而3次諧波電壓保護(hù)則在靠近中性點(diǎn)處具有較高的靈敏度。因此，兩種方法相結(jié)合可以實現(xiàn)定子繞組的100%接地保護(hù)，這在國內(nèi)獲得了廣泛應(yīng)用。

4 外加交流電源的定子單相接地保護(hù)

4.1 基本原理

雖然單側(cè)3次諧波電壓保護(hù)并不完善，但通常會配置外加交流電源的方式來構(gòu)成定子繞組單相接地的100%保護(hù)。此裝置含外加電源保護(hù)功能所需的所有附件，如方波信號發(fā)生器、帶通濾波器、專用小型電流互感器，目前國內(nèi)的南瑞繼保也有產(chǎn)品。

在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)和地之間注入低頻率 20Hz的電壓信號，繞組任何位置發(fā)生的接地故障都將產(chǎn)生可測量的注入電流，引起保護(hù)動作。這種原理其實質(zhì)是對定子繞組的絕緣狀況進(jìn)行實時而不間斷地測量。

該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是：

（1）保護(hù)100%繞組范圍，實現(xiàn)0～100%定子繞組單相接地保護(hù)。

（2）保護(hù) 100%工況：應(yīng)用這個原理的發(fā)電機(jī)保護(hù)與發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工況無關(guān)，即使在發(fā)電機(jī)停機(jī)時保護(hù)功能依然有效。

（3）保護(hù)靈敏度高。

這種保護(hù)方法優(yōu)勢明顯，具有廣闊的應(yīng)用前景，但該方法對外加電源可靠性和性能方面的要求很高，價格昂貴且調(diào)試復(fù)雜。

4.2 對接地變壓器的要求

20Hz低頻交流信號依賴于接地變壓器注入，因此接地變壓器的參數(shù)將直接影響注入信號的質(zhì)量，保護(hù)裝置要求接地變壓器的二次電阻大于0.5Ω。該要求可通過改變發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器的二次側(cè)額定電壓到350～500V來實現(xiàn)。

5 結(jié)論

針對發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地保護(hù)問題，本文分析了定子單相接地時的主要故障特征，并針對定子單相接地保護(hù)方法進(jìn)行了探討。分析表明：采用基本零序電壓保護(hù)和3次諧波電壓保護(hù)相結(jié)合的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)定子接地100%保護(hù)；配外加交流電源方式構(gòu)成對定子繞組單相接地的100%保護(hù)，注入的信號由二套保護(hù)裝置檢測，要求接地變壓器的二次電阻大于0.5Ω。

[1]王維儉. 電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用[M]. 北京:中國電力出版社.

[2]賀家李, 宋從矩. 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理[M]. 北京: 水利電力出版社.

[3]張長彥, 原愛芳, 等. 發(fā)電機(jī)定子繞組接地保護(hù)整定原則[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制. 2009(7)：65-70.