20 Hz電源注入式定子接地保護(hù)裝置原理及應(yīng)用

王秀霞，龔 濤，王學(xué)榮

(豐滿發(fā)電廠，吉林 吉林 132108)

發(fā)電機(jī)定子繞組的單相接地是發(fā)電機(jī)最常見的一種故障，由于定子單相接地故障往往是相間或匝間短路的先兆。因此定子接地保護(hù)在大型機(jī)組保護(hù)中十分重要，它對于預(yù)防定子繞組嚴(yán)重短路故障具有重要意義。傳統(tǒng)常規(guī)定子接地保護(hù)配置主要是基波零序電壓接地保護(hù)與三次諧波原理配合構(gòu)成的100%定子接地保護(hù)［1］。其中基波零序電壓須在定子電壓升高后才有效，而且在中性點(diǎn)附近接地有死區(qū)。三次諧波原理有多種實(shí)現(xiàn)方法，但都受定子及其相聯(lián)的設(shè)備參數(shù)及運(yùn)行方式影響，或者判據(jù)穩(wěn)定性差而不易實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行［2］。豐滿發(fā)電廠3號發(fā)電機(jī)帶本廠廠用電運(yùn)行，當(dāng)合上分支線116開關(guān)后，經(jīng)常出現(xiàn)三次諧波保護(hù)誤發(fā)警報信號，造成設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性差及維護(hù)量大等問題。針對此問題先后采用多個被動的辦法，例如:3ω定子接地保護(hù)設(shè)有2套保護(hù)定值，分為帶廠用電方式和不帶廠用電方式，但運(yùn)行效果都不理想［3］。為解決發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)不可靠運(yùn)行問題，與國電南京自動化股份有限公司聯(lián)合研制出ZDJ801A型發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)裝置，它是采用從發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)消弧線圈的二次側(cè)注入20 Hz電源原理構(gòu)成接地保護(hù)，該保護(hù)不受機(jī)組運(yùn)行狀況影響，無死區(qū);不受故障點(diǎn)位置的影響，實(shí)現(xiàn)對定子接地故障的100%保護(hù);能反映定子繞組絕緣性能下降，對絕緣老化起到監(jiān)視作用。3號機(jī)組已投入運(yùn)行18個月，運(yùn)行效果良好。

1 保護(hù)構(gòu)成原理及技術(shù)特點(diǎn)

1.1 構(gòu)成原理

在發(fā)電機(jī)定子回路外加一個20 Hz的信號電源，20 Hz電源輸出方波電壓，保護(hù)接入接地電壓USEF取自發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)消弧線圈TV(二次)，接地電流ISEF取自中間變流器TA，根據(jù)USEF和ISEF計(jì)算出單相接地電阻Rg。

a． 動作方程

接地電阻判據(jù)反映發(fā)電機(jī)定子繞組對地絕緣電阻的大小，設(shè)有2段接地電阻定值，高定值段作用于延時發(fā)信報警，低定值段作用于延時跳閘，延時可分別整定。其動作方程為

Rg＜Rg1Rg＜Rg2

式中 Rg——發(fā)電機(jī)定子繞組接地電阻;

Rg1、Rg2——發(fā)電機(jī)定子繞組接地電阻的低定值、高定值。

圖1 注入式定子接地保護(hù)邏輯框圖

b． 原理構(gòu)成邏輯框圖 (見圖1)

圖1中，USEF為輸入裝置電壓;ISEF為輸入裝置電流;U20為裝置測得的20 Hz電壓;I20為裝置測得的20 Hz電流;Rg為裝置測得的接地電阻;3U0g為裝置測得的工頻電壓;Rg1、Rg2、t1、t2、t3、t4、t00為注入式定子接地保護(hù)整定值。

為了提高發(fā)電機(jī)機(jī)端接地時保護(hù)的靈敏度，增設(shè)了零序電壓輔助判據(jù)和零序電流判據(jù) (可以通過控制字選擇使用)反映距發(fā)電機(jī)機(jī)端80%～90%的定子繞組單相接地，與接地電阻判據(jù)構(gòu)成高靈敏的100%定子接地保護(hù)方案。

1.2 技術(shù)創(chuàng)新特點(diǎn)

a． 注入式定子接地保護(hù)應(yīng)用于經(jīng)消弧線圈接地方式的機(jī)組

主要考慮消弧線圈漏感對保護(hù)接地電阻計(jì)算的影響。消弧線圈是一種帶氣隙的鐵心電抗器，其電抗值基本上不隨電流發(fā)生變化，但運(yùn)行時有較大的漏磁通，其電感由激磁電感和漏電感兩部分組成，消弧線圈的漏感較大，通常占漏電感的20%左右［4］。本項(xiàng)目分析了將漏電感和激磁電感分開處理的消弧線圈T型等效電路，將20 Hz交流電源注入式定子接地保護(hù)成功應(yīng)用于經(jīng)消弧線圈接地方式的機(jī)組。

b． 軟件濾波

對注入式定子接地保護(hù)有影響的諧波除了來自外加電源外，還有發(fā)電機(jī)運(yùn)行時產(chǎn)生的諧波。消除這種諧波的一種方法是從算法上進(jìn)行濾波。

c． 模擬通道的設(shè)計(jì)

由于50 Hz的奇次諧波分量都是20 Hz的分?jǐn)?shù)次諧波，將不能有效濾除，對保護(hù)產(chǎn)生很大影響。這時有必要對裝置的電流、電壓通道進(jìn)行硬件濾波設(shè)計(jì)。

d． 20 Hz電源對發(fā)變組保護(hù)頻率測量的影響

發(fā)變組保護(hù)頻率測量原理是采用過零檢測器和計(jì)時器構(gòu)成，測量電壓為相電壓。保護(hù)所測量的頻率范圍在49.4～50.1 Hz變動，這種現(xiàn)象已被實(shí)際運(yùn)行所證實(shí)。保護(hù)測量頻率不準(zhǔn)確將對差動保護(hù)、過頻率、低頻率、過激磁、低頻累加等與頻率有關(guān)的保護(hù)產(chǎn)生不同程度影響。

解決方法:由于發(fā)電機(jī)系統(tǒng)三相對地電容基本對稱，因此20 Hz電源零序電壓在相電壓之差中含量較小。發(fā)變組保護(hù)頻率測量采用線電壓可將20 Hz電源的影響降到最?。?］。

2 現(xiàn)場各種工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

2.1 機(jī)組空載運(yùn)行狀態(tài)

3號機(jī)開機(jī)空載運(yùn)行時，所測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 空載試驗(yàn)時測得的保護(hù)參數(shù)

2.2 機(jī)組開機(jī)帶負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)

3號機(jī)開機(jī)帶負(fù)荷運(yùn)行時，所測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 并網(wǎng)運(yùn)行試驗(yàn)時測得的保護(hù)參數(shù)

2.3 機(jī)組開機(jī)帶廠用電運(yùn)行狀態(tài)

3號機(jī)開機(jī)帶廠用電運(yùn)行時，所測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 并網(wǎng)帶廠用電試驗(yàn)時測得的保護(hù)參數(shù)

3 結(jié)束語

本項(xiàng)目樣機(jī)裝置通過了電力工業(yè)部電力系統(tǒng)自動化質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心電磁兼容實(shí)驗(yàn) (EMC)、型式試驗(yàn)和動模實(shí)驗(yàn)，各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到相關(guān)國家、行業(yè)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

新研制的20 Hz交流電源注入式定子接地保護(hù)投入運(yùn)行18個月，在發(fā)電機(jī)定子多次出現(xiàn)瞬間接地時，動作均正確，運(yùn)行狀況良好。此裝置首次應(yīng)用在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地運(yùn)行方式上獲得了成功。

［1］ 王維儉．電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理及應(yīng)用［M］．北京:中國電力出版社，2002．

［2］ 李玉海，張小慶．關(guān)于定子接地保護(hù)的幾個問題［J］．電力系統(tǒng)自動化，1999，23(11):50－53．

［3］ 張琦雪，席康慶，陳佳勝．大型發(fā)電機(jī)注入式定子接地保護(hù)現(xiàn)場應(yīng)用及分析 ［J］．電力系統(tǒng)自動化，2007，31(11):103－107．

［4］ 朱杰民，王 麗，王雪松．發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地與定子接地保護(hù) ［J］．東北電力技術(shù)，2000，21(1):16－18．

［5］ 李晉民．100%定子接地保護(hù)改進(jìn)方案的研究 ［J］．電網(wǎng)技術(shù)，1998，22(9):46－48．