發(fā)電機注入式定子接地保護方案改造及現(xiàn)場應(yīng)用

梁少華，申建彬，張 杰，李華忠，陳佳勝，張琦雪

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

中性點經(jīng)配電變壓器電阻接地 （又稱高阻接地）的發(fā)電機傾向于安裝注入式定子接地保護，該保護與發(fā)電機的運行工況無關(guān)，在發(fā)電機起停機過程中也可以監(jiān)視定子繞組對地絕緣。目前，該技術(shù)已成熟，在國內(nèi)許多大型發(fā)電機組上得到應(yīng)用[1-5]。四川YL水電站2臺120 MW的發(fā)電機，其中性點直接經(jīng)高壓大電阻接地，沒有使用接地變壓器，其注入式定子接地保護，過去使用ABB公司的保護裝置REG216、注入電源裝置REX010和隔離變壓器REX011共同實現(xiàn)?，F(xiàn)在保護國產(chǎn)化改造，國產(chǎn)常規(guī)的注入式定子接地保護方案中，注入電源輸出端不允許承受很高的電壓，因而無法直接將電源輸出端加在高壓電阻兩端，注入式定子接地保護方案需重新設(shè)計。文中闡述了發(fā)電機中性點直接經(jīng)高壓大電阻接地的情況下注入式定子接地保護的設(shè)計方案，同時給出現(xiàn)場調(diào)試實驗結(jié)果。

1 原ABB的注入式定子接地保護方案

發(fā)電機組的基本參數(shù)如下：額定功率120 MW；額定電壓13.8kV；額定功率因數(shù)0.9。發(fā)電機中性點接地方式及原ABB注入式定子接地保護方案[6]如圖1所示。

圖1 原ABB注入式定子接地保護方案

發(fā)電機直接經(jīng)過高壓大電阻接地，接地電阻參數(shù)：RES為 1328 Ω，RPS為 266 Ω。 注入電源 REX010，輸出幅值為±110 V的方波電壓，經(jīng)過中間隔離變壓器REX011，電壓變比為110 V/110 V，將12.5 Hz的低頻電壓加在電阻RPS上。保護裝置REG216測量注入的電壓信號Ui和注入的電流信號，通過計算，得到接地故障的過渡電阻。當(dāng)接地故障過渡電阻阻值降低至報警定值以下，經(jīng)短延時，保護報警；當(dāng)過渡電阻阻值進一步降低，低于跳閘定值，經(jīng)短延時，保護跳閘。當(dāng)發(fā)生較為嚴(yán)重的接地故障，發(fā)電機中性點會有較高的基波零序電壓，為防止過高的電壓反饋至注入電源，導(dǎo)致電源損壞，保護裝置檢測到較大的基波零序電壓時，立刻通過輔助接觸器將注入電源斷開。

2 注入式定子接地保護改造方案

國產(chǎn)常規(guī)的注入式定子接地保護方案注入20 Hz低頻電壓，如圖2所示。發(fā)電機中性點經(jīng)配電變壓器電阻接地，低頻注入電源輸出端加在接地變壓器低壓側(cè)負載電阻Rn上。在一次設(shè)備的參數(shù)設(shè)計上，通常Rn阻值在0.2～1.5 Ω間；接地變壓器電壓變比U1/U2，U1通常等于Urated（Urated為發(fā)電機額定電壓），U2在220～900 V之間，因設(shè)計上的習(xí)慣，230 V或240 V較為常見。

圖2 國產(chǎn)常規(guī)注入式定子接地保護方案

該方案中，注入電源輸出較小的低頻電壓，經(jīng)接地變壓器升至高壓側(cè)，發(fā)電機零序回路對地產(chǎn)生一個不超過3%Urated的低頻電壓。由于注入電壓較小，不影響發(fā)電機的正常運行。當(dāng)發(fā)電機發(fā)生較為嚴(yán)重的接地故障時，例如發(fā)電機機端發(fā)生金屬性接地故障，發(fā)電機中性點電壓被抬高至相電壓，接地變壓器低壓側(cè)電壓也被抬高，但是一般只有幾百伏（U2/1.732），不會造成注入電源的損壞。

四川YL水電站的機組保護國產(chǎn)化改造費用有限，不允許更換發(fā)電機中性點接地電阻，一次設(shè)備改造費用往往很高，但用戶同時想保留注入式定子接地保護的功能。為滿足用戶要求，注入式定子接地保護改造方案如圖3所示。

圖3 注入式定子接地保護改造方案接線

該技術(shù)方案保留了高壓電阻RES，RPS。改換了原有的PT，在高壓電阻與注入電源之間增加一級PT，低頻電壓通過PT1施加在發(fā)電機中性點接地電阻上。為了準(zhǔn)確測量發(fā)電機對地零序電壓，又增加了PT2。注入式定子接地保護的電流測量取自接地電阻上的CT，電流變比為10 A/5 A。

3 改造方案核算

主要核算內(nèi)容包括：（1）發(fā)電機正常運行時注入的低頻電壓應(yīng)在合理的范圍內(nèi)；（2）發(fā)生嚴(yán)重的定子接地故障時，反饋的工頻電壓應(yīng)在合理的范圍內(nèi)。

正常運行情況下注入的低頻電壓一次值U20Hz，nrml可由下式估算：

式中：Us，20Hz為低頻注入電源電壓；Rin為電源等效內(nèi)阻；Rn為接地電阻（RES+RPS）折算至PT1低壓側(cè)的值；nPT1為電壓互感器PT1的電壓變比。

對于該項目，RES為 1328 Ω，RPS為 266 Ω，nPT1為13.8kV/240 V，計算得 Rn為 0.4821 Ω。 Us，20Hz為 25 V，Rin為 8 Ω，計算得 U20Hz，nrml為 81.7 V。 發(fā)電機正常運行時，注入的低頻電壓一次值約占發(fā)電機額定電壓（13.8kV）的 0.6%，未超過 3%Urated。

當(dāng)發(fā)電機出現(xiàn)嚴(yán)重接地故障時，假設(shè)機端發(fā)生金屬性接地故障，此時發(fā)電機中性點對地電壓為7968 V（13.8kV/1.732）；流過接地電阻（RES+RPS）的電流為 5 A（7968 V/（Res+Rps））；反饋至注入電源端口的電壓約為240 V（13.8kV/nPT1），未超過 550 V（低頻注入電源輸出端口可承受550 V，1 min反饋的工頻過電壓）。

因此，上述設(shè)計方案總體上是合理的。

4 現(xiàn)場實驗

先后對2臺發(fā)電機進行了注入式定子接地保護的模擬實驗，發(fā)電機靜止運行工況下，選擇多個電阻值，在發(fā)電機中性點處模擬接地故障。其測試結(jié)果分別如表1、表2所示。

表1 1號機定子接地故障實測結(jié)果

因現(xiàn)場實驗時間倉促，且事先未準(zhǔn)備阻值較大的電阻，上述模擬實驗沒有采用更高阻值的電阻。從模擬實驗結(jié)果看，保護裝置實測的接地過渡電阻比較準(zhǔn)確，誤差控制在了±5.0%內(nèi)。

5 保護定值

注入式定子接地保護的補償定值與現(xiàn)場實驗情況相關(guān)。以該項目的1號發(fā)電機為例，2號發(fā)電機和1號發(fā)電機的定值相似。

內(nèi)部控制是單位財務(wù)風(fēng)險管控的重要方法，實施有效的內(nèi)部控制，能夠?qū)σ?guī)范財務(wù)管理行為起到良好的效果。因此，基層行政事業(yè)單位在財務(wù)管理工作中，要加強并重視內(nèi)部控制工作，并使其得到切實執(zhí)行。首先單位要結(jié)合單位工作發(fā)展實際，建立并完善內(nèi)部控制制度。其次落實并切實執(zhí)行內(nèi)控制度，使開展的每一項工作都有必要的事前、事中、事后風(fēng)險控制措施執(zhí)行。最后，實施內(nèi)部控制措施，確保內(nèi)部控制制度的有效實施。

（1）相角補償定值。由相角補償實驗確定。實測注入的20 Hz電壓、電流之間的相角，相角補償定值設(shè)定為350.0 deg。

（2）電阻補償定值、電抗補償定值。因沒有接地變壓器，這2個補償值均設(shè)定為0。

（3）電壓回路監(jiān)視定值。模擬金屬性接地故障時，實測得到最低的注入電壓Umin為0，因此電壓回路監(jiān)視定值同樣取0。

（4）電流回路監(jiān)視定值。在正常狀態(tài)下得到最低的注入電流Imin為7.44 mA，可得電流回路監(jiān)視定值。

式中：Krel取0.4～0.6。 最終取ILF0.SET為0.4 mA。

（5）零序電流跳閘定值。除了接地過渡電阻判據(jù)外，注入式定子接地保護還有一個零序電流判據(jù)作為后備，其反映流過中性點接地設(shè)備的零序電流，按10%的零序電壓進行整定：

計算結(jié)果IE.SET為0.25 A，該判據(jù)保護90%范圍的定子單相接地故障。

（6）電阻折算系數(shù)定值。理論上的電阻折算系數(shù)，按下式計算：

其中，nPT2為電壓互感器PT2的變比?？紤]到測量環(huán)節(jié)的誤差，按實際測量到的接地電阻一次值與二次值之比進行整定，實測結(jié)果是40.7。

6 結(jié)束語

以四川YL水電站120 MW容量的發(fā)電機為例，闡述了發(fā)電機中性點直接經(jīng)高壓大電阻接地的情況下注入式定子接地保護的設(shè)計方案，保留了高壓電阻，改換了原有的PT，在高壓電阻與注入電源之間增加一級PT，完成低頻電壓的注入；另增加一組PT用于電壓的測量。經(jīng)過估算，說明設(shè)計方案合理。該方案不更換發(fā)電機中性點接地設(shè)備，改造費用小。同時給出現(xiàn)場模擬接地故障的實驗結(jié)果，表明保護裝置能準(zhǔn)確測量一定阻值范圍內(nèi)的接地過渡電阻，相對誤差可控制在±5%之內(nèi)，滿足工程需要?？蔀閲鴥?nèi)相似機組注入式定子接地保護的改造提供參考。

[1]畢大強，王祥珩，余高旺，等.高準(zhǔn)確度外加20 Hz電源定子單相接地保護的研制[J].電力系統(tǒng)自動化，2004，28（16）：75-78.

[2]李德佳，畢大強，王維儉.大型發(fā)電機注入式定子單相接地保護的調(diào)試和運行[J].繼電器，2004，32（16）：51-56.

[3]張琦雪，席康慶，陳佳勝，等.大型發(fā)電機注入式定子接地保護的 現(xiàn) 場 應(yīng) 用 及 分 析 [J].電 力 系 統(tǒng) 自 動 化 ，2007，31 （11）：103-107.

[4]張琦雪，陳佳勝，陳 俊，等.大型發(fā)電機注入式定子接地保護判據(jù)的改進[J].電力系統(tǒng)自動化，2008，32（3）66-69.

[5]張琦雪，黃獻生，陳佳勝，等.巖灘發(fā)電公司300 MW發(fā)電機定子接地故障的多重化保護[C].第11屆全國保護和控制學(xué)術(shù)研討會，2007.

[6]ABB Power Automation.Numerical Generator Protection,REG 316*4[R].1999.