發(fā)電機接地保護的方式及問題的分析

孫文，高瑞，馬進，劉世勛，翟文濤

(1.遼寧出入境檢驗檢疫局機電產(chǎn)品檢測中心，遼寧 沈陽 110141;2.中認(沈陽)北方實驗室有限公司，遼寧 沈陽 110141)

1 引言

近年來，我國風力發(fā)電事業(yè)的迅猛發(fā)展，裝機容量的逐步提高，越來越多的風力發(fā)電設備單機容量逐步增大，發(fā)電機定子繞組對地電容也相應提高。

目前很多發(fā)電機大都采用變壓器電阻接地方式(又稱高阻接地方式)，并裝設注入式定子單相接地保護。通過實驗證明，這種保護的靈敏度與發(fā)電機的工況無關，與接地位置無關，更具優(yōu)勢的是還可以檢測接地過渡電阻逐漸降低(絕緣漸變而不是突變)的接地故障。

另外很多電廠采用配備了大量微機發(fā)變組保護。運行情況來看，發(fā)變組保護經(jīng)常動作，其中發(fā)電機定子接地保護是動作次數(shù)較多的保護。在這些微機發(fā)變組保護中，定子接地保護原理基本上是采用基波零序電壓和三次諧波電壓構(gòu)成100%的定子接地保護。

2 注入式定子接地保護原理

圖1所示為20Hz信號的等效的零序電路示意圖。圖中忽略了故障后的基波零序電壓，忽略發(fā)電機運行時的3次諧波(也是零序性質(zhì)的電壓)。

圖1 定子繞組單相接地故障等值電路

發(fā)電機在正常情況下，外加電源注入到接地變壓器一次側(cè)，生成電容性電流。當定子繞組出現(xiàn)一點接地，注入電壓、電流都將發(fā)生變化，注入電流將出現(xiàn)電阻性分量。保護裝置通過檢測接地變壓器二次側(cè)的20Hz電壓、電流信號，不難得到接地過渡電阻RE的二次值 RE，sec;

注意，式中的電壓、電流需濾除基波、3次諧波，并進行適當?shù)难a償。

通過判定RE，sec值即可判定是否發(fā)生接地故障和接地故障的嚴重程度。實際應用時有高低2個定值，高定值用于延時報警，低定值用于延時跳闡。

3 定子接地保護的原理

現(xiàn)在微機保護中定子接地保護原理一般都是由基波零序電壓和利用三次諧波電壓構(gòu)成100%的定子接地保護。零序電壓取自發(fā)電機中性點TV二次值，也可從消弧線圈的副邊取得。正常運行時，不平衡電壓有基波和三次諧波，其中以三次諧波為主。

3.1 基波零序電壓所構(gòu)成的85%～95%的單相接地保護

正常情況下，發(fā)電機三相電壓中基波零序電壓3U0很小，當定子繞組單相接地時，就會出現(xiàn)3U0。另外考慮到三次諧波的影響，保護裝置都帶有三次諧波濾過器，裝置的動作電壓一般取5～15V(發(fā)電機機端接地時開口三角電壓一般為100V)，這樣，保護范圍可達85% ～95%，死區(qū)為5% ～15%。其動作電壓方程為:UOP＞KrelUunb

式中，UOP為零序不平衡電壓;Krel為可靠系數(shù)，取1.15～1.30

因為200MW以上發(fā)電機沒有裝設匝間保護，考慮到匝間故障極大部分伴隨接地故障，或由接地故障發(fā)展所致，為了保證發(fā)電機設備的安全，將帶有三次諧波濾過器的反應基波零序電壓的保護作用于跳閘。

2.2 三次諧波所構(gòu)成的不小于20%的單相接地保護

利用三次諧波構(gòu)成的定子接地保護，可以消除基波零序電壓元件保護不到的死區(qū)，這2部分保護裝置的保護應有一段重疊區(qū)，因此三次諧波構(gòu)成的定子接地保護范圍應不小于20%(從發(fā)電機中性點開始)，設Us3為機端三次諧波電壓，UN3為中性點三次諧波電壓，可利用機端三次諧波電壓為動作量，而中性點三次諧波電壓為制動量。保護動作的判據(jù)一般有以下幾類:

(1)|Us3|≥|UN3|，此判據(jù)調(diào)試簡單，但靈敏度低。

(2)|KUs3－UN3|≥β|UN3|，β ＜1。

(3)|PUN3－Us3|≥β|UN3|+△U

△U為極化繼電器的動作電壓，小于0.7V。正常運行時，調(diào)整|PUN3－Us3|近似為零，并有適當?shù)闹苿恿喀聕UN3|。當發(fā)生單相接地故障后，|PUN3－Us3|上升，而β|UN3|下降，從而使繼電器動作。

總之，三次諧波定子接地保護的動作值必須按實際動作判據(jù)在現(xiàn)場調(diào)試，要求發(fā)電機中性點經(jīng)3000電阻接地，保護可靠動作。考慮到發(fā)電機中性點附近接地故障時，故障電流較小，零序電壓較低，所以三次諧波電壓定子接地保護一律只投信號，不投跳閘。

4 注入式定子接地保護易出現(xiàn)的注入信號的檢測問題的分析

注入的電壓、電流信號相對較小，特別是當中性點接地變壓器電壓變比比較大、負載電阻Rn很小時，注入電源近似被短路，這對信號檢測提出了很高的要求。為了避免信號受到干擾，建議電壓回路、電流回路二次線采用屏蔽線;另外，在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)中性點接地柜內(nèi)的電壓、電流回路二次線和接地變壓器出線銅排綁扎在一起，這也是不合適的，二次線應單獨走線。

5 定子接地保護調(diào)試安裝及整定時出現(xiàn)問題的分析

(1)變電站，通常要求將來自電壓互感器二次星形的4根升壓站引入線和電壓互感器開口三角的2根開關場引入線必須分開，N回路不得公用。而對于發(fā)電機組，卻沒有這樣的規(guī)定，但根據(jù)經(jīng)驗，發(fā)電機的二次電壓回路同樣應該將二次回路中N回路分開，這樣對保護的抗干擾能力將大為增強。

(2)為防止發(fā)電機電壓互感器一次側(cè)熔斷器斷開或二次側(cè)接地短路而引起零序電壓誤動，必須用發(fā)電機中性點電壓互感器或消弧線圈的二次電壓，這樣就可以不考慮熔斷器的問題。如果一定要采用發(fā)電機機端電壓互感器的二次電壓，那么必須有相應的PT斷線閉鎖基波零序電壓定子接地保護。

(3)在發(fā)電機中性點經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)中，消弧線圈與發(fā)電機中性點之間不應該裝設其他的東西，以免由于一次接地，導致中性點電位上升，對地絕緣不行，從而造成兩點接地的嚴重故障。在某電廠就發(fā)生過因為裝設在線檢測裝置，在發(fā)電機中性點與消弧線圈之間加裝了一個小的電流互感器，在運行過程中，由于發(fā)電機定子發(fā)生了單相接地故障，使中性點對地電位上升，而電流互感器的二次線與中性點挨得較近(絕緣很容易被擊穿)，并且電流互感器的二次線直接進入在線檢測裝置(外殼接地)，從而導致中性點間接對地放電，進一步發(fā)展成發(fā)電機機端與中性點直接短路的嚴重故障。

(4)應考慮此保護與主變高壓側(cè)接地時保護的配合。當主變高壓側(cè)發(fā)生接地故障時，高壓系統(tǒng)的零序電壓將通過變壓器高、低繞組間的電容耦合到發(fā)電機，此電壓有可能超過基波零序電壓的定值。如果高壓側(cè)為大電流接地系統(tǒng)，因其本身的接地保護將快速作用于跳閘，那么定子接地保護只需在時間上與其配合即可。如果高壓側(cè)為小電流接地系統(tǒng)，必要時還應考慮基波零序電壓動作值的大小及時間的配合等。

(5)特別注意中性點消弧線圈投入后二次電壓的監(jiān)視，因為正常運行時應該有一定的值，如果中性點的二次電壓UN為完全零，表明回路有問題，必須查明原因。

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