定子接地保護(hù)的應(yīng)用及其定值整定

陳熙平，曹 鋼，張 偉，于步亞，鄧 慶

（錦屏水力發(fā)電廠，四川 西昌 615000）

0 引言

某水電站最大水頭240 m，額定水頭200 m，共安裝6臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量600 MW，總裝機(jī)容量3 600 MW。大容量機(jī)組定子繞組的單相接地故障(包括定子繞組與鐵芯間的絕緣破壞)是發(fā)電機(jī)最常見的電氣故障。當(dāng)發(fā)電機(jī)端附近發(fā)生接地故障時(shí)，故障點(diǎn)的電容電流較大，會(huì)產(chǎn)生電弧，灼傷接地點(diǎn)的鐵芯，影響發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。同時(shí)，接地故障會(huì)引起接地弧光過電壓，可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)其他位置絕緣的破壞，形成危害嚴(yán)重的相間或匝間短路故障。

該水電站水輪發(fā)電機(jī)的定子接地保護(hù)采用基波零序電壓加三次諧波電壓保護(hù)和注入式定子接地保護(hù)，構(gòu)成雙重化100 %定子接地保護(hù)。

1 定子接地保護(hù)配置

該水電站每臺(tái)發(fā)電機(jī)均配置2套南京南瑞繼保電氣有限公司的RCS-985GW型保護(hù)。其中A套保護(hù)使用注入式定子接地保護(hù)，B套保護(hù)使用傳統(tǒng)基波加三次諧波電壓型定子接地保護(hù)。RCS-985型注入式定子接地保護(hù)輔助電源裝置安裝在主變保護(hù)非電量C柜內(nèi)，具體保護(hù)接線如圖1所示。

RCS-985U型輔助電源裝置將20 Hz的低頻電壓注入到接地變壓器二次負(fù)載電阻RN上，同時(shí)將接地變壓器二次負(fù)載上的部分電壓和二次電流引入到發(fā)電機(jī)A柜的RCS-985GW型保護(hù)裝置中，通過保護(hù)裝置計(jì)算出定子接地電阻值和接地故障時(shí)的零序電流。此外將接地變壓器負(fù)載電阻上1/5的電壓引入到B柜的RCS-985GW型保護(hù)裝置中，作為基波零序電壓型定子接地保護(hù)的動(dòng)作量以及三次諧波電壓型定子接地保護(hù)的制動(dòng)量。

圖1 發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)系統(tǒng)接線

2 接地變二次電阻選擇原則

目前，國內(nèi)大型水輪發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)大多是通過高阻接地。在該接地方式下，當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生單相接地故障時(shí)，可在熄弧后釋放其能量，降低中性點(diǎn)電位，使得故障相的電壓恢復(fù)速度也變慢，減少了電弧重燃的可能性，即接入發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電阻的大小會(huì)影響發(fā)電機(jī)單相接地時(shí)健全相暫態(tài)過電壓值。

為限制動(dòng)態(tài)過電壓不超過2.6倍的額定電壓，接地電阻(一次值)取值為：

式中：Cg為發(fā)電機(jī)單相對(duì)地總電容；ω為機(jī)組運(yùn)行角速度。

由變壓器原理，可計(jì)算出接地電阻二次值為：

式中：N為接地變壓器變比。

該水電站發(fā)電機(jī)具體參數(shù)如表1所示。將表1中的數(shù)值代入公式(1)中，計(jì)算得出接地電阻RN為381.86 Ω。將RN代入公式(2)中，計(jì)算得出接地變壓器二次側(cè)實(shí)際接入電阻為0.7 Ω，此時(shí)忽略接地變壓器負(fù)載總損耗。

表1 發(fā)電機(jī)設(shè)備參數(shù)

3 基波加三次諧波電壓型定子繞組單相接地 保護(hù)原理

3.1 基波零序電壓型定子繞組單相接地保護(hù)

當(dāng)發(fā)電機(jī)故障相(假設(shè)A相)在距中性點(diǎn)α(α為故障點(diǎn)到中性點(diǎn)的匝數(shù)與單相單分支繞組總匝數(shù)的比值)處經(jīng)過渡電阻Rf接地時(shí)，如圖2所示，發(fā)電機(jī)三相繞組電動(dòng)勢(shì)分別為單相對(duì)地總電容為Cg計(jì)算零序電壓

圖2 發(fā)電機(jī)單相接地故障線路

根據(jù)基爾霍夫定律可以得出：

所以：

若A相繞組某點(diǎn)發(fā)生金屬性接地故障，即Rf=0，根據(jù)公式(4)，可得出故障點(diǎn)的零序電壓：

由于單相接地電流非常小，定子繞組每相的阻抗與對(duì)地容抗相比微不足道，即單相接地故障電流在定子繞組本身的阻抗上幾乎不產(chǎn)生壓降，則某點(diǎn)發(fā)生單相接地故障時(shí)，基波零序電壓U0=αEΦ(EΦ為發(fā)電機(jī)相電壓)，即為故障電壓，也是定子繞組任一點(diǎn)電壓。

因越靠近機(jī)端，故障點(diǎn)零序電壓越高，則可以利用基波零序電壓構(gòu)成定子單相接地保護(hù)。定子繞組單相接地時(shí)3 U0與α的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 定子繞組單相接地時(shí)3 U0與α的關(guān)系曲線

由圖3可知，當(dāng)基波零序電壓大于動(dòng)作電壓UOP時(shí)，定子接地保護(hù)動(dòng)作。但是該保護(hù)原理存在動(dòng)作死區(qū)，即OS段零序電壓小于動(dòng)作值，故基波零序電壓型定子繞組單相接地保護(hù)只能反應(yīng)距機(jī)端90 %以內(nèi)位置的單相接地故障。

該套定子接地保護(hù)基波零序電壓型保護(hù)采用頻率跟蹤、數(shù)字濾波及全周傅氏算法，保護(hù)只反映基波分量?；阈螂妷涸O(shè)置2段定值，分別為靈敏段和高值段。靈敏段動(dòng)作跳閘時(shí)，需經(jīng)主變高壓側(cè)零序電壓閉鎖，以防止區(qū)外故障時(shí)定子接地基波零序電壓靈敏段誤動(dòng)，同時(shí)也經(jīng)機(jī)端開口三角零序電壓閉鎖，閉鎖定值不需整定。

3.2 三次諧波電壓型定子繞組單相接地保護(hù)

由于發(fā)電機(jī)氣隙磁通密度的非正弦分布和鐵磁飽和的影響，在定子繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)除基波外還含有高次諧波分量。其中三次諧波分量是零序性質(zhì)的分量，雖然在線電動(dòng)勢(shì)中被消除，但是在相電動(dòng)勢(shì)中依然存在。

三次諧波電壓型定子接地保護(hù)是利用發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)和機(jī)端的三次諧波電壓在正常和接地故障時(shí)的特點(diǎn)構(gòu)成的。正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的三次諧波電壓U3N比機(jī)端的三次諧波電壓U3S大；而在發(fā)電機(jī)定子繞組中性點(diǎn)及其附近范圍內(nèi)發(fā)生接地故障時(shí)，機(jī)端的三次諧波電壓U3S大于發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的三次諧波電壓U3N。根據(jù)這個(gè)變化的特點(diǎn)，利用機(jī)端三次諧波電壓U3S作為動(dòng)作量，中性點(diǎn)的三次諧波電壓U3N作為制動(dòng)量來構(gòu)成接地保護(hù)，以U3S≥U3N作為保護(hù)動(dòng)作條件，則在正常運(yùn)行時(shí)保護(hù)不可能動(dòng)作，而在中性點(diǎn)附近發(fā)生接地故障時(shí)，具有很高的靈敏性。

4 注入式定子接地保護(hù)原理

A套R(shí)CS-985GW型注入式定子接地保護(hù)接地電阻Rf的計(jì)算公式為：

為保證RCS-985GW型保護(hù)裝置計(jì)算定子接地電阻的準(zhǔn)確性，對(duì)式(6)中接地變短路阻抗進(jìn)行了補(bǔ)償，同時(shí)補(bǔ)償了接地變的傳變誤差和現(xiàn)場(chǎng)接線電纜分壓引起的誤差。

5 定子接地保護(hù)整定計(jì)算

5.1 基波零序電壓定子接地保護(hù)

5.1.1 靈敏段基波零序電壓保護(hù)

基波零序電壓保護(hù)靈敏段動(dòng)作量取自發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)零序電壓，動(dòng)作電壓U0.OP應(yīng)按躲過正常運(yùn)行時(shí)最大不平衡基波零序電壓U0.MAX整定，即：

式(7)中：Krel為可靠系數(shù)，取1.2～1.3。

U0.MAX為中性點(diǎn)實(shí)測(cè)不平衡基波零序電壓，實(shí)測(cè)之前可初設(shè)U0.OP=(5 %～10 %)U0n，U0n為機(jī)端單相金屬性接地時(shí)中性點(diǎn)零序電壓(二次值)。

根據(jù)公式(7)，整定U0.OP=8 V，動(dòng)作于跳閘。

此時(shí)應(yīng)校核主變高壓側(cè)發(fā)生接地故障時(shí)，通過升壓變壓器高、低壓繞組間的耦合電容傳遞到發(fā)電機(jī)側(cè)的零序電壓。

圖4 計(jì)算傳遞電壓簡(jiǎn)化電路

表2 主變壓器參數(shù)

則此時(shí)發(fā)電機(jī)保護(hù)B柜測(cè)得的中性點(diǎn)零序電壓為：

該數(shù)值遠(yuǎn)小于定子接地零序電壓靈敏段定值8 V，因此該定值滿足技術(shù)監(jiān)督要求中，校驗(yàn)主變高壓側(cè)單相接地零序傳遞電壓不影響發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)的要求。根據(jù)DL/T684—2012大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則，此時(shí)靈敏段的延時(shí)可取0.5 s。

5.1.2 高定值段基波零序電壓保護(hù)

根據(jù)DL/T684—2012，高定值動(dòng)作電壓應(yīng)可靠躲過傳遞過電壓，可取(15 %～25 %)U0n，因此取U0.hzd=20 %×100=20 V，延時(shí)0.3 s動(dòng)作于跳閘，且不需經(jīng)機(jī)端基波零序電壓輔助判據(jù)閉鎖。

5.2 三次諧波電壓比率定子接地保護(hù)

三次諧波電壓比率定子接地保護(hù)判據(jù)為：

實(shí)測(cè)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)最大三次諧波比值α0，則閾值α=(1.2～1.5)α0，可取延時(shí)5 s，動(dòng)作于信號(hào)。

5.3 注入式定子接地保護(hù)

RCS-985GW型注入式定子接地保護(hù)動(dòng)作判據(jù)有接地電阻和接地電流2種。

接地電阻判據(jù)反映發(fā)電機(jī)定子繞組接地電阻的大小。該保護(hù)設(shè)有2段電阻定值，高定值作用于報(bào)警，低定值動(dòng)作于延時(shí)跳閘。

發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)若靠近機(jī)端位置出現(xiàn)定子繞組接地故障，則發(fā)電機(jī)基波零序電壓會(huì)明顯增加，流過接地設(shè)備的基波零序電流也會(huì)明顯增加，為此該保護(hù)增設(shè)了接地電流判據(jù)。接地電流判據(jù)能反映距發(fā)電機(jī)機(jī)端80 %～90 %的定子繞組單相接地故障。

5.3.1 接地電阻報(bào)警定值的整定

取3號(hào)免疫小鼠脾臟進(jìn)行雜交瘤制備，經(jīng)過3輪亞克隆及篩選后獲得2株單克隆抗體，分別命名為3G3和3G4。如圖4所示，腹水單抗經(jīng)純化后純度得到了很大的提升，3G3和3G4濃度分別為6.06 mg/mL，2.22 mg/mL。 如圖 4所示，兩株單克隆抗體純化后的效價(jià)均為105。

在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)接地變高阻接地的情況下，當(dāng)定子繞組發(fā)生單相接地故障時(shí)，其等效基波零序回路如圖5所示。

由等效電路可得：

根據(jù)DL/T684—2012，在對(duì)于發(fā)電機(jī)額定容量在300 MW及以上，額定電壓在18 kV及以上的發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障電流允許值為1 A。故根據(jù)圖5，計(jì)算機(jī)端接地故障時(shí)，基波接地故障電流為安全電流值IE=1 A。將表1的數(shù)據(jù)代入到公式(10)中，即可計(jì)算出接地電阻值Rf=11.3 kΩ，則接地電阻高值整定值Rf.SET.H=1.2 Rf=13.56 kΩ，可取延時(shí)5 s，動(dòng)作于信號(hào)。

圖5 定子接地時(shí)等效零序回路

5.3.2 接地電阻跳閘定值的整定

接地電阻跳閘定值按機(jī)端接地故障電流為允許值的3倍，即IE=3 A，計(jì)算出接地電阻值Rf=3.6 kΩ，接地電阻低值整定值Rf.SET.L=Rf=3.6 kΩ，經(jīng)接地安全電流定值閉鎖，延時(shí)0.5 s，動(dòng)作于跳閘。

5.3.3 接地安全電流定值ISAFE(基波)的整定

接地安全電流的整定有2種方法：現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量法和根據(jù)參數(shù)計(jì)算法。由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量法操作繁雜且存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)際上都是通過參數(shù)計(jì)算整定的。

參數(shù)計(jì)算法根據(jù)發(fā)電機(jī)定子繞組側(cè)對(duì)地容抗和發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻阻值關(guān)系，計(jì)算接地故障電流達(dá)到接地電流允許值(1 A)時(shí)的ISAFE值。

由此可確定ISAFE的定值：

式中:Krel為可靠系數(shù)，取0.8;ISAFE.P為安全電流一次值。將ISAFE.P=1 A代入到式(12)中，則：。

當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生接地故障時(shí)，只有當(dāng)接地電阻滿足定值，且接地零序電流大于接地安全電流定值時(shí)，經(jīng)延時(shí)后動(dòng)作于跳閘。

5.3.4 接地電流判據(jù)的整定

接地零序電流判據(jù)作為電阻判據(jù)的后備，用于保護(hù)距發(fā)電機(jī)機(jī)端90 %范圍的定子繞組接地故障，反映的是流過發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地連線上的電流，其動(dòng)作電流整定為：

式中：URN為發(fā)電機(jī)機(jī)端單相金屬性接地故障時(shí)負(fù)載電阻RN上的電壓；α一般取10 %。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式(13)，則：UE.SET=10 %×延時(shí)0.5 s,動(dòng)作于跳閘。

注入式定子接地保護(hù)測(cè)量回路監(jiān)視定值、補(bǔ)償環(huán)節(jié)定值都是通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行確定的。

6 結(jié)束語

對(duì)于大容量的水輪發(fā)電機(jī)，合理地選擇中性點(diǎn)接地電阻值，并根據(jù)整定計(jì)算導(dǎo)則正確整定接地保護(hù)動(dòng)作定值和延時(shí)定值，對(duì)于定子接地保護(hù)正確、迅速動(dòng)作以保護(hù)發(fā)電機(jī)具有重要意義?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明：上述定值符合發(fā)電機(jī)保護(hù)要求，在發(fā)電機(jī)定子發(fā)生單相接地故障時(shí)保護(hù)能正確動(dòng)作。

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，2002．

2 陳熙平．注入式定子接地保護(hù)在錦屏二級(jí)水電站的應(yīng)用 及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試[J]．電工技術(shù)，2013(9)．

3 劉其常，胡少強(qiáng)，劉 蔚．發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式探討 [J]．繼電器，2005(13)．

4 畢大強(qiáng)，王祥珩，李德佳，等．發(fā)電機(jī)定子繞組單相接 地故障的定位方法[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2004(22)．

5 DL/T 684—2012大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則[S]．

6 陳熙平，季 杰，陳 強(qiáng)．PT故障引起定子接地保護(hù)動(dòng) 作的事故處理及分析[J]．電工電氣，2013(10)．