淺談20Hz注入式100%定子接地保護(hù)在瀑布溝水電站機(jī)組上的應(yīng)用

蔣立偉 賀增良

（國(guó)電大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠 四川 雅安 625304）

大型發(fā)電機(jī)特別是水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)，由于機(jī)械損傷或發(fā)生漏水等原因，導(dǎo)致中性點(diǎn)附近的定子繞組發(fā)生接地故障是完全可能的。如果這種故障不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，將造成匝間短路、相間短路或兩點(diǎn)接地短路，甚至造成發(fā)電機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞。因此，對(duì)這種發(fā)電機(jī)和大容量的發(fā)電機(jī)必須裝設(shè)定子100%接地保護(hù)。發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)通常采用基波零序電壓與三次諧波電壓判據(jù)組合實(shí)現(xiàn)定子繞組100%保護(hù)，但基波零序電壓保護(hù)在中性點(diǎn)附近存在死區(qū)，三次諧波電壓判據(jù)在高阻情況下靈敏度不高[1]。注入式定子接地保護(hù)的特點(diǎn)：①在發(fā)電機(jī)停運(yùn)、啟停、運(yùn)行的全過(guò)程中，都可以提供靈敏的定子接地保護(hù)，可檢測(cè)定子絕緣的緩慢老化；②保護(hù)范圍不僅包括整個(gè)定子繞組，還包括發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)、保護(hù)的靈敏度一致，不受接地位置影響，可以準(zhǔn)確測(cè)量接地電阻的大小。隨著發(fā)電機(jī)對(duì)定子接地保護(hù)要求的不斷提高，從發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)接地變壓器注入20Hz電壓檢測(cè)整個(gè)發(fā)電機(jī)及相關(guān)電氣接連設(shè)備的絕緣，不受發(fā)電機(jī)特性、運(yùn)行工況、故障位置的影響，在起停機(jī)過(guò)程中也能起到一定保護(hù)作用的20Hz注入式100%定子接地保護(hù)方案得到廣泛地應(yīng)用。

圖1 通常外加20Hz注入式100%定子接地保護(hù)原理圖

圖2 20Hz注入式接地保護(hù)原理圖

圖3 20Hz注入式接地保護(hù)等效電路

1 瀑布溝機(jī)組20Hz注入式定子接地保護(hù)介紹

通常成熟的外加20Hz注入式100%定子接地保護(hù)方案，保護(hù)原理圖如圖1所示。

定子中性點(diǎn)為接地變壓器接地方式。20Hz電源經(jīng)帶通濾波器加于接地變壓器的二次側(cè)，通過(guò)變壓器傳到定子回路。正常運(yùn)行時(shí)，經(jīng)發(fā)電機(jī)三相對(duì)地電容流回中性點(diǎn)有小量的20Hz零序電流，此電流反映到中間電流互感器的一次，最后經(jīng)低通濾波器濾波和整流器整流后成為比較元件的不平衡動(dòng)作電流Imeas，為了補(bǔ)償這個(gè)電流，20Hz電源又經(jīng)電阻Ra整流并得到一個(gè)反方向的補(bǔ)償電流Icomp，調(diào)整Ra使發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)比較元件中的電流等于或近于零，保護(hù)不動(dòng)作。但發(fā)電機(jī)發(fā)生單相接地故障時(shí)，定子回路零序阻抗大大減小，20Hz的零序電流驟增，使動(dòng)作電流增大，此時(shí)右側(cè)的反向補(bǔ)償電流卻不變，使保護(hù)動(dòng)作。

瀑布溝水電站6臺(tái)600MW水輪發(fā)電機(jī)組20Hz注入式100%定子接地保護(hù)采用上海AREVA（阿?，m）電力自動(dòng)化有限公司的P345型微機(jī)發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置，注入電源為Siemens公司的7XT33型、濾波器為7XT34型，注入頻率為20Hz，原理圖如圖2所示。

信號(hào)發(fā)生器7XT33輸出20Hz方波信號(hào)，注入電壓的幅值為25V，通過(guò)帶通濾波器7XT34對(duì)該信號(hào)進(jìn)行平滑處理形成20Hz正弦波信號(hào)，20Hz電壓在發(fā)電機(jī)接地變負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生壓降，負(fù)載電阻RL上的壓降通過(guò)接地變副邊耦合至一次側(cè)；P345保護(hù)裝置采集20Hz注入電壓和電流，其中20Hz電流通過(guò)變比為400/5的電流互感器引入，20Hz電壓通過(guò)五分之二分壓器引入，保護(hù)裝置根據(jù)故障模型來(lái)確定故障電阻阻值Rg，動(dòng)作于發(fā)信或跳閘。1.1 20Hz注入式接地保護(hù)原理[2]

表1 機(jī)組的相位補(bǔ)償角的調(diào)整數(shù)據(jù)

圖4 接地電阻計(jì)算模型

圖5 20Hz注入式接地保護(hù)動(dòng)作邏輯框圖

20Hz注入式接地保護(hù)等效電路如圖3所示。R'1，X'1是接地變壓器一次側(cè)繞組漏阻抗；R2、X2是接地變壓器二次側(cè)繞組漏阻抗；R'm，X'm是接地變壓器激磁阻抗；各參數(shù)均為20Hz下折算到二次側(cè)的值。二次側(cè)計(jì)算的定子對(duì)地導(dǎo)納為，折算到一次側(cè)的接地過(guò)渡電阻值為，ku為電壓分壓器變比 2/5，k1為電流互感器變比400/5，nv為接地變壓器變比，接地變壓器的參數(shù)可以通過(guò)測(cè)量或者計(jì)算得到。

2 調(diào)試過(guò)程應(yīng)注意的事項(xiàng)

上面分析了20Hz注入式接地保護(hù)的原理，從中可知接地變壓器的激磁阻抗、漏抗以及電流互感器對(duì)接地電阻的計(jì)算結(jié)果會(huì)產(chǎn)生影響，進(jìn)而會(huì)影響保護(hù)裝置的靈敏度。瀑布溝發(fā)電機(jī)保護(hù)P345注入式接地保護(hù)對(duì)接地過(guò)度電阻有精確的計(jì)算模型如圖4，同時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，通過(guò)保護(hù)裝置依次對(duì)電流相位進(jìn)行補(bǔ)償、對(duì)串聯(lián)、并聯(lián)電阻進(jìn)行設(shè)置，使接地電阻測(cè)量結(jié)果更加精確，保護(hù)更加靈敏。

（1）磁性變化都要落后于電流瞬時(shí)值變化，因此電流互感器測(cè)量電流會(huì)產(chǎn)生相位誤差。相位補(bǔ)償是為了消除電流互感器測(cè)量電流產(chǎn)生的相位誤差，使相位更加精確。由于發(fā)電機(jī)對(duì)地的電容比較大，拆除發(fā)電機(jī)的并聯(lián)接地點(diǎn)（如機(jī)組出口電壓互感器），機(jī)組在靜止時(shí)，測(cè)量到的電流是電容電流，此時(shí)采集到的電流應(yīng)該超前于電壓90°。如果電流超前于電壓角度小于90°，應(yīng)增加相位補(bǔ)償角度，直至相位差接近90°。下面是一次機(jī)組的相位補(bǔ)償角的調(diào)整數(shù)據(jù)，如表1。

（2）對(duì)串并聯(lián)電阻進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置串聯(lián)電阻Rs通常被稱作接地變壓器的泄漏電阻，相位補(bǔ)償完成后，同時(shí)串聯(lián)電阻Rs的默認(rèn)值為零，用短接線將發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地，此時(shí)保護(hù)裝置接地電阻讀數(shù)即為串聯(lián)電阻Rs需要設(shè)置的值，設(shè)置后此時(shí)保護(hù)裝置接地電阻的讀數(shù)為零。以上設(shè)置完成后，拆除發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地的短接線，接上發(fā)電機(jī)的并聯(lián)接地點(diǎn)（如機(jī)組出口電壓互感器），此時(shí)保護(hù)裝置的讀數(shù)即為并聯(lián)電阻RP的設(shè)置值。

3 實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)注意的事項(xiàng)

（1）當(dāng)發(fā)電機(jī)退出運(yùn)行時(shí)，20Hz注入電壓并沒(méi)有被停運(yùn)，在發(fā)電機(jī)端會(huì)有危險(xiǎn)的電壓，應(yīng)防止工作人員觸電。

（2）當(dāng)保護(hù)裝置電阻低定值報(bào)警時(shí)，表明設(shè)備絕緣下降，需要檢查發(fā)電機(jī)定子、機(jī)組出口電壓互感器、機(jī)組接地變的絕緣；如果設(shè)備絕緣沒(méi)問(wèn)題，需對(duì)發(fā)電機(jī)遞升加壓；如果加壓正常，則對(duì)保護(hù)裝置進(jìn)行檢查處理。

（3）20Hz信號(hào)發(fā)生器正常輸出25V，當(dāng)保護(hù)裝置電壓、電流采樣均小于報(bào)警值時(shí)，檢查回路有無(wú)斷線、短路；如果回路正常且注入源未運(yùn)行，保護(hù)裝置采集的電壓幾乎為零，則初步判斷為注入源故障。

4 一起保護(hù)誤動(dòng)作分析及防范措施

瀑布溝4號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中定子注入式接地保護(hù)動(dòng)作，安排人員檢查發(fā)電機(jī)定子、機(jī)組電壓互感器、接地變壓器絕緣均正常，在對(duì)注入式定子接地保護(hù)注入二次回路檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，濾波器7XT34本體端子接觸不良，注入20Hz電壓波動(dòng)，導(dǎo)致保護(hù)裝置誤動(dòng)。

為防范類似事件的發(fā)生，對(duì)注入式定子接地保護(hù)動(dòng)作邏輯進(jìn)行優(yōu)化，增加了電壓、電流閉鎖保護(hù)裝置出口邏輯如圖5，有效的避免了保護(hù)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)問(wèn)題。當(dāng)接地故障電阻計(jì)算值低于電阻的高整定值且電壓、電流滿足要求時(shí)，保護(hù)發(fā)告警信號(hào)，當(dāng)接地故障電阻計(jì)算值低于電阻的低整定值或者故障電流大于電流跳閘定值且電壓、電流滿足要求時(shí)，保護(hù)動(dòng)作于跳閘。同時(shí)20Hz電流、電壓小于監(jiān)視電流、電壓定值時(shí)，保護(hù)裝置發(fā)出報(bào)警，反映了電壓互感器或電流互感器回路出現(xiàn)短路、斷路，包括注入電源裝置輸出異常、濾波器故障等情況，提早進(jìn)行處理。

5 結(jié)語(yǔ)

瀑布溝水電站發(fā)電機(jī)20Hz注入式100%定子接地保護(hù)運(yùn)行狀況良好，不受發(fā)電機(jī)特性、運(yùn)行工況、故障位置的影響，在起停機(jī)過(guò)程中也能起到一定的保護(hù)作用。同時(shí)可通過(guò)P345保護(hù)裝置設(shè)置相位補(bǔ)償以及串并聯(lián)電阻，使測(cè)量結(jié)果更加精確，保護(hù)動(dòng)作更加靈敏。對(duì)20Hz注入式100%定子接地保護(hù)而言，外加注入電源頻率和電源的可靠性對(duì)保護(hù)的正常運(yùn)行有很大影響，定檢中應(yīng)列為重點(diǎn)檢查項(xiàng)目，最好每年進(jìn)行一次電源校驗(yàn)，若頻率漂移或電壓不足應(yīng)及時(shí)處理，以確保發(fā)電機(jī)20Hz注入式100%定子接地保護(hù)裝置的正確動(dòng)作率。陜西水利

[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(guó)電力出版社,1998.

[2]畢大強(qiáng),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(hù)的研制 [J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2004,28(16)：75-78.