雙頻注入式定子單相接地保護方案

賈文超，黃少鋒，焦利霞

（1.華北電力大學 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，河北 保定 071003；2.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085）

0 引言

發(fā)電機定子繞組與鐵芯間絕緣破壞引起定子單相接地故障較普遍，目前國內(nèi)外發(fā)電機定子單相接地保護主要有[1]基于基波零序電壓和3次諧波電壓構(gòu)成的100%定子接地保護、外加信號的注入式定子接地保護?；阈螂妷罕Ｗo簡單可靠，但存在保護死區(qū)[2-3]；3次諧波電壓保護在運行中易誤動，且靈敏度隨定子繞組對地電容的增加而降低[4-6]。近年來國內(nèi)外學者針對20 Hz注入式定子接地保護開展了大量研究[7-13]，該保護用注入的20 Hz電氣量計算單相接地電阻值，能100%保護發(fā)電機定子繞組接地故障，同時能對定子繞組進行絕緣老化監(jiān)視。但該保護受發(fā)電機頻率變化的影響，在發(fā)電機（特別是抽水蓄能機組）的啟停機過程中不能實現(xiàn)全程保護，即在10～40 Hz期間要閉鎖保護。文獻[14]提出了雙頻注入式定子接地保護，其基本原理為：先檢測發(fā)電機的運行頻率，當運行頻率大于10Hz且小于40Hz時，注入信號頻率取100 Hz；當運行頻率不大于10Hz或不小于40Hz時，注入信號頻率取20Hz。但該保護原理在計算接地電阻時，需要變壓器一次繞組和二次繞組漏阻抗參數(shù)，這在實際中較難獲取。注入式保護的靈敏度受發(fā)電機定子繞組對地電容的影響，在發(fā)電機高阻接地故障時，注入信號頻率較高，降低了保護的靈敏度，所以高頻注入信號的選擇仍需研究。

考慮20 Hz注入式定子接地保護相當成熟，本文僅對高頻注入信號進行分析。本文主要從注入式定子接地保護靈敏度、濾波器參數(shù)設(shè)計和信號提取方便性3個方面研究高頻段注入信號頻率的取值范圍，確定了高頻信號的注入頻率和注入方式，給出了一種新的雙頻注入式定子接地保護方案。

1 注入信號頻率的選擇分析

注入信號頻率的選擇需要考慮保護靈敏度、濾波器參數(shù)設(shè)計、頻率提取的方便性等因素，本文主要從保護靈敏度、濾波器參數(shù)設(shè)計和頻率提取方便性3個方面進行分析。

1.1 考慮保護靈敏度的注入信號頻率選擇

注入式定子接地保護的靈敏度高低通常是以保護區(qū)內(nèi)任一點發(fā)生接地故障時，保護裝置剛好能動作所允許的最大接地電阻值（與故障點位置有關(guān)）中的最小值來表征[15]。

1.1.1 注入式定子接地保護靈敏度分析

發(fā)電機定子單相接地故障時，注入式定子接地保護的等效電路如圖 1 所示。 圖中，R′1、X′1和 R2、X2分別為配電變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的電阻和電抗；R′m和X′m分別為配電變壓器的勵磁電阻和勵磁電抗；X′s為定子繞組的等效短路電抗；R′g為定子繞組接地電阻；C′Σ為定子繞組對地三相總電容；Rn為配電變壓器的接地電阻；Usef和Isef分別為保護測量的頻率為20Hz的電壓和電流；Im為勵磁支路電流；UR為接地故障電阻上的電壓；U1為發(fā)電機中性點的20 Hz電壓。以上所有參數(shù)均已歸算至變壓器的二次側(cè)。

圖1 注入式定子接地保護的等效電路Fig.1 Equivalent circuit of stator grounding protection with injecting source

目前，注入式定子接地保護計算接地電阻時對漏阻抗的影響進行補償，考慮變壓器漏阻抗和勵磁支路影響，漏電阻 Rσ=R′1+R2，漏電抗 Xσ=X′1+X2，變壓器變比為n，得接地電阻的測量值表達式為：

接地電阻的一次側(cè)實際值為：

定義保護的測量誤差為：

分析式（1）和（2）可得：注入式定子接地保護的測量誤差主要受和勵磁支路電流的影響。的大小與發(fā)電機定子繞組對地分布電容和注入信號頻率有關(guān)，其與分布電容成正比。由勵磁支路分流引起的測量誤差隨注入頻率增大而減小，但隨注入頻率增大而增大，且在高頻段注入頻率時，由勵磁支路引起的誤差很小，對測量誤差起主要作用。綜合分析可得，測量誤差隨分布電容和注入信號頻率增大而增大。

保護的靈敏度分析應(yīng)考慮最不利于保護動作的條件，故本文分析靈敏度時考慮當發(fā)電機定子電容很大，注入高頻信號時，保護允許誤差范圍內(nèi)發(fā)電機機端單相接地短路所能檢測到的最大接地電阻值。

1.1.2 注入信號的頻率范圍分析

ABB公司設(shè)計的注入式定子接地保護要求：測量電阻為100 Ω～10 kΩ時，保護的測量誤差在區(qū)間（-10%，10%）內(nèi)；測量電阻為 0～100 Ω、10～20 kΩ時，保護的測量誤差在區(qū)間（-20%，20%）內(nèi)。國內(nèi)某繼電保護制造廠家設(shè)計的注入式定子接地保護，要求測量電阻在0～10 kΩ時，保護的測量誤差在區(qū)間（-5%，5%）內(nèi)。本文先不考慮電流互感器的傳變誤差、A/D轉(zhuǎn)換誤差、微機保護算法誤差，并設(shè)計接地故障電阻為10 kΩ時保護的測量誤差不超過5%。

算例參數(shù)如下。

a.定子繞組對地電容：注入式定子接地保護一般適用于發(fā)電機三相總電容CΣ取0.5～10 μF時。目前可查的發(fā)電機定子繞組每相最大對地電容為2.03 μF（三峽2號機組），考慮到與發(fā)電機相連的其他設(shè)備對對地電容的影響和最嚴苛的條件，取CΣ=10 μF進行分析。

b.配電變壓器參數(shù)：配電變壓器 DDBC-50/20[16]，變比 n=20kV/0.865 kV，漏電阻 Rσ=0.289 Ω，漏電感 Lσ=1.84×10-3H，勵磁電阻 Rm=129 Ω，勵磁電感Lm=1.505 H。配電變壓器參數(shù)均歸算到二次側(cè)。

c.基于MATLAB建立仿真模型，對接地電阻Rg=10 kΩ的情況進行仿真分析，采用不同注入信號頻率，由式（3）計算接地電阻的測量誤差如表1所示，測量誤差與頻率的關(guān)系如圖2所示。

由表1分析可得，考慮接地故障電阻為10 kΩ時保護的測量誤差不超過5%，注入頻率應(yīng)小于90Hz。

表1 CΣ=10 μF、Rg=10 kΩ 時保護的測量誤差Tab.1 Measurement error when CΣ=10 μF，Rg=10 kΩ

圖2 測量誤差與頻率的關(guān)系曲線Fig.2 Relation between measurement error and frequency

1.2 注入信號頻率與濾波器的參數(shù)選擇

注入濾波器設(shè)計要同時考慮提高工頻抑制電壓和控制諧振過電壓。模擬帶通濾波器是基于RLC串聯(lián)諧振電路實現(xiàn)的，其LC參數(shù)設(shè)計和注入頻率的大小有關(guān)。本文分析了濾波器參數(shù)和注入信號頻率的關(guān)系，并從提高工頻抑制電壓和控制諧振過電壓的角度分析了注入頻率的范圍。

50 Hz工頻反饋電壓的注入回路等效電路如圖3所示。圖中，uF.50為50 Hz工頻電壓；R、L、C分別為注入回路中濾波器的等效電阻、濾波電感、濾波電容；Zx為方波發(fā)生器的吸收阻抗。

圖3 50 Hz工頻反饋電壓的等效電路Fig.3 Equivalent circuit of 50 Hz feedback voltage

濾波電容表達式為：

注入電源的設(shè)計參數(shù)為：輸出電壓U=28 V；額定電流IN=3.5 A；注入回路的額定阻抗ZN=8 Ω；方波發(fā)生器的吸收壓降不超過工頻電壓的5%；濾波器最大工頻抑制電壓設(shè)定為600 V。

當最大工頻反饋電壓確定時，可根據(jù)方波發(fā)生器的過電壓承受能力確定濾波器的最小工頻阻抗Z50min。考慮足夠的阻抗裕度，取方波發(fā)生器的吸收阻

由圖3得，注入濾波器的工頻阻抗表達式為：Z50=R+j（XL.50-XC.50）=R+j100πL[1-（f0/50）2]（4）其中，f0為濾波器工作頻率；XL.50為濾波電感在50 Hz時的工頻電抗；XC.50為濾波電容在50 Hz時的工頻容抗。

濾波電感表達式為：抗等于注入回路額定阻抗值，可得濾波器的最小工頻阻抗為：

根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，額定電流為3.5 A的工頻鐵芯電感的最小等效電阻僅為工頻電抗的1.3%。忽略電阻R，由式（5）、（6）可計算出不同注入頻率下的濾波電感和濾波電容。濾波器的元件參數(shù)及其承受的電壓與注入信號頻率的關(guān)系如表2所示，其中UL.f0為注入信號頻率時電感承受的諧振電壓，UL.50和UC.50分別為工頻50 Hz時的電感電壓和電容電壓。電感上諧振電壓和工頻電壓與頻率的關(guān)系曲線如圖4所示。

表2 濾波器的元件參數(shù)及所受電壓的計算結(jié)果Tab.2 Parameters of filter and calculative voltage borne by it

圖4 電感上諧振電壓和工頻電壓與頻率的關(guān)系曲線Fig.4 Relation between resonant/fundamental voltage and frequency

由表2可得，當注入頻率在60～70 Hz時，正常工作時L-C元件所承受的諧振電壓和工頻電壓較高。參考注入20Hz頻率信號時電感的諧振電壓和工頻電壓，高頻信號注入頻率宜大于80Hz。

1.3 注入信號頻率選擇

目前20 Hz注入信號的保護算法是利用傅氏算法提取10 Hz頻率的2次諧波分量?？紤]信號提取的方便性，高頻信號注入頻率宜選擇10 Hz的整數(shù)倍信號。

綜合考慮保護靈敏度和濾波器參數(shù)設(shè)計和信號提取的方便性，高頻段注入信號頻率選擇80 Hz，低頻段注入信號頻率選擇運行成熟的20 Hz。

2 雙頻注入式定子接地保護方案設(shè)計

2.1 信號注入方式選擇

考慮到20 Hz注入式定子接地保護的運行經(jīng)驗相當成熟，故在發(fā)電機全工況運行時始終注入20 Hz電壓信號。當保護檢測到定子繞組單相接地故障時，投入80 Hz注入式定子接地保護，采用該注入方式即解決了現(xiàn)有的20 Hz注入式定子接地保護在發(fā)電機啟動過程中為了防止誤動需要閉鎖的問題，又避免了切換開關(guān)頻繁動作引起的開關(guān)損耗。

2.2 雙頻注入式定子接地保護的基本原理

為了提高注入式保護的靈敏度，實現(xiàn)對發(fā)電機全工況運行進行保護，本文研究的雙頻注入式定子接地保護設(shè)置低定值跳閘段和高定值報警段，2段保護均帶延時。

低定值段保護的動作判據(jù)：

高定值段保護的動作判據(jù)：

其中，Rg.20、Rset.L20、Rset.H20分別為注入信號頻率為 20 Hz時的接地測量電阻、低定值和高定值；Rg.80、Rset.L80、Rset.H80分別為注入信號頻率為80 Hz時的接地測量電阻、低定值和高定值；Isafe為安全電流限制定值。

雙頻注入式定子接地保護的邏輯框圖見圖5。

圖5 雙頻注入式定子接地保護邏輯框圖Fig.5 Logic diagram of generator stator grounding protection with double-frequency injecting source

當定子繞組單相接地時，測量20 Hz注入信號并計算接地電阻。當Rg.20≤Rset.H20時，切換開關(guān)投入80Hz注入式定子接地保護；當Rg.80＞Rset.L80時，表明無故障發(fā)生，投切開關(guān)延時斷開；當Rg.80≤Rset.L80時，發(fā)出跳閘命令，延時跳閘；當Rg.80≤Rset.H80時，發(fā)出告警信號。

3 結(jié)論

本文從注入式定子接地保護靈敏度和濾波器參數(shù)設(shè)計等方面分析了高頻段注入信號頻率的取值范圍，給出了一種新的雙頻注入式定子接地保護方案。該保護方案既解決了現(xiàn)有的20 Hz注入式定子接地保護在發(fā)電機啟動過程中為了防止誤動需要閉鎖的問題，又避免了切換開關(guān)頻繁動作引起的開關(guān)損耗。