水輪發(fā)電機定子單相接地的繼電保護技術(shù)分析

羅民壘

（國網(wǎng)西藏電力有限公司巴河發(fā)電公司，西藏 林芝860000）

0 引言

繼電保護是指一種對電力系統(tǒng)故障和危害其安全運行的異樣工況所采取的有效策略，在保護中用繼電器來保護電力系統(tǒng)及其元件。水輪發(fā)電機定子單相接地故障不僅直接影響了發(fā)電機的功效，還危害了水電站的正常生產(chǎn)和運營。因此，如何解決水輪發(fā)電機定子單相接地故障，需要利用科學(xué)的繼電保護技術(shù)。

1 老虎嘴水電站水輪發(fā)電機概況

老虎嘴水電站的裝機容量102 MW，已經(jīng)安裝了3臺單機容量為34 MW的混流式水輪發(fā)電機組，能確保其出力23.19 MW，年均發(fā)電量已經(jīng)達到了49 550萬k W·h，裝機的年利用小時數(shù)為4 858 h。水電站選用的發(fā)電機型號是SF34-28／6 000，主要參數(shù)為：額定容量40 MVA、額定功率34 MW、額定電壓10.5 k V、額定電流2 199 A、額定頻率50 Hz、相數(shù)3相、額定轉(zhuǎn)速214.3 r／min、定子繞組／轉(zhuǎn)子繞組F／F、飛輪力矩＞2 000 N·m。其相應(yīng)的繼電保護配置包括對發(fā)電機差動、發(fā)電機定子繞組單相接地、電流記憶低電壓過流、發(fā)電機過電壓、負(fù)序過負(fù)荷、轉(zhuǎn)子接地、失磁、軸電流、勵磁變時限速、勵磁變壓器過流及溫度保護等。對發(fā)電機差動的保護將發(fā)電機縱差保護作為主保護，CT斷線檢測功能允許差動保護動作，保護無延時動作于停機，且同時發(fā)信號［1］。對發(fā)電機定子繞組單相接地的保護，要與發(fā)電機并網(wǎng)前后動作準(zhǔn)確相符，保護出口動作于停機，且同時發(fā)信號。對電流記憶低電壓過流的保護，保護裝置帶有兩段時限，其中短時限的t1動作于跳220 k V母線分段斷路器，長時限的t2動作于停機，兩段同時發(fā)出信號。對負(fù)序過負(fù)荷的保護，其目的是為了反映發(fā)電機轉(zhuǎn)子表層過負(fù)荷的情況，定時限延時動作于發(fā)信號［2］。對轉(zhuǎn)子接地的保護，使用乒乓式轉(zhuǎn)子一點接地進行保護，能表現(xiàn)出轉(zhuǎn)子對地的絕緣電阻值，對出口帶時限動作于發(fā)信號進行保護。

2 水輪發(fā)電機的中性點接地方式

水輪發(fā)電機的安全運行與中性點接地方式相關(guān)，而中性點接地方式又與定子繞組過電壓、單相接地故障電流等有關(guān)。當(dāng)前國內(nèi)外水輪發(fā)電機的中性接地方式主要有中性點直接接地、中性點不接地、中性點經(jīng)低阻接地、中性點經(jīng)高阻接地以及中性點經(jīng)消弧線圈欠補償接地等，其中后兩種是應(yīng)用最為廣泛的中性點接地方式。老虎嘴水電站水輪發(fā)電機的中性點接地方式主要采用的是中性點經(jīng)高阻接地，即經(jīng)配電變壓器避雷器接地。因此，本文主要分析發(fā)電機中性點經(jīng)避雷器高阻接地方式。該中性點接地方式的目的是為了限制間歇電弧引起的積累性電壓升高，最終降低電弧接地暫態(tài)過電壓。因這種接地方式會加大定子單相接地時的接地電流，在接地保護時必須快速跳閘。當(dāng)中性點接地的電阻Rn≤發(fā)電機對地容抗Xc時，經(jīng)避雷器高阻接地就能較好地將暫態(tài)過電壓控制在安全范圍內(nèi)，此時如果系統(tǒng)的高壓一側(cè)發(fā)生單相接地，其產(chǎn)生的傳遞過電壓也不會導(dǎo)致發(fā)電機基波零序電壓定子單相接地保護出現(xiàn)誤動現(xiàn)象。經(jīng)避雷器高阻接地后，從故障點流過的接地電流量是流經(jīng)該電阻的有功電流和發(fā)電機的接地電容電流的矢量和。這種情況下，如果發(fā)電機的對地電容加大，會使得接地故障電流加大，容易燒毀鐵芯，保護出口就只能動作于瞬時跳閘，并沖擊整個電力系統(tǒng)和發(fā)電機，形成暫態(tài)過電壓。此外，發(fā)電機滅磁要一定時間，即便是斷路器自動跳閘也不代表切斷了故障電流，仍然存在燒毀鐵芯的風(fēng)險。

3 水輪發(fā)電機定子單相接地的繼電保護技術(shù)實現(xiàn)

基波零序電壓和三次諧波電壓兩項技術(shù)已經(jīng)在水輪發(fā)電機中得到廣泛的應(yīng)用，而在引進國外機組后，外加電源式的定子單相接地繼電保護技術(shù)也日益完善。隨著微機保護的發(fā)展，不斷研發(fā)和形成了新型的繼電保護技術(shù)，如小波變換保護技術(shù)和行波保護技術(shù)等。

3.1 基波零序電源保護技術(shù)的應(yīng)用

水輪發(fā)電機組一般是將發(fā)電機、超高壓或高壓電網(wǎng)、變壓器組單元接線進行直接相連，因發(fā)電機和系統(tǒng)中其他元件沒有電聯(lián)系，接地電容電流較小，就可采用基波零序的電壓保護技術(shù)。該技術(shù)在單相接地發(fā)生時，利用中性點處零序電壓和檢測機端的電壓來判斷是否發(fā)生接地故障。假定相接地發(fā)生在定子繞組距離中性點α處，α表示中性點到故障點的繞組所占全部繞組匝數(shù)的百分比，機端的各個相對低電壓表示如下：UdA＝（1－α）EA、UdB＝EB－αEA、UdC＝Ee－αEA。該故障點的零序電壓為U（α）＝（U＋U＋U）＝－αE。可知，故障點的零d0dAdBdCA序電壓會隨著故障點的位置變化而變化。發(fā)電機內(nèi)部單相接地時，電壓互感器二次開口的輸出電壓在機端接地為100 V，其零序電壓為Ud0（α）＝100α（V）。保護的動作電壓Ud0（α）要避開正常運行時中性點單相電壓互感器三角繞組的最大不平衡電壓。經(jīng)過實驗測試表明，當(dāng)發(fā)電機正常運轉(zhuǎn)時，其不平衡零序電壓會≥10 V，如果電壓互感器飽和的話，還會＞20 V。針對可能引發(fā)的零序電壓保護誤動問題，可以從動作電壓整定值及延時兩方面與系統(tǒng)接地保護進行配合。

3.2 外加電源式定子單相接地繼電保護技術(shù)

該技術(shù)是在發(fā)電機正常運行下整個三相定子回路對地絕緣的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，在發(fā)電機定子回路和 大地間外加一個信號電源后起到保護作用。一般情況下，外加低頻電源主要有20 Hz和12.5 Hz，在定子繞組中性點或機端將信號發(fā)送到發(fā)電機定子的系統(tǒng)，能100%獨立完成對定子接地的保護。外加電源式定子單相接地繼電保護技術(shù)能獨立完成對接地故障的檢測，與其他技術(shù)相比，受發(fā)電機運行方式的影響可以忽略不計，在發(fā)電機禁止和停用等情況下都能起到一定的保護作用，具有高靈敏度。不過，該技術(shù)對電源的性能和可靠性要求很高，現(xiàn)場調(diào)試較為復(fù)雜，且其靈敏度會受外加電源內(nèi)阻大小和中性點接地方式的影響。

3.3 小波變換定子單相接地繼電保護技術(shù)

該技術(shù)的靈敏度較高，能檢測出發(fā)電機零序電流的突變點，利用故障點小波變換模極大值的大小、位置、符號等能有效分辨出發(fā)電機內(nèi)外部接地故障。在忽略噪聲對技術(shù)效應(yīng)的影響時，利用該技術(shù)檢測發(fā)電機接地故障可以通過以下幾點實現(xiàn)：檢測到發(fā)電機機端零序電流的小波變換模的最大值和其他發(fā)電機機端零序電流的小波變換模的最大值符號不同，位置相同數(shù)值更大時，就可以判定該發(fā)電機存在內(nèi)部單相接地故障；檢測到發(fā)電機端零序電流的小波變換模的最大值和其他發(fā)電機機端零序電流的小波變換模的最大值符號和位置都一致時，可以判定該發(fā)電機存在外部接地故障。但是，該技術(shù)比較容易受噪音干擾，且一旦受到噪音干擾的話，其檢測結(jié)果的精準(zhǔn)度和保護的效能會大打折扣。

4 結(jié)語

總之，水輪發(fā)電機定子單相接地的繼電保護技術(shù)隨著社會的發(fā)展和技術(shù)的進步，不斷豐富?；阈螂娫幢Ｗo技術(shù)操作簡單，但無法完整保護定子接地，三次諧波保護與基波零序相配合，但也存在很多問題，改進難度較大。外界電源式保護技術(shù)的可靠性和靈敏度均較高，具有廣泛的應(yīng)用前景。

［1］黨曉強，劉俊勇，劉繼春，等.水輪發(fā)電機定子接地的行波電流差動保護與故障選相［J］.中國電機工程學(xué)報，2008（7）

［2］方杰，繆偉，高偉.新型小電流接地故障選線設(shè)備的研制與應(yīng)用［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2014（9）