注入式定子接地保護(hù)原理介紹及動(dòng)作實(shí)例分析

摘 要：介紹發(fā)電機(jī)定子接地的危害及注入式定子接地保護(hù)原理，列舉一發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作實(shí)例并分析動(dòng)作原因。

關(guān)鍵詞：定子接地保護(hù)；危害；原理；動(dòng)作實(shí)例；分析

本文介紹了發(fā)電機(jī)定子接地的危害，同時(shí)介紹了注入式發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)，列舉出一發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作實(shí)例，并分析其動(dòng)作原因。

1 發(fā)電機(jī)定子接地的危害

當(dāng)發(fā)電機(jī)定子繞組與鐵芯間的絕緣損壞將引起定子繞組的單相接地短路。如果發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)是絕緣不接地的，此時(shí)接地點(diǎn)的接地電流是發(fā)電機(jī)電壓系統(tǒng)的電容電流。該電流較大時(shí)非但燒傷定子繞組的絕緣還會(huì)燒損鐵芯，還會(huì)將多層鐵芯疊片燒接在一起在故障點(diǎn)形成渦流，使鐵芯進(jìn)一步加速熔化導(dǎo)致鐵芯嚴(yán)重?fù)p傷。

為了確保發(fā)電機(jī)的安全應(yīng)不使發(fā)電機(jī)的單相接地短路發(fā)展成相間短路或匝間短路，因此應(yīng)該使單相接地故障處不產(chǎn)生電弧或者使接地電弧瞬間熄滅。這個(gè)不產(chǎn)生電弧的最大接地電流被定義為發(fā)電機(jī)單相接地的安全電流。該電流與發(fā)電機(jī)的額定電壓有關(guān)。目前發(fā)電機(jī)單相接地的安全電流如無制造廠提供的規(guī)定值可以下表所列數(shù)據(jù)作為參考。18及以上1

我國發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式主要有3種：不接地（含經(jīng)單相電壓互感器接地）、經(jīng)消弧線圈（欠補(bǔ)償）接地、經(jīng)配電變壓器高阻接地。在發(fā)電機(jī)單相接地故障時(shí)，不同的中性點(diǎn)接地方式，將有不同的接地故障電流和動(dòng)態(tài)過電壓。當(dāng)機(jī)端單相金屬性接地電容電流Ic小于允許值時(shí)，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)可不接地，單相接地保護(hù)可帶時(shí)限動(dòng)作于信號；當(dāng)Ic大于允許值時(shí)，宜以消弧線圈（欠補(bǔ)償）接地，補(bǔ)償后的殘余電流（容性）小于允許值時(shí)，保護(hù)可帶時(shí)限動(dòng)作于信號；當(dāng)消弧線圈退出運(yùn)行或由于其他原因使殘余電流大于允許值時(shí)，保護(hù)應(yīng)帶時(shí)限動(dòng)作于停機(jī)。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)配電變壓器高阻接地時(shí)，接地故障電流大于電容電流。當(dāng)故障電流大于允許值時(shí)，保護(hù)應(yīng)帶時(shí)限動(dòng)作于停機(jī)；當(dāng)故障電流小于允許值時(shí)，保護(hù)可帶時(shí)限動(dòng)作于信號。

2 發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)原理介紹

基波零序電壓保護(hù)發(fā)電機(jī)85%～95%的定子繞組單相接地，在中性點(diǎn)附近發(fā)生接地故障，保護(hù)有死區(qū)?；阈螂妷罕Ｗo(hù)設(shè)兩段定值，一段為靈敏段，另一段為高定值段。

因此規(guī)程規(guī)定對容量小于100MW的發(fā)電機(jī)變壓器組中的發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)中可只裝設(shè)保護(hù)范圍不小于90%的基波零序過電壓保護(hù)。但對100MW容量及以上的發(fā)電機(jī)，應(yīng)裝設(shè)無動(dòng)作死區(qū)（100%動(dòng)作區(qū)）的定子繞組單相接地保護(hù)。一般采用基波零序過電壓保護(hù)與三次諧波電壓保護(hù)共同組成的100%單相接地保護(hù)。三次諧波電壓定子接地保護(hù)對于中性點(diǎn)附近的單相接地短路有很高的靈敏度，它與基波零序過電壓保護(hù)正好有互補(bǔ)性。所以可用這兩個(gè)保護(hù)聯(lián)合構(gòu)成100%的定子繞組接地短路保護(hù)。

注入式發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)：

（1）發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)三相定子繞組對地是絕緣的，而在定子繞組發(fā)生接地短路時(shí)這種對地絕緣性能被破壞，所以如果在定子繞組與大地之間加入一個(gè)非50Hz的另一個(gè)頻率的電源，那么定子繞組接地時(shí)，該電源回路就經(jīng)過大地流過一個(gè)該頻率的故障電流。

利用該電流增大后該頻率的電壓和電流的比值（該比值正比于接地電阻的大?。┑慕档偷奶卣骺梢詷?gòu)成相應(yīng)的保護(hù)，來檢測定子繞組的接地故障。這種保護(hù)稱作接地電阻定子接地保護(hù)，從原理上講在理想情況下其靈敏度與接地故障在定子繞組上的位置無關(guān)，所以可構(gòu)成100%的定子接地故障保護(hù)。而且在發(fā)電機(jī)開機(jī)之前本保護(hù)就可檢測出定子接地故障。

圖中為從中性點(diǎn)接地變壓器l、n接入20Hz電源。

（2）接地電阻定子接地判據(jù)。接地電阻判據(jù)與定子繞組的接地點(diǎn)無關(guān)，可以反映發(fā)電機(jī)100%的定子繞組單相接地。

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，設(shè)有兩段接地電阻定值，高定值段作用于報(bào)警，低定值段作用于延時(shí)跳閘，延時(shí)可分別整定。其動(dòng)作方程為：

RE

報(bào)警判據(jù)為：

RE

式中RE為發(fā)電機(jī)定子繞組接地電阻，REsetH和REsetL分別為發(fā)電機(jī)定子繞組接地電阻的高、低定值。

（3）接地電流定子接地判據(jù)?？紤]到當(dāng)接地點(diǎn)靠近發(fā)電機(jī)機(jī)端時(shí)，檢測量中的基波分量會(huì)明顯增加，導(dǎo)致檢測量中低頻故障分量的檢測靈敏度受到影響。為了提高此種情況下保護(hù)的靈敏度，增設(shè)接地電流輔助判據(jù)。接地電流判據(jù)能夠反映距發(fā)電機(jī)機(jī)端80～90%的定子繞組單相接地，而且接地點(diǎn)越靠近發(fā)電機(jī)機(jī)端其靈敏度越高，因此能夠很好的與接地電阻判據(jù)構(gòu)成高靈敏的100%定子接地保護(hù)方案。

接地電流判據(jù)反應(yīng)發(fā)電機(jī)定子接地電流的大小，其動(dòng)作方程為：

IE>IEset

式中IE為發(fā)電機(jī)定子接地電流（不經(jīng)數(shù)字濾波），IEset為接地電流定值。

3 發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作實(shí)例分析

3.1 哈密電廠基本情況

哈密電廠汽輪發(fā)電機(jī)廠家為東方電機(jī)有限公司，型號為QFSN-660-2-22B，額定容量為733MVA，額定功率為660MW，額定定子電壓為22kV，額定定子電流19245A，額定功率因數(shù)0.9，額定轉(zhuǎn)速3000r/min。升壓站采用3/2接線方式，送出電壓為500kV，發(fā)電機(jī)定子中性點(diǎn)經(jīng)變壓器接地。

3.2 保護(hù)配置情況

哈密電廠單機(jī)配置兩套發(fā)變組保護(hù)，裝置廠家均為南京南瑞繼保電氣有限公司，型號為PCS-985B，發(fā)變組保護(hù)A柜發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)為100%定子接地保護(hù)，即基波加三次諧波構(gòu)成的定子接地保護(hù)，發(fā)變組保護(hù)B柜發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)為注入式定子接地保護(hù)。

3.3 動(dòng)作實(shí)例分析

（1）2015年9月10日16：44：50，1號機(jī)組運(yùn)行參數(shù)平穩(wěn)，負(fù)荷336MW，定子水導(dǎo)電度瞬間升至11.1us/cm（量程11 us/cm），16：47：21，1號機(jī)組發(fā)變組保護(hù)B柜注入式定子接地保護(hù)動(dòng)作跳閘。

（2）機(jī)組跳閘后相關(guān)專業(yè)人員迅速進(jìn)行了相關(guān)檢查工作。電氣二次專業(yè)人員檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)變組保護(hù)B柜定子接地保護(hù)動(dòng)作跳閘，發(fā)變組保護(hù)A柜未啟動(dòng)。

（3）檢查發(fā)變組保護(hù)B柜：16：47：20：891，保護(hù)啟動(dòng)；999ms，定子接地電阻判據(jù)滿足，發(fā)變組全停，機(jī)組故障錄波器正常啟動(dòng)錄波。機(jī)組跳閘時(shí)故障錄波器錄波圖中發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓A相60.29V，B相55.52V，C相59.35V，機(jī)端3U0為4.99V。

（4）注入式定子接地保護(hù)定值為：10 kΩ，延時(shí)3s報(bào)警，3 kΩ，延時(shí)1s跳閘。

（5）在做好相應(yīng)措施后，對發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻柜內(nèi)注入式定子接地保護(hù)專用CT二次電纜進(jìn)行絕緣測試，阻值為550MΩ，正常。

（6）恢復(fù)相應(yīng)措施后，從發(fā)變組保護(hù)裝置內(nèi)部查看接地電阻值為30 kΩ，恢復(fù)正常。

（7）用電阻進(jìn)行定子接地模擬，當(dāng)阻值為4kΩ時(shí)，發(fā)變組保護(hù)裝置B柜定子接地報(bào)警；當(dāng)阻值為2.5 kΩ時(shí)，發(fā)變組保護(hù)裝置B柜定子接地跳閘，說明保護(hù)裝置注入式定子接地保護(hù)功能正常。

（8）從保護(hù)裝置錄波圖分析，保護(hù)裝置啟動(dòng)時(shí)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓A相59.65V，B相54.96V，C相59.91V，機(jī)端3U0為5.54V，測量電阻一次值為2.99kΩ，跳閘時(shí)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓A相60.38V，B相54.88V，C相59.25V，機(jī)端3U0為5.73V，測量電阻一次值為2.22kΩ，與機(jī)組故障錄波器查得數(shù)值相近，且波形相近。

（9）綜上可以判斷，發(fā)變組保護(hù)B柜保護(hù)裝置正常，注入式定子接地保護(hù)動(dòng)作正確。發(fā)變組A柜保護(hù)裝置未啟動(dòng)，是因?yàn)楫?dāng)時(shí)電壓未到定值，所以發(fā)變組保護(hù)A柜保護(hù)裝置未啟動(dòng)。

（10）檢查發(fā)電機(jī)出口PT，試驗(yàn)正常。

（11）測量發(fā)電機(jī)定子絕緣（帶主變、高廠變）15秒絕緣值7.64GΩ，60秒絕緣值10.06GΩ，水搖表故障。

（12）檢查測試接線后繼續(xù)測量，水搖表顯示絕緣值紊亂，100MΩ至2GΩ之間無規(guī)律跳動(dòng)，停止測試。

（13）化驗(yàn)發(fā)電機(jī)定子水導(dǎo)電度16.4us/cm，對系統(tǒng)進(jìn)行充排，導(dǎo)電度逐漸降至0.8us/cm，15秒絕緣值220MΩ，60秒絕緣值331MΩ，10分鐘絕緣值495MΩ。

（14）判斷定子水導(dǎo)電度突然升高是發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作的直接原因。

（15）進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，離子交換器回水至定子水箱入口管的加堿裝置異常，加堿泵連續(xù)運(yùn)行。本裝置自動(dòng)控制發(fā)電機(jī)定子入口水導(dǎo)電度0.5us/cm-0.7us/cm，當(dāng)定子入口水導(dǎo)電度≥0.7us/cm加堿泵自動(dòng)停運(yùn)，定子入口水導(dǎo)電度≤0.5us/cm加堿泵自動(dòng)投運(yùn)。運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電度異常后定子入口水導(dǎo)電度一值在0.765us/cm，而加堿泵連續(xù)運(yùn)行，是造成定子水系統(tǒng)過度加堿液的直接原因。由于管道內(nèi)積存高濃度堿水，在投入離子交換器時(shí)大量濃堿水突然進(jìn)入定子水箱底部，是造成定子水泵出口導(dǎo)電度急劇升高的直接原因，最終導(dǎo)致發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作跳閘。所以，機(jī)組運(yùn)行過程中應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)視并控制發(fā)電機(jī)定子水的導(dǎo)電度在合格范圍內(nèi)。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：神華國能天津大港發(fā)電廠）