低頻三次諧波電壓對注入式定子接地保護的影響

蔡朝輝，賀儒飛

(廣州蓄能水電廠，廣東 廣州 510000)

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低頻三次諧波電壓對注入式定子接地保護的影響

蔡朝輝，賀儒飛

(廣州蓄能水電廠，廣東 廣州 510000)

根據(jù)廣州蓄能水電廠注入式定子接地保護在電氣制動過程發(fā)生誤動的現(xiàn)象，分析了發(fā)電機電氣制動工況下，定子中性點三次諧波電壓對注入式定子接地保護算法的影響，并研究導致保護誤動的動作條件。同時，提出了優(yōu)化保護邏輯的解決方法，以防止保護誤動，提高保護的可靠性。

發(fā)電機；定子接地保護；三次諧波電壓；注入式；保護誤動

注入式定子接地保護與發(fā)電機繞組的接地故障位置無關，能夠反映整個定子繞組的絕緣水平，在大型發(fā)電機接地保護中得到廣泛應用[1-3]。自其投入應用以來，曾發(fā)生過一些問題，如注入電源頻率、內(nèi)阻改變對保護靈敏度的影響，機組在20Hz附近頻段運行對保護的干擾[1，3-4]等，這些問題現(xiàn)已得到有效解決。本文要探討的是發(fā)電機中性點三次諧波電壓對注入式接地保護造成影響的新問題，提到三次諧波電壓，往往關注的是利用其構成另一種原理的100%定子接地保護，不會關聯(lián)到注入式定子接地保護。本文通過廣州蓄能水電廠注入式定子接地保護在電氣制動過程中誤動原因的分析，發(fā)現(xiàn)了低頻三次諧波電壓影響注入式定子接地保護的現(xiàn)象，并研究其動作機理，提出了防誤措施。

1　注入式定子接地保護原理

注入式定子接地保護是在發(fā)電機定子回路與大地間外加一個電源信號，保護類型可分為外加直流型、外加12.5Hz交流電源型、外加20Hz交流電源型和外加二次諧波分量型。因為電源信號是外加的，不受接地位置影響，且在發(fā)電機靜止、啟動、停止和運行過程中均起保護作用，更重要的是這種保護方式對定子繞組各處故障檢測的靈敏度相同，可以實時監(jiān)測定子絕緣，優(yōu)點非常突出[2，5]。以廣州蓄能水電廠為例，經(jīng)發(fā)電機中性點變壓器注入20Hz電源型的定子接地保護原理如圖1所示。

n為接地變壓器變比，；400/5為電流互感器變比；500/200為電阻式電壓互感器變比；Rn為接地變壓器二次側電阻，Rn=1.15 Ω；U64s為定子接地保護裝置電壓采樣值；I64s為定子接地保護裝置電流采樣值；P345為施耐德保護裝置。圖1　注入式定子接地保護原理

20Hz外加電源經(jīng)濾波器加于配電變壓器的二次側，通過變壓器變換到定子回路。正常運行時發(fā)電機三相對地只有很小的電容電流。當定子繞組發(fā)生接地故障時，零序阻抗大大減小，外加電源產(chǎn)生較大的20Hz零序電流，保護裝置檢測注入的低頻電壓、電流，計算出接地故障的過渡電阻值，可以反應發(fā)電機定子繞組單相接地故障，使保護動作。

2　廣州蓄能水電廠注入式定子接地保護誤動實例

廣州蓄能水電廠發(fā)電機注入式定子接地保護采用Siemens的20Hz電源發(fā)生裝置7XT33和濾波裝置7XT34，機組保護采用施耐德保護裝置P345，設定兩段接地電阻值，高定值段5kΩ延時5.0s作用于報警，低定值段1kΩ延時0.5s作用于跳閘。

圖2　注入式定子接地保護動作錄波

發(fā)電機電氣制動過程中曾出現(xiàn)定子接地保護誤動導致機組跳閘，保護動作錄波如圖2所示。

當定子電流頻率降低至約6.68Hz時，機端定子三相電壓幅值、相位相等，可判斷為三次諧波電壓，且頻率與注入式電源頻率一致，均為20Hz，其對應的波長為50ms。保護裝置電壓采樣值U64s降低至0.796V，電流采樣值I64s增大至15mA，I64s超前U64s波長約6.236ms。保護誤動時發(fā)電機定子接地電阻值的計算如式(1)至(5)所示，其中Rpri為接地故障過渡電阻一次值，Rsec為保護裝置計算電阻值。

保護裝置電阻比率

(1)

I64s超前U64s相位

(2)

電阻性電流

(3)

保護裝置計算電阻值

(4)

接地故障過渡電阻一次值

(5)

Rpri小于1 kΩ，延時0.5 s保護動作。根據(jù)錄波圖和計算結果分析，可能是電氣制動過程中，頻率為20 Hz的三次諧波電壓通過配電變壓器疊加到注入式定子接地保護采樣回路，干擾保護裝置采樣，導致保護誤動。

3　低頻三次諧波電壓對注入式定子接地保護影響分析

3.1機組正常運行過程

注入式定子接地保護等效電路[6-8]如圖3所示，均折算到變壓器二次側。

R′pri為定子單相接地故障過渡電阻，；X′C為發(fā)電機對地容抗，X′C=7.16 Ω；Ri為外加20 Hz電源內(nèi)阻，Ri=8 Ω；i為外加20 Hz電源電動勢，i=25 V∠0°；64sp分別為接地變壓器二次側的電壓和電流；分別為折算到保護裝置中的值；330 Ω、660 Ω、660 Ω三個電阻用于將以500/200倍率轉(zhuǎn)換為保護裝置采樣值(參見西門子20 Hz濾波器7XT34說明書)，因其電阻值遠大于Rn，在實際計算時可忽略不計。圖3　注入式定子接地保護等效電路

(6)

(7)

廣州蓄能水電廠300MW、18kV機組正常運行時保護采樣值見表1。

表1廣州蓄能水電廠注入式定子接地保護正常采樣值

機組編號U·64s/VI·64s/mARpri/kΩθ/(°)11.284.838.884.721.356.826.884.531.164.387.687.741.134.636.495.2

3.2機組電氣制動過程

由于發(fā)電機氣隙中的主磁場非正弦分布，利用傅立葉級數(shù)可將非正弦磁場分解為基波和一系列諧波，諧波磁場將在定子繞組中感應諧波電壓，主要含有幅值為額定電壓千分之幾到百分之十的三次諧波電壓，并可以等效看作集中在發(fā)電機中性點N和機端S[9]。

電氣制動時發(fā)電機機端三相短路，定子三相基波電壓為零，只存在三次諧波電壓，頻率為電流頻率三倍。從錄波圖已知機端確實存在三次諧波電壓，可推斷中性點也必然存在三次諧波電壓。

當機組轉(zhuǎn)速下降至定子電流頻率為6.67Hz時，中性點三次諧波電壓頻率為20Hz。此三次諧波電壓通過配電變壓器疊加到保護裝置采樣回路，等效電路如圖4所示。

′N3為中性點三次諧波電壓；′64sp分別為在′N3單獨作用下產(chǎn)生的干擾電壓和電流；330 Ω、660 Ω、660 Ω三個電阻用于將′64sp以500/200倍率轉(zhuǎn)換為保護裝置采樣值(參見西門子20 Hz濾波器7XT34說明書)，因其電阻值遠大于Rn，在實際計算時可忽略不計。圖4　中性點三次諧波電壓干擾等效電路

(10)

(11)

(12)

測量導納[6-8，10]

(14)

接地故障過渡電阻一次值Rpri及其動作判據(jù)如下：

(15)

即Re(Y)>0.433時保護動作，其中Re(Y)為Y的實部。

進一步化簡可得動作判據(jù)如下：

(16)

(17)

表2導致保護動作三次諧波電壓取值范圍

α導致保護動作的U'N3取值范圍0°～130°U'N3取任意值,保護均不動作140°1.240V

綜上所述，發(fā)電機電氣制動過程中，當定子電流頻率變化至三分之一注入式電源頻率時，中性點或機端三次諧波電壓頻率與注入式電源頻率相等，并通過中性點配電變壓器或機端電壓互感器疊加到保護測量回路中，干擾定子接地保護裝置采樣。但是只有三次諧波電壓在一定幅值和相位時，才會造成保護誤動，再加上保護出口有0.5s的延時，故此誤動現(xiàn)象在實際運行過程中并不多見，沒有引起足夠的重視。

4　注入式定子接地保護防誤措施

由于注入式定子接地保護在機組電氣制動過程容易受干擾發(fā)生誤動，因此必須考慮有針對性的防誤措施。結合注入式定子接地保護功能邏輯以及機組啟停迅速的特點，可以從以下兩方面入手。

a)通過頻率閉鎖防止誤動。如對于頻率為20Hz的注入式電源，西門子采用10～40Hz頻段閉鎖，阿?，m采用15～25Hz頻段閉鎖，此頻段只是針對機組運行在20Hz附近時，防止低頻基波對保護的干擾，但不能避免低頻三次諧波電壓的影響。因此可以將閉鎖頻段設為20%fn～130%fn(fn為注入式電源頻率，例如fn為20Hz時，閉鎖頻段為4～26Hz)，即能躲過低頻基波的干擾，又能躲過低頻三次諧波電壓的影響。

b)通過外部條件實現(xiàn)閉鎖。電氣制動過程均只有幾分鐘時間，在短時間內(nèi)發(fā)生定子接地故障可能性極小，且接地故障對機組影響不大。另外機組保護是雙套配置的，另外一套保護如95% 接地保護仍能為定子提供接地保護，所以可以在電氣制動過程將注入式定子接地保護跳閘出口閉鎖。利用電氣制動刀閘位置接點作為外部條件參與保護邏輯控制，保護邏輯如圖5所示。當電氣制動刀打開，即機組不在電氣制動過程時，定子接地保護動作即能正常出口跳閘；而當電氣制動刀合閘，即機組在電氣制動過程時，閉鎖定子接地保護動作出口跳閘，有效避免保護在電氣制動過程誤動。

圖5　注入式定子接地保護優(yōu)化邏輯

5　結論與建議

發(fā)電機三次諧波電壓是發(fā)電機運行時所固有的，其頻率隨基波頻率(即發(fā)電機運行頻率)變化。電氣制動工況時，機組運行頻率不斷下降，當降至6.67Hz附近時，由于三次諧波電壓頻率為20Hz，恰好與注入源頻率相等，三次諧波電壓通過配電變壓器疊加到注入式定子接地保護回路中，對其電壓電流采樣造成影響。在特定幅值和相位的三次諧波電壓作用下，將造成接地保護誤動。對于經(jīng)機端互感器注入的定子接地保護，雖然沒有詳細討論，但結論同樣適用。

以往廠家采取的頻率閉鎖措施并不能避免低頻三次諧波電壓的影響，建議采用外部刀閘位置信號閉鎖邏輯，簡單實用，能有效避免保護在電氣制動過程中誤動，提高保護的可靠性。

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(編輯彭艷)

Influence of Low-frequency Third Harmonic Voltage on InjectionStatorEarthingFaultProtection

CAI Zhaohui, HE Rufei

(GuangzhouPumpedStoragePowerStation,Guangzhou,Guangdong510000,China)

AccordingtomisoperationofinjectionstatoreartchingfaultprotectionintheprocessofelectricbrakinginGuangzhoupumpedstoragepowerstation,thispaperanalyzesinfluenceofthethirdharmonicvoltageofstatorneutralpointonalgorithmforinjectionstatorearthingfaultprotectionundertheworkingconditionofgeneratorelectricbraking.Italsostudiesactionconditionscausingprotectionmisoperation.Meanwhile,itpresentssolutionstooptimizeprotectionlogicsoastopreventprotectionmisoperationandimproveprotectionreliability.

generator;statorearthingfaultprotection;thirdharmonicvoltage;injection;protectionmisopeartion

2016-03-09

2016-05-24

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.08.010

TM71；TM77

A

1007-290X(2016)08-0051-05

蔡朝輝(1987)，男，廣東廣州人。助理工程師，工學學士，主要從事抽水蓄能電廠電氣二次技術工作。

賀儒飛(1977)，男，重慶人。高級工程師，工學學士，主要從事抽水蓄能電廠電氣二次技術工作。