低頻三次諧波電壓對注入式定子接地保護(hù)的影響及防誤措施

蔡朝輝，賀儒飛

（廣州蓄能水電廠，廣東 廣州 510000）

低頻三次諧波電壓對注入式定子接地保護(hù)的影響及防誤措施

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(hù)在電氣制動過程發(fā)生誤動的現(xiàn)象，深入分析了發(fā)電機(jī)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(hù)算法的影響，并研究導(dǎo)致保護(hù)誤動的動作條件。同時提出了優(yōu)化保護(hù)邏輯的解決方法，能夠有效防止保護(hù)誤動，提高保護(hù)的可靠性，為發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)的設(shè)計和運行維護(hù)提供了有力參考。

發(fā)電機(jī)；定子接地保護(hù)；保護(hù)誤動；三次諧波電壓；注入式

1 引言

注入式定子接地保護(hù)與發(fā)電機(jī)繞組的接地故障位置無關(guān)，能夠反映整個定子繞組的絕緣水平，在大型發(fā)電機(jī)接地保護(hù)中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。自其投入應(yīng)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(hù)靈敏度的影響，機(jī)組20Hz附近頻段運行對保護(hù)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(jī)中性點三次諧波電壓對注入式定子接地保護(hù)影響的新問題，談到三次諧波電壓，往往關(guān)注的是利用其構(gòu)成的另一種原理的100%定子接地保護(hù)，不會關(guān)聯(lián)到注入式定子接地保護(hù)。本文通過對廣蓄電廠注入式定子接地保護(hù)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(hù)的現(xiàn)象，并深入研究其動作機(jī)理，提出了防誤措施。

2 注入式定子接地保護(hù)原理

注入式定子接地保護(hù)是在發(fā)電機(jī)定子回路與大地間外加一個電源信號，保護(hù)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2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(jī)靜止、啟動、停止和運行過程中均起保護(hù)作用，更重要的是這種保護(hù)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]。經(jīng)發(fā)電機(jī)中性點變壓器注入20Hz電源型的定子接地保護(hù)原理（以廣蓄電廠為例）如圖1所示。

圖1 注入式定子接地保護(hù)原理圖

20Hz外加電源經(jīng)濾波器加于配電變壓器的二次側(cè)，通過變壓器變換到定子回路。正常運行時發(fā)電機(jī)三相對地只有很小的電容電流。當(dāng)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(hù)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，可以反映發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障，使保護(hù)動作。

3 廣蓄電廠注入式定子接地保護(hù)誤動實例

廣蓄電廠發(fā)電機(jī)注入式定子接地保護(hù)采用Siemens的20Hz電源發(fā)生裝置7XT33和濾波裝置7XT34，機(jī)組保護(hù)采用施耐德保護(hù)裝置P345，設(shè)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(hù)動作錄波圖

電阻比率RFzctor：

I64S超前U64S角度：

電阻性電流I'64S：

保護(hù)計算電阻值Rsec：

一次側(cè)電阻值RPir：

RPir阻值低于1kΩ，延時0.5s保護(hù)動作。從錄波圖和計算結(jié)果懷疑是電氣制動過程中，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(hù)采樣回路，干擾保護(hù)裝置采樣，導(dǎo)致保護(hù)誤動。

4 低頻三次諧波電壓對注入式定子接地保護(hù)影響分析

4.1 機(jī)組正常運行過程

注入式定子接地保護(hù)等效電路[7-9]如圖3所示，均折算到變壓器二次側(cè)。

接地變壓器副邊電阻：Rn=1.15Ω；

圖3 注入式定子接地保護(hù)等效電路圖

廣蓄電廠300MW、18kV機(jī)組正常運行時保護(hù)采樣值如表1所示：

可見正常運行時，U64S、I64S計算值與保護(hù)裝置實際采樣值基本相符。

4.2 機(jī)組電氣制動過程

由于發(fā)電機(jī)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(yīng)諧波電壓，主要含有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(jī)中性點N和機(jī)端S[6]。

電氣制動時發(fā)電機(jī)機(jī)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(jī)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(dāng)機(jī)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(hù)裝置采樣回路。等效電路如圖4所示：

圖4 中性點三次諧波電壓干擾等效電路圖

測量導(dǎo)納Y計算公式[7-10]為：

一次側(cè)電阻RPir及其動作判據(jù)如下：

即Re（Y）>0.433時保護(hù)動作，式中Re（Y）為Y的實部。進(jìn)一步化簡可得動作判據(jù)如下：

從錄波數(shù)據(jù)推算，廣蓄電廠發(fā)電機(jī)電氣制動過程中保護(hù)誤動時對應(yīng)的N3'約1.033∠180°，對照表2知N3'在動作區(qū)內(nèi)，進(jìn)一步驗證以上分析的三次諧波電壓干擾定子接地保護(hù)的算法與實際情況相吻合。

綜上所述，發(fā)電機(jī)電氣制動過程中當(dāng)定子電流頻率變化至1/3注入式電源頻率時，中性點或機(jī)端三次諧波電壓頻率則與注入式電源頻率相等，并通過中性點配電變壓器或機(jī)端電壓互感器疊加到保護(hù)裝置內(nèi)，干擾注入式定子接地保護(hù)采樣，但是只有三次諧波電壓在一定幅值和相角時才會造成保護(hù)誤動，再加上保護(hù)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。

5 注入式定子接地保護(hù)防誤措施

由于注入式定子接地保護(hù)在機(jī)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(jié)合注入式定子接地保護(hù)功能邏輯以及機(jī)組啟停迅速特點，可以從以下兩方面入手。

（1）通過頻率閉鎖防止誤動。如西門子采用10~40Hz閉鎖，阿?，m采用15~25Hz閉鎖，此頻段只是針對機(jī)組運行在20Hz頻段附近時，防止基波對保護(hù)的干擾，但不能避免三次諧波電壓的影響，因此可以將閉鎖頻段改為20%fn~130%fn（fn為注入式電源頻率），躲過三次諧波電壓的影響。

（2）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(jī)組影響不大。另外機(jī)組保護(hù)是雙套配置的，另外一套保護(hù)如95%接地保護(hù)仍能為定子提供接地保護(hù)，所以可以在電氣制動過程將注入式定子接地保護(hù)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(hù)邏輯控制，保護(hù)邏輯如圖5所示。當(dāng)電氣制動刀打開，即機(jī)組不在電氣制動過程時，定子接地保護(hù)動作即能正常出口跳閘；而當(dāng)電氣制動刀合閘，即機(jī)組在電氣制動過程時，閉鎖定子接地保護(hù)動作出口跳閘，有效避免保護(hù)在電氣制動過程誤動。

圖5 注入式定子接地保護(hù)優(yōu)化邏輯圖

6 結(jié)論與建議

發(fā)電機(jī)三次諧波電壓是發(fā)電機(jī)運行時所固有的，其頻率隨基波頻率（即發(fā)電機(jī)運行頻率）變化。電氣制動工況時，機(jī)組運行頻率不斷下降，當(dāng)降至6.67 Hz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(hù)回路中，對其電壓電流采樣造成影響。在特定幅值和相角的三次諧波電壓作用下，將造成保護(hù)誤動。對于經(jīng)機(jī)端電壓互感器注入的定子接地保護(hù)，雖然沒有詳細(xì)討論，但結(jié)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(hù)在電氣制動過程中誤動，提高保護(hù)的可靠性。

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TM862

B

1672-5387（2017）05-0060-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.05.015

2016-01-20

蔡朝輝（1987-），男，助理工程師，從事抽水蓄能電廠電氣二次技術(shù)工作。