基于柔性光學互感器的選擇性定子接地保護研究及應用

李華忠，童 松，王 耀，徐 金，張琦雪，王 光，陳 俊，3

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇省南京市 2111021；2.國電大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川省漢源縣 625304；3.東南大學電氣工程學院，江蘇省南京市 210096）

0 引言

定子繞組單相接地是發(fā)電機常見的電氣故障之一，目前常用的定子接地保護原理包括基波零序電壓原理、基波零序電流原理、三次諧波電壓原理和注入式原理[1]，均已在現(xiàn)場得到成熟應用。但上述原理對于擴大單元接線方式的發(fā)電機組，均存在無選擇性或選擇性差的問題，即任一臺發(fā)電機發(fā)生定子接地故障時，所有并列運行的發(fā)電機定子接地保護均將動作，存在事故范圍擴大、無法及時故障定位、排查故障耗時長等問題。

針對上述問題，文獻[2-3]提出了基于零序方向元件的定子接地保護原理，并在機端電纜出線方式機組上得到了很好應用。但根據(jù)現(xiàn)場多年實踐經(jīng)驗，用于測量發(fā)電機機端基波零序電流的穿心型電磁式電流互感器（CT）存在以下問題：①電磁式CT選型難。對于擴大單元接線發(fā)電機一次額定電流值一般為幾百至幾千安培，而接地零序電流一次值往往小于十安培，需在大負載電流中識別小零序電流，對于常規(guī)電磁式CT具有很大挑戰(zhàn)，存在CT繞組匝數(shù)少、漏磁通大、精度差等問題。②當機端三相導體不規(guī)則排布時，如三相銅排平行出線，保護裝置會檢測到由導體空間磁場不對稱引起的“虛假”零序電流[2]，該電流越大對保護性能影響越大。③對安裝空間要求高。當機端安裝空間較小，如機端為三相共相封閉母線時，或機端出線相間間距較大，如四川深溪溝電站機端銅排AC相間距離60cm，均存在難以或無法安裝常規(guī)電磁式CT的問題。上述問題均限制了選擇性定子接地保護推廣及應用，亟待解決。

本文提出基于柔性光學CT的選擇性定子接地保護方案，分析定子區(qū)內(nèi)、區(qū)外接地故障時電氣量特征，形成定子基波零序方向保護判據(jù)，并總結了保護關鍵技術點。經(jīng)靜態(tài)與現(xiàn)場模擬試驗驗證，該方法能準確測量零序小電流，不易受三相導體不規(guī)則排布影響，解決傳統(tǒng)電磁式CT難以測量零序小電流、對安裝空間要求高等問題。

1 基于柔性光學CT的保護原理

1.1 保護方案

將柔性光學CT制成一次傳感光纜形式，繞制在發(fā)電機機端三相導體外，測量發(fā)電機機端零序電流，采集單元將光信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后送至保護裝置，與保護裝置采集的機端零序電壓構成零序方向元件，實現(xiàn)選擇性定子接地保護，如圖1，“兩機一變”擴大單元接線下基于柔性光學CT的選擇性定子接地保護示意圖。

柔性全光纖電流互感器（FOCT）[4-6]采用光導纖維感應被測電流信息，一次傳感部分（環(huán)）由光纖組成，具有絕緣簡單可靠、體積小、重量輕、無磁飽和、暫態(tài)特性好、動態(tài)范圍大、頻率響應寬等特點。另外，由于一次傳感環(huán)可根據(jù)導體空間位置、形狀等特點，任意彎曲，且支持現(xiàn)場繞制，能夠在狹小空間實現(xiàn)安裝，具有安裝和維護方便等優(yōu)點。

圖1 基于柔性光學CT的選擇性定子接地保護示意圖Figure 1 Diagram of selective stator-grounding protection based on FOCT

1.2 定子接地故障電氣量特征分析

以上述保護方案為例，分析擴大單元接線發(fā)電機定子區(qū)內(nèi)、區(qū)外單相接地故障時電氣量特征[1]。其中，區(qū)內(nèi)、區(qū)外接地故障以柔性光學CT安裝處為邊界點。

為便于分析，假設每臺發(fā)電機的容量、定子繞組對地電容、機端電纜對地電容、接地變壓器的變比及其二次負載電阻值均相同，發(fā)電機定子繞組每相對地電容為Cg，機端電纜或銅排每相對地電容為Cl（含并接在機端斷路器兩側抑制過電壓的電容），母線每相對地等效電容為CB，忽略主變低壓側等其他設備對地電容，接地變二次負載電阻為Rn，接地變壓器變比為N，接地變壓器二次負載電阻折算到一次側的阻值為RN=N2·Rn。

1.2.1 發(fā)電機定子區(qū)內(nèi)單相接地故障

假設圖1中G1發(fā)電機發(fā)生定子區(qū)內(nèi)單相接地故障，接地故障點位于定子繞組A相距中性點α處，接地過渡電阻為Rf，定子繞組的對地電容分布均等效地以各0.5Cg集中于發(fā)電機機端和中性點，其零序等值電路如圖2所示，分析過程中，忽略了接地變壓器的漏阻抗和勵磁阻抗，所有電流、電壓均為工頻分量一次值。

圖2 G1發(fā)電機區(qū)內(nèi)定子單相接地故障時的零序等值電路Figure 2 Zero-sequence equivalent circuit for stator singlephase ground fault in generator interior

（1）只有一臺發(fā)電機并網(wǎng)運行（QF1處于合閘狀態(tài)，QF2處于斷開狀態(tài)），發(fā)電機定子區(qū)內(nèi)單相接地故障時，機端零序電流表達式為：

由式（1）可知，此時零序電流超前零序電壓90°。

（2）兩臺發(fā)電機均并網(wǎng)運行（QF1和QF2均處于合閘狀態(tài)），G1發(fā)電機定子區(qū)內(nèi)單相接地故障時，機端零序電流表達式為：

由式（2）結合接地變壓器二次負載電阻的設計原則[1]可知，此時發(fā)電機區(qū)內(nèi)單相接地故障，零序電流超前零序電壓45°。

1.2.2 發(fā)電機定子區(qū)外單相接地故障

當G1發(fā)電機定子區(qū)外單相接地故障，如故障點在機端母線或G2發(fā)電機內(nèi)部，其零序等值電路如圖3所示。

圖3 G1發(fā)電機區(qū)外定子單相接地故障時的零序等值電路Figure 3 Zero-sequence equivalent circuit for stator single-phase ground fault outside generator area

由圖3可得G1發(fā)電機定子區(qū)外單相接地故障時，流過G1發(fā)電機機端零序電流的表達式為：

由式（3）可知，此時發(fā)電機定子區(qū)外單相接地故障時，零序電流滯后零序電壓135°。

1.2.3 小結

當發(fā)電機定子區(qū)內(nèi)單相接地故障時，零序電流超前零序電壓，角度在（0°～90°）；當發(fā)電機定子區(qū)外單相接地故障時，零序電流滯后零序電壓，角度在（90°～180°）。因此可采用機端零序電流與零序電壓的相角差用于區(qū)分定子區(qū)內(nèi)或區(qū)外接地故障。對于“三機一變”機組也可采用類似分析方法，不再贅述。

1.3 選擇性定子接地保護判據(jù)

根據(jù)上述定子單相接地故障電氣量特征分析，由機端零序電流與零序電壓構成零序方向元件，采用其相角關系用于區(qū)分定子區(qū)內(nèi)、區(qū)外單相接地故障，保護判據(jù)如圖4所示。

圖4 基于柔性光學CT的選擇性定子接地保護邏輯圖Figure 4 Logic of selective stator ground fault protection based on FOCT

其中，θset1、θset2為邊界角度定值，U0為發(fā)電機機端或中性點零序電壓實測值，U0set為零序電壓定值[7-8]。條件1：當機端零序電流與零序電壓的相角差在邊界角度定值范圍內(nèi)時，零序方向元件開放，判為定子區(qū)內(nèi)單相接地故障；條件2：當機端或中性點基波零序電壓測量值大于U0set定值時，定子接地保護啟動。當上述條件1和條件2均滿足時，定子接地保護I時限經(jīng)延時1動作。此外，考慮接地故障點發(fā)生在各發(fā)電機區(qū)外時，如機端母線，零序方向元件均不開放，有必要增加固定不經(jīng)方向閉鎖的定子接地保護II時限，經(jīng)長延時2動作，延時2定值大于延時1定值，時間級差取0.3～1s。

根據(jù)零序方向元件開放條件畫出動作特性圖，如圖5所示。

2 關鍵技術

2.1 全光學CT的小電流采樣技術

柔性全光纖電流互感器基于Faraday磁光效應原理，采用光纖反射式互易干涉等技術實現(xiàn)旋光角大小檢測，進而測量產(chǎn)生磁場的電流大小[9-12]，該技術已在高壓直流輸電系統(tǒng)和電網(wǎng)變電站中得到成熟應用，但其電流測量范圍一般為幾百安培至幾萬安培，而對于一次值僅為（0.5～10）安培的零序小電流測量，至今尚未有成熟應用。

根據(jù)安培環(huán)路定理，法拉第旋光角φ與穿過傳感光纖環(huán)內(nèi)的電流I的關系式為[13]：

式中，V為光學介質(zhì)的Verdet常數(shù)，表示單位磁場產(chǎn)生的旋光角；H為磁場強度；l為光在介質(zhì)中傳播的距離；NL為圍繞通流導體閉合光路的圈數(shù)；I為產(chǎn)生磁場的電流。如式（4）可知，旋光角φ與傳感光纖中通過電流I成正比關系，當電流I很小時，對應旋光角也很小，檢測模塊難以實現(xiàn)準確測量。

考慮旋光角φ與光纖Verdet常數(shù)及光纖環(huán)匝數(shù)成正比關系，在柔性光學CT設計時可通過合理設計Verdet常數(shù)和傳感光纖環(huán)匝數(shù)等環(huán)節(jié)，提高柔性光學CT的小電流測量能力，方法如下：

（1）選擇Verdet常數(shù)相對較大的傳感材料，如采用高雙折射石英光纖。

（2）考慮Verdet常數(shù)與光源波長平方的倒數(shù)成正比[14]，因此可通過降低光源波長方式以增加verdet常數(shù)，將波長從1550nm降至850nm，可有效增加傳感材料的verdet常數(shù)。

（3）適當增加光纖傳感環(huán)匝數(shù)，但需注意隨著光纖環(huán)匝數(shù)和長度增加，光纖中的彎曲和應力也增加，造成光纖中的線性雙折射累積，也會對光學CT測量靈敏度產(chǎn)生不利的影響。

（4）設計帶通濾波器，僅提取工頻附近頻段信號，同時將采樣點進行多點平均后再輸出，以減少數(shù)據(jù)波動。

采用上述措施能使得旋光角信號更加明顯，提高光學CT對小電流測量的能力。但由于光學CT檢測到的信號是旋光角的sin函數(shù)，因此需保證旋光角不超過±90°，否則會超出sin函數(shù)的單調(diào)區(qū)間，造成電流解析錯誤，在設計時需兼顧測量精度和動態(tài)范圍要求。

2.2 線性雙折射抑制技術

根據(jù)理論分析和試驗表明，傳感光纖中存在的雙折射會對柔性光學CT的精度產(chǎn)生較大影響[15-16]。溫度或應力的變化均會引起傳感光纖中的線性雙折射變化，影響柔性光學CT的測量精度。由于發(fā)電機機端柔性光學CT一般安裝在室內(nèi)，溫度相對較好，重點考慮現(xiàn)場繞制時，由傳感光纖彎曲和形變引入的線性雙折射對光纖傳感環(huán)性能產(chǎn)生的不利影響，應采取相應的抑制措施。

本文針對線性雙折射影響采用的抑制方法，選用旋轉(zhuǎn)高雙折射（Spun Hi-bi）光纖[17]，制作時將領結型（Bow-tie）或熊貓型（Panda）等高雙折射光纖預制棒在拉絲的同時進行高速同軸旋轉(zhuǎn)，使光纖的雙折射軸有內(nèi)在的旋轉(zhuǎn)，從而將光纖變成橢圓雙折射光纖，而且需根據(jù)光纖原有的線性雙折射，選擇合適的旋轉(zhuǎn)速率，使得光纖的橢圓偏振本征模接近圓偏振本征模，最終使得光纖對磁場響應與理想圓雙折射相近。旋轉(zhuǎn)高雙折射光纖能兼顧高線性雙折射光纖的偏振保持特性和圓雙折射光纖的測量靈敏度，抑制線性雙折射影響，同時大大提高對小電流信號測量能力。

2.3 數(shù)據(jù)信號同步技術

零序方向元件由光學CT零序電流信號與常規(guī)電壓互感器零序電壓信號構成。由于采集單元采樣頻率為2～8kHz，保護裝置直采常規(guī)電壓互感器信號采樣頻率為1.2kHz，存在采樣速率不同步問題。此外，采集單元與保護裝置間數(shù)據(jù)通信也帶有時延。因此為保證保護裝置采用同一時刻數(shù)據(jù)進行邏輯運算，須對上述信號進行數(shù)據(jù)同步處理。

為保證采樣數(shù)據(jù)的準確性及可靠性，數(shù)據(jù)同步處理基于信號采樣值精準的額定時延，而不依靠外部同步時鐘。對采集單元中光學CT信號進行重采樣，采用插值法將其采樣頻率轉(zhuǎn)換為與保護裝置相同的采樣頻率。確定采集單元數(shù)據(jù)處理時延，以及與保護裝置數(shù)據(jù)通信時延，并將額定時延告知保護裝置，并盡量保證輸出SV報文為等間隔。保護裝置根據(jù)額定時延調(diào)整光CT信號與常規(guī)電壓互感器信號時差，保證為同一時刻數(shù)據(jù)。

另外，要求采樣單元輸出數(shù)據(jù)帶有品質(zhì)標識，當光學CT輸出采樣值無效時，保護裝置則閉鎖零序方向元件判別，同時發(fā)出裝置報警信號。

3 試驗驗證

為驗證柔性光學CT工程應用的可行性，研制了基于柔性光學CT的選擇性定子接地保護系統(tǒng)，分別進行靜態(tài)試驗與現(xiàn)場模擬接地試驗驗證。

3.1 靜態(tài)試驗

搭建靜態(tài)試驗平臺，將“跑道型”柔性光學CT傳感環(huán)繞制在三相平行排布導體外，分別對三相導體進行分散與集中布置，其中分散時AB、BC導體間距均為20cm，集中時AB、BC導體間距均為5cm。如圖6所示，采用繼保測試儀通入不同數(shù)值的電流，相位相差120°，實測零序電流大小，記錄數(shù)據(jù)如表1所示。

圖6 基于柔性光學CT的選擇性定子接地保護靜態(tài)試驗接線圖Figure 6 Static test wiring diagram of selective stator-grounding protection based on FOCT

表1 靜態(tài)試驗記錄Table 1 Static test record

從上述靜態(tài)試驗數(shù)據(jù)可見，當三相導體分散或集中布置時，對柔性光學CT測量精度影響不大，測量誤差均小于2.5%，能滿足保護裝置功能要求。

3.2 現(xiàn)場試驗

在四川深溪溝電站“兩機一變”擴大單元接線機組上安裝基于柔性光學CT的選擇性定子接地保護系統(tǒng)，并進行模擬接地試驗，驗證保護性能，試驗接線參考圖1所示。

機組設備參數(shù)：發(fā)電機G1（G2）容量為165MW，功率因數(shù)為0.9，機端額定電壓為15.75kV，發(fā)電機接地變壓器的變比：15.75kV/0.35kV，二次負載電阻Rn=0.5Ω，柔性光學CT測量機端零序電流一次值，在機端斷路器QF1與柔性光學CT之間設置A相單相接地故障點K1，即為定子區(qū)外接地故障。

設置定子接地零序電壓定值為5V，動作區(qū)角度為（-45°～135°），如圖5所示。I時限整定為0.5s，II時限整定為1s，保護動作于報警和跳閘。

（1）G1發(fā)電機處于解列狀態(tài)，零起升壓至5%發(fā)電機額定電壓，模擬G1發(fā)電機機端A相K1點單相金屬性接地故障，記錄試驗波形。

由圖7可見，A相定子區(qū)外接地故障時刻，A相電壓為0V（二次值，下同），B、C相電壓為5.5V，零序電壓為5.5V，實測機端零序電流一次值為0.52A，零序電流超前零序電壓226°，處于第三象限，為定子區(qū)外接地，保護I時限正確不動作。

（2）機組額定負載運行工況下，實測柔性光學CT不平衡零序電流值，記錄采樣數(shù)值及波形數(shù)據(jù)。

圖7 模擬發(fā)電機機端區(qū)外A相接地故障電氣量波形Figure 7 Waveforms of voltage and current for generator terminal phase-A ground fault outside

圖8 發(fā)電機滿載運行時電氣量波形Figure 8 Waveforms of voltage and current for generator full load operation

由圖8可見，發(fā)電機滿載工況運行（負載電流一次值6700 A）時，實測不平衡零序電流一次值為0.15A，小于零起升壓至5%發(fā)電機額定電壓時接地零序電流一次值0.52A，完全滿足保護功能要求。

4 結語

本文提出了基于柔性光學電流互感器的選擇性定子接地保護方案，分析定子區(qū)內(nèi)、區(qū)外接地故障的電氣量特征，形成了定子基波零序方向保護判據(jù)，總結了保護關鍵技術點，并在此基礎上開發(fā)了保護系統(tǒng)。根據(jù)靜態(tài)與現(xiàn)場模擬接地試驗，表明該方法能準確測量零序小電流信號，不受三相導體不規(guī)則排布影響，且方便安裝，適用于機端硬導體或電纜出線方式。自2019年2月起，該原理已在四川深溪溝水電站4臺165 MW機組上先后投入使用，至今運行情況良好。