20 Hz电源注入式定子接地保护装置原理及应用

王秀霞，龚 涛，王学荣

(丰满发电厂，吉林 吉林 132108)

发电机定子绕组的单相接地是发电机最常见的一种故障，由于定子单相接地故障往往是相间或匝间短路的先兆。因此定子接地保护在大型机组保护中十分重要，它对于预防定子绕组严重短路故障具有重要意义。传统常规定子接地保护配置主要是基波零序电压接地保护与三次谐波原理配合构成的100%定子接地保护［1］。其中基波零序电压须在定子电压升高后才有效，而且在中性点附近接地有死区。三次谐波原理有多种实现方法，但都受定子及其相联的设备参数及运行方式影响，或者判据稳定性差而不易实现可靠运行［2］。丰满发电厂3号发电机带本厂厂用电运行，当合上分支线116开关后，经常出现三次谐波保护误发警报信号，造成设备运行稳定性差及维护量大等问题。针对此问题先后采用多个被动的办法，例如:3ω定子接地保护设有2套保护定值，分为带厂用电方式和不带厂用电方式，但运行效果都不理想［3］。为解决发电机定子接地保护不可靠运行问题，与国电南京自动化股份有限公司联合研制出ZDJ801A型发电机定子接地保护装置，它是采用从发电机中性点消弧线圈的二次侧注入20 Hz电源原理构成接地保护，该保护不受机组运行状况影响，无死区;不受故障点位置的影响，实现对定子接地故障的100%保护;能反映定子绕组绝缘性能下降，对绝缘老化起到监视作用。3号机组已投入运行18个月，运行效果良好。

1 保护构成原理及技术特点

1.1 构成原理

在发电机定子回路外加一个20 Hz的信号电源，20 Hz电源输出方波电压，保护接入接地电压USEF取自发电机中性点消弧线圈TV(二次)，接地电流ISEF取自中间变流器TA，根据USEF和ISEF计算出单相接地电阻Rg。

a． 动作方程

接地电阻判据反映发电机定子绕组对地绝缘电阻的大小，设有2段接地电阻定值，高定值段作用于延时发信报警，低定值段作用于延时跳闸，延时可分别整定。其动作方程为

Rg＜Rg1Rg＜Rg2

式中 Rg——发电机定子绕组接地电阻;

Rg1、Rg2——发电机定子绕组接地电阻的低定值、高定值。

图1 注入式定子接地保护逻辑框图

b． 原理构成逻辑框图 (见图1)

图1中，USEF为输入装置电压;ISEF为输入装置电流;U20为装置测得的20 Hz电压;I20为装置测得的20 Hz电流;Rg为装置测得的接地电阻;3U0g为装置测得的工频电压;Rg1、Rg2、t1、t2、t3、t4、t00为注入式定子接地保护整定值。

为了提高发电机机端接地时保护的灵敏度，增设了零序电压辅助判据和零序电流判据 (可以通过控制字选择使用)反映距发电机机端80%～90%的定子绕组单相接地，与接地电阻判据构成高灵敏的100%定子接地保护方案。

1.2 技术创新特点

a． 注入式定子接地保护应用于经消弧线圈接地方式的机组

主要考虑消弧线圈漏感对保护接地电阻计算的影响。消弧线圈是一种带气隙的铁心电抗器，其电抗值基本上不随电流发生变化，但运行时有较大的漏磁通，其电感由激磁电感和漏电感两部分组成，消弧线圈的漏感较大，通常占漏电感的20%左右［4］。本项目分析了将漏电感和激磁电感分开处理的消弧线圈T型等效电路，将20 Hz交流电源注入式定子接地保护成功应用于经消弧线圈接地方式的机组。

b． 软件滤波

对注入式定子接地保护有影响的谐波除了来自外加电源外，还有发电机运行时产生的谐波。消除这种谐波的一种方法是从算法上进行滤波。

c． 模拟通道的设计

由于50 Hz的奇次谐波分量都是20 Hz的分数次谐波，将不能有效滤除，对保护产生很大影响。这时有必要对装置的电流、电压通道进行硬件滤波设计。

d． 20 Hz电源对发变组保护频率测量的影响

发变组保护频率测量原理是采用过零检测器和计时器构成，测量电压为相电压。保护所测量的频率范围在49.4～50.1 Hz变动，这种现象已被实际运行所证实。保护测量频率不准确将对差动保护、过频率、低频率、过激磁、低频累加等与频率有关的保护产生不同程度影响。

解决方法:由于发电机系统三相对地电容基本对称，因此20 Hz电源零序电压在相电压之差中含量较小。发变组保护频率测量采用线电压可将20 Hz电源的影响降到最小［5］。

2 现场各种工况下的试验数据及分析

2.1 机组空载运行状态

3号机开机空载运行时，所测得的试验数据如表1所示。

表1 空载试验时测得的保护参数

2.2 机组开机带负荷运行状态

3号机开机带负荷运行时，所测得的试验数据如表2所示。

表2 并网运行试验时测得的保护参数

2.3 机组开机带厂用电运行状态

3号机开机带厂用电运行时，所测得的试验数据如表3所示。

表3 并网带厂用电试验时测得的保护参数

3 结束语

本项目样机装置通过了电力工业部电力系统自动化质量检验测试中心电磁兼容实验 (EMC)、型式试验和动模实验，各项技术性能指标达到相关国家、行业和企业标准。

新研制的20 Hz交流电源注入式定子接地保护投入运行18个月，在发电机定子多次出现瞬间接地时，动作均正确，运行状况良好。此装置首次应用在发电机中性点经消弧线圈接地运行方式上获得了成功。

［1］ 王维俭．电气主设备继电保护原理及应用［M］．北京:中国电力出版社，2002．

［2］ 李玉海，张小庆．关于定子接地保护的几个问题［J］．电力系统自动化，1999，23(11):50－53．

［3］ 张琦雪，席康庆，陈佳胜．大型发电机注入式定子接地保护现场应用及分析 ［J］．电力系统自动化，2007，31(11):103－107．

［4］ 朱杰民，王 丽，王雪松．发电机中性点接地与定子接地保护 ［J］．东北电力技术，2000，21(1):16－18．

［5］ 李晋民．100%定子接地保护改进方案的研究 ［J］．电网技术，1998，22(9):46－48．