积石峡水电站外加20Hz定子接地保护应用的分析研究

摘要：积石峡水电站现有WFB-801A型保护，设有外加交流20Hz电源定子接地保护和基波零序电压式定子接地保护：DGT-801型保护，设有零序电压式和三次谐波电压式定子接地保护。经过一段时间的运行发现，外加20Hz定子接地保护运行情况不可靠。文章分析了保护误动作的原因以及原理，提出了对未及时更换的机组保护误动的预防和应对措施。

关键词：20Hz定子接地；保护原理；零序电压；高定值

中图分类号：Q938 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）02-0141-03

积石峡水电站位于青海省循化县、民和县与甘肃省积石山县的三县交界处黄河干流上，厂内安装3台单机容量为340MW的水轮发电机组，总装机容重为1020MW，保证出力332.3MW，多年平均发电量33.63亿kW·h。电站共有两条电压等级为330kV的出线接入官厅变电站，是国家“西部大开发”、实现“全国联网、西电东送、南北互供”的重要组成部分。电站于2005年正式开工兴建，2007年3月截流，2010年下半年首台机组发电，2010年底实现了3台机组全部投产发电。积石峡发变组保护A屏采用许继公司WFB-801A的发电机保护，B屏采用南自DGT-801的发电机保护，其中A屏采用外加20Hz低频交流电型定子接地保护。2010年8月13日21时24分，监控打出“积石峡2号机组电气事故2动作、积石峡2号机组A套外加20Hz定子接地、积石峡2号机组励磁调节器B套故障、积石峡2号机组水机保护事故停机回路动作、积石峡2号机组投入紧急停机电磁阀开出、积石峡2号机组发电机出口开关1动作、积石峡2号机组发电机出口开关2动作、积石峡2号机组跳灭磁开关线圈2回路动作、积石峡2号机组跳灭磁开关线圈1回路动作、积石峡2号机组转速J4大于102.5%（1#、2#转速装置）动作、积石峡2号机组转速J4大于115%（1#、2#转速装置）动作”信息。系统频率降至49.97Hz，系统电压降至351.77kV。监视2号机组事故停机正常。21时25分，汇报西北网调并申请1号机开机并网，21时41分，1号并网带250MW负荷。现地2号机组保护盘检查：DGT801C保护A盘出口信号红灯亮（发电机20Hz定子接地）。后分析原因发现，由于目前发电初期机组运行还不稳定，存在电源不稳定机组振动大等问题，易造成保护误动。

1 外加交流20Hz电源定子接地保护简介

发电机保护A屏中装设外加20Hz交流电源型定子单相接地保护，可以保护包括发电机中性点在内的整个定子绕组，保护灵敏度高，不受接地位置影响，保护无死区，可检测定子绝缘的缓慢老化，能满足发电机在自启动过程中对发电机接地故障提供保护，保护定值整定为高低两个定值，当测量电阻小于高定值时经延时t1动作于信号，低于低定值时经延时，且在发电机停机状态能起保护作用。

2 保护原理

外加交流20Hz电源发电机定子单相接地保护是在发电机定子回路对地之间外加一个交流20Hz电源，发电机正常运行时，20Hz电源回路几乎不产生电流，发生定子单相接地故障时对地绝缘被破坏，20Hz电源回路将产生电流。

Rg=n2×1/Re（I20/U20）

式中：

Rg—所测接地电阻值

n—中性点接地变压器的综合变比

U20—保护装置测量到的20Hz电压

I20—保护装置测量到的20Hz电流

图1 外加20Hz电源定子接地保护接线图

当接地故障电阻计算值低于电阻的高整定值时保护发信号告警，当接地故障电阻计算值小于电阻的低整定值时保护动作于跳闸。保护另外设有工频零序过流定子接地保护作为外加交流20Hz电源发电机定子单相接地保护的补充。

应用中考虑了配电变压器漏阻抗及激磁阻抗的影响，提高接地电阻计算精度，同时设置电缆回路异常告警功能，提高保护可靠性。

3 保护原理图及逻辑图

图2

基波零序电流保护（或基波零序电压保护）和20Hz定子接地低定值段，一起作为保护的快速一段，严重故障时，较快速地动作于跳闸，多套保护可相互补充配合。20Hz定子接地高定值段作为高灵敏段（或信号二段），接地高定值应综合考虑保护性能要求和装置实际精度后确定为好，保护延时动作于信号。

4 基波零序电压保护定值

基波零序动作电压低值整定范围：1～50V，误差不超过±2.5%或±0.05V。

基波零序动作电压高值整定范围：1～50V，误差不超过±2.5%或±0.05V。

基波零序高值动作延时整定范围：0.1～100s。

基波零序低值动作延时整定范围：0.1～100s。

并网前谐波比系数（机端/中性点）整定范围：0.5～10，误差不超过±5%。

并网后谐波比系数（机端/中性点）整定范围：0.5～10，误差不超过±5%。

三次谐波向量系数幅值整定范围：0.00～10.0。

三次谐波向量系数相角整定范围：0°～360°。

方案二谐波比系数整定范围：0.30～10.0。

三次谐波延时整定范围：0.1～100s。

5 20Hz注入电源式定子接地保护定值：

（1）20Hz电源消失投入；（2）20Hz接地高定值投入；（3）20Hz接地低定值投入；（4）零序电流定子接地投入；（5）20Hz接地电阻高值5kΩ；（6）20HZ接地电阻高值延时5s；（7）20Hz接地电阻低值1kΩ；

（8）20Hz接地电阻低值延时0.5S；（9）20Hz接地啟动电压：厂家现场整定；（10）20HZ接地启动电流（厂家现场整定）；（11）配电变压器变比25.98；

（12）20Hz TA变比40：厂家现场整定；（13）20Hz分压比：由厂家现场整定；（14）RK配电变漏电阻、XK配电变漏电抗、Rm配电变激磁电阻、Xm配电激磁电抗、Rc配电对地电容等效电阻、Xc配电对地电容等效电抗均有厂家现场整定，定子接地零序动作电流3.48A；

（15）定子接地零序电流延时0.5s。

6 20Hz接地高定值动作原因：

从定子接地原理计算公式：Rg=n2×1/Re（I20/U20）可以看出由厂家现场整定的，RK配电变漏电阻、XK配电变漏电抗、Rm配电变激磁电阻、Xm配电激磁电抗、Rc配电對地电容等效电阻、Xc配电对地电容等效电抗、20Hz TA变比、20Hz分压比、任何一个定值整定不当，保护易误动。

机组运行中由于机组振动较大，引起中性点接地变压器处20Hz电源定子接地保护装置测量系统出现故障及接触不良，造成保护误动。

接地变压器与定子一点接地保护装置配合欠佳，造成保护误动（正常发电机星形中性点接入接地变压器不仅是满足限制接地故障电流和弧光暂态过电压的要求，而且还要满足与定子一点接地保护装置相配合的要求，因为定子一点接地故障最终要靠定子一点接地保护的正确动作来切除）。

发电机中性点CT，在定子接地保护中起制动量的作用，如果此CT有问题或回路有问题，制动量消失，就会动作，但实际上定子并未接地。

由于1F 20Hz定子接地保护电源装置输出电压不稳，现为1.2V较2F、3F 26V电压较低，引起的装置本身存在故障及电源故障造成保护误动。

7 发电机真实定子接地的形成与危害

形成：发电机一次连接系统，包括：定子、封母、PT、主变、高厂变，18kV侧发生一点接地，引起发电机相电压不平衡，发电机中性点电压偏移；发电机一次连接系统外部故障，包括330kV系统及10kV厂用侧故障，能引起发电机相电压不平衡的，发电机中性点电压偏移的，都会引起发电机定子接地故障信号。

危害：我厂发电机一次连接系统是通过中性点接地变系统，当发生一点接地时，会产生一次连接系统的电容电流，该电容电流在接地点产生电弧，会灼伤接地点的铁芯，同时由于电弧电阻是变化的，所以会产生弧光过电压，击穿定子线圈绝缘薄弱的地方，进而形成匝间或相间短路，扩大故障范围。

8 运行维护中的注意事项

系统高压侧接地短路时，通过升压变压器高低压绕组间的每相耦合电容传递到发电机侧的零序电压大小，它可能引起基波零序过电压保护误动作，应从动作电压整定值及延时两方面与系统接地保护配合。

WFB-801A型保护的外加交流20Hz定子接地保护，机组在任何状态都能反映，故在合机组出口接地刀闸及地线接地或中性点地线接地时，需退出此保护。

发电机的输出电压的波形含有一定比例的高次谐波，有三次、五次和七次谐波分量，三次谐波电压（大约2%～10%）属于一组零序分量对相间电压波形并无影响；发电机的三次谐波电势是随负荷大小变化的，由于机组出口装有断路器，所以并网前后发电机出口阻抗、容抗及三次谐波分量变化较大，以并网后实测整定的发电机定子接地3W保护定值已不能满足并网前的要求，因此，并网前后该保护定值应分别进行实测整定，并在回路中引入开关辅助接点分别在并网前和并网后通过保护压板投入相应的发电机定子接地3W保护，这就是设置并网前和并网后两种方式的原因。

机组运行或备用中20Hz电源消失，应当及时退出保护A柜定子接地3LP，防止电源恢复保护误动。

机组运行中，ups2段发生故障机旁交流配电盘交流220失电，及时退出保护A柜定子接地3LP。

外加交流20Hz定子接地保护，机组在任何状态都能反映，故在合机组出口接地刀闸及地线接地或中性点地线接地时，需退出此保护定子接地3LP。

当定子接地保护动作事故处理时进出18kV室巡视时，穿绝缘靴、戴绝缘手套巡视发电机一次连接系统，这里要提出当定子一点接地时，地面有跨步电压，手摸接地的设备外壳时，也有跨手电压，应注意安全。

9 结语

积石峡水电站WFB-801A型保护的外加交流20Hz定子接地保护投运，极大地提高了电厂安全运行的可靠性和供电质量，保证了电网的稳定运行。

参考文献

[1] 水电厂继电保护[M].北京：中国电力出版社，

2001.

[2] 积石峡发电分公司.积石峡水电站运行规程[S].

2013.

[3] 国电南京自动化股份有限公司.WFB-801A型保护

装置说明书[S].2011.

作者简介：弓小亮（1979—），男，甘肃成县人，青海黄河水电公司积石峡水电站助理工程师，研究方向：水电站设备运行与管理。