定子接地保护的应用及其定值整定

陈熙平，曹 钢，张 伟，于步亚，邓 庆

（锦屏水力发电厂，四川 西昌 615000）

0 引言

某水电站最大水头240 m，额定水头200 m，共安装6台混流式水轮发电机组，单机容量600 MW，总装机容量3 600 MW。大容量机组定子绕组的单相接地故障(包括定子绕组与铁芯间的绝缘破坏)是发电机最常见的电气故障。当发电机端附近发生接地故障时，故障点的电容电流较大，会产生电弧，灼伤接地点的铁芯，影响发电机的安全运行。同时，接地故障会引起接地弧光过电压，可能导致发电机其他位置绝缘的破坏，形成危害严重的相间或匝间短路故障。

该水电站水轮发电机的定子接地保护采用基波零序电压加三次谐波电压保护和注入式定子接地保护，构成双重化100 %定子接地保护。

1 定子接地保护配置

该水电站每台发电机均配置2套南京南瑞继保电气有限公司的RCS-985GW型保护。其中A套保护使用注入式定子接地保护，B套保护使用传统基波加三次谐波电压型定子接地保护。RCS-985型注入式定子接地保护辅助电源装置安装在主变保护非电量C柜内，具体保护接线如图1所示。

RCS-985U型辅助电源装置将20 Hz的低频电压注入到接地变压器二次负载电阻RN上，同时将接地变压器二次负载上的部分电压和二次电流引入到发电机A柜的RCS-985GW型保护装置中，通过保护装置计算出定子接地电阻值和接地故障时的零序电流。此外将接地变压器负载电阻上1/5的电压引入到B柜的RCS-985GW型保护装置中，作为基波零序电压型定子接地保护的动作量以及三次谐波电压型定子接地保护的制动量。

图1 发电机定子接地保护系统接线

2 接地变二次电阻选择原则

目前，国内大型水轮发电机中性点大多是通过高阻接地。在该接地方式下，当发电机发生单相接地故障时，可在熄弧后释放其能量，降低中性点电位，使得故障相的电压恢复速度也变慢，减少了电弧重燃的可能性，即接入发电机中性点电阻的大小会影响发电机单相接地时健全相暂态过电压值。

为限制动态过电压不超过2.6倍的额定电压，接地电阻(一次值)取值为：

式中：Cg为发电机单相对地总电容；ω为机组运行角速度。

由变压器原理，可计算出接地电阻二次值为：

式中：N为接地变压器变比。

该水电站发电机具体参数如表1所示。将表1中的数值代入公式(1)中，计算得出接地电阻RN为381.86 Ω。将RN代入公式(2)中，计算得出接地变压器二次侧实际接入电阻为0.7 Ω，此时忽略接地变压器负载总损耗。

表1 发电机设备参数

3 基波加三次谐波电压型定子绕组单相接地 保护原理

3.1 基波零序电压型定子绕组单相接地保护

当发电机故障相(假设A相)在距中性点α(α为故障点到中性点的匝数与单相单分支绕组总匝数的比值)处经过渡电阻Rf接地时，如图2所示，发电机三相绕组电动势分别为单相对地总电容为Cg计算零序电压

图2 发电机单相接地故障线路

根据基尔霍夫定律可以得出：

所以：

若A相绕组某点发生金属性接地故障，即Rf=0，根据公式(4)，可得出故障点的零序电压：

由于单相接地电流非常小，定子绕组每相的阻抗与对地容抗相比微不足道，即单相接地故障电流在定子绕组本身的阻抗上几乎不产生压降，则某点发生单相接地故障时，基波零序电压U0=αEΦ(EΦ为发电机相电压)，即为故障电压，也是定子绕组任一点电压。

因越靠近机端，故障点零序电压越高，则可以利用基波零序电压构成定子单相接地保护。定子绕组单相接地时3 U0与α的关系曲线如图3所示。

图3 定子绕组单相接地时3 U0与α的关系曲线

由图3可知，当基波零序电压大于动作电压UOP时，定子接地保护动作。但是该保护原理存在动作死区，即OS段零序电压小于动作值，故基波零序电压型定子绕组单相接地保护只能反应距机端90 %以内位置的单相接地故障。

该套定子接地保护基波零序电压型保护采用频率跟踪、数字滤波及全周傅氏算法，保护只反映基波分量。基波零序电压设置2段定值，分别为灵敏段和高值段。灵敏段动作跳闸时，需经主变高压侧零序电压闭锁，以防止区外故障时定子接地基波零序电压灵敏段误动，同时也经机端开口三角零序电压闭锁，闭锁定值不需整定。

3.2 三次谐波电压型定子绕组单相接地保护

由于发电机气隙磁通密度的非正弦分布和铁磁饱和的影响，在定子绕组中感应的电动势除基波外还含有高次谐波分量。其中三次谐波分量是零序性质的分量，虽然在线电动势中被消除，但是在相电动势中依然存在。

三次谐波电压型定子接地保护是利用发电机中性点和机端的三次谐波电压在正常和接地故障时的特点构成的。正常运行时，发电机中性点的三次谐波电压U3N比机端的三次谐波电压U3S大；而在发电机定子绕组中性点及其附近范围内发生接地故障时，机端的三次谐波电压U3S大于发电机中性点的三次谐波电压U3N。根据这个变化的特点，利用机端三次谐波电压U3S作为动作量，中性点的三次谐波电压U3N作为制动量来构成接地保护，以U3S≥U3N作为保护动作条件，则在正常运行时保护不可能动作，而在中性点附近发生接地故障时，具有很高的灵敏性。

4 注入式定子接地保护原理

A套RCS-985GW型注入式定子接地保护接地电阻Rf的计算公式为：

为保证RCS-985GW型保护装置计算定子接地电阻的准确性，对式(6)中接地变短路阻抗进行了补偿，同时补偿了接地变的传变误差和现场接线电缆分压引起的误差。

5 定子接地保护整定计算

5.1 基波零序电压定子接地保护

5.1.1 灵敏段基波零序电压保护

基波零序电压保护灵敏段动作量取自发电机中性点零序电压，动作电压U0.OP应按躲过正常运行时最大不平衡基波零序电压U0.MAX整定，即：

式(7)中：Krel为可靠系数，取1.2～1.3。

U0.MAX为中性点实测不平衡基波零序电压，实测之前可初设U0.OP=(5 %～10 %)U0n，U0n为机端单相金属性接地时中性点零序电压(二次值)。

根据公式(7)，整定U0.OP=8 V，动作于跳闸。

此时应校核主变高压侧发生接地故障时，通过升压变压器高、低压绕组间的耦合电容传递到发电机侧的零序电压。

图4 计算传递电压简化电路

表2 主变压器参数

则此时发电机保护B柜测得的中性点零序电压为：

该数值远小于定子接地零序电压灵敏段定值8 V，因此该定值满足技术监督要求中，校验主变高压侧单相接地零序传递电压不影响发电机定子接地保护的要求。根据DL/T684—2012大型发电机变压器继电保护整定计算导则，此时灵敏段的延时可取0.5 s。

5.1.2 高定值段基波零序电压保护

根据DL/T684—2012，高定值动作电压应可靠躲过传递过电压，可取(15 %～25 %)U0n，因此取U0.hzd=20 %×100=20 V，延时0.3 s动作于跳闸，且不需经机端基波零序电压辅助判据闭锁。

5.2 三次谐波电压比率定子接地保护

三次谐波电压比率定子接地保护判据为：

实测发电机正常运行时最大三次谐波比值α0，则阈值α=(1.2～1.5)α0，可取延时5 s，动作于信号。

5.3 注入式定子接地保护

RCS-985GW型注入式定子接地保护动作判据有接地电阻和接地电流2种。

接地电阻判据反映发电机定子绕组接地电阻的大小。该保护设有2段电阻定值，高定值作用于报警，低定值动作于延时跳闸。

发电机运行时若靠近机端位置出现定子绕组接地故障，则发电机基波零序电压会明显增加，流过接地设备的基波零序电流也会明显增加，为此该保护增设了接地电流判据。接地电流判据能反映距发电机机端80 %～90 %的定子绕组单相接地故障。

5.3.1 接地电阻报警定值的整定

取3号免疫小鼠脾脏进行杂交瘤制备，经过3轮亚克隆及筛选后获得2株单克隆抗体，分别命名为3G3和3G4。如图4所示，腹水单抗经纯化后纯度得到了很大的提升，3G3和3G4浓度分别为6.06 mg/mL，2.22 mg/mL。 如图 4所示，两株单克隆抗体纯化后的效价均为105。

在发电机中性点经接地变高阻接地的情况下，当定子绕组发生单相接地故障时，其等效基波零序回路如图5所示。

由等效电路可得：

根据DL/T684—2012，在对于发电机额定容量在300 MW及以上，额定电压在18 kV及以上的发电机定子绕组单相接地故障电流允许值为1 A。故根据图5，计算机端接地故障时，基波接地故障电流为安全电流值IE=1 A。将表1的数据代入到公式(10)中，即可计算出接地电阻值Rf=11.3 kΩ，则接地电阻高值整定值Rf.SET.H=1.2 Rf=13.56 kΩ，可取延时5 s，动作于信号。

图5 定子接地时等效零序回路

5.3.2 接地电阻跳闸定值的整定

接地电阻跳闸定值按机端接地故障电流为允许值的3倍，即IE=3 A，计算出接地电阻值Rf=3.6 kΩ，接地电阻低值整定值Rf.SET.L=Rf=3.6 kΩ，经接地安全电流定值闭锁，延时0.5 s，动作于跳闸。

5.3.3 接地安全电流定值ISAFE(基波)的整定

接地安全电流的整定有2种方法：现场试验测量法和根据参数计算法。由于现场测量法操作繁杂且存在一定的安全风险，实际上都是通过参数计算整定的。

参数计算法根据发电机定子绕组侧对地容抗和发电机中性点接地电阻阻值关系，计算接地故障电流达到接地电流允许值(1 A)时的ISAFE值。

由此可确定ISAFE的定值：

式中:Krel为可靠系数，取0.8;ISAFE.P为安全电流一次值。将ISAFE.P=1 A代入到式(12)中，则：。

当发电机发生接地故障时，只有当接地电阻满足定值，且接地零序电流大于接地安全电流定值时，经延时后动作于跳闸。

5.3.4 接地电流判据的整定

接地零序电流判据作为电阻判据的后备，用于保护距发电机机端90 %范围的定子绕组接地故障，反映的是流过发电机中性点接地连线上的电流，其动作电流整定为：

式中：URN为发电机机端单相金属性接地故障时负载电阻RN上的电压；α一般取10 %。

将相关数据代入公式(13)，则：UE.SET=10 %×延时0.5 s,动作于跳闸。

注入式定子接地保护测量回路监视定值、补偿环节定值都是通过现场试验进行确定的。

6 结束语

对于大容量的水轮发电机，合理地选择中性点接地电阻值，并根据整定计算导则正确整定接地保护动作定值和延时定值，对于定子接地保护正确、迅速动作以保护发电机具有重要意义。现场运行结果表明：上述定值符合发电机保护要求，在发电机定子发生单相接地故障时保护能正确动作。

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

2 陈熙平．注入式定子接地保护在锦屏二级水电站的应用 及现场调试[J]．电工技术，2013(9)．

3 刘其常，胡少强，刘 蔚．发电机中性点接地方式探讨 [J]．继电器，2005(13)．

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5 DL/T 684—2012大型发电机变压器继电保护整定计算导则[S]．

6 陈熙平，季 杰，陈 强．PT故障引起定子接地保护动 作的事故处理及分析[J]．电工电气，2013(10)．