选择性发电机定子单相接地保护方案研究

王 雪

（大唐长春第二热电有限责任公司，吉林 长春130031）

0 前言

定子绕组对地（铁心）绝缘的损坏将引发单相接地故障，这是定子绕组最常见的电气故障。由于发电机中性点是不接地的或经高阻抗接地的，所以定子单相接地故障并不引起大的故障电流，相应的定子接地保护通常只发信号，经转移负荷后平稳停机。目前很多研究应用在多台发电机机组并联运行故障时的故障机组的判断上时存在一定的不足，无法正确判断出故障机组。逐台机组去排除，不仅会延长故障时间，还会导致很大经济损失。本文对现有的各种保护方法进行分析，分析并联运行的发电机定子绕组单相接地故障引起的机端及中性点相电流变化特点，进行发电机定子单相接地保护方案设计，使用Matlab来实现接地保护算法，进行仿真分析。

1 基于故障电阻测量的选择性定子单相接地保护

1.1 定子绕组单相接地故障前正常运行时相电流的分析

本文研究的是多台发电机并联运行的情况，以下仅以三台发电机为例进行分析。如图1所示为三台发电机供电系统。发电机外部元件用一个等效网络表示。假定各发电机型号相同，发电机1，2，3各相定子绕组对地分布电容用集中参数Cg1,Cg2,Cg3表示，外部等效网络各相对地等效电容用集中参数Ch表示。发电机出口侧及中性点的电流皆以指向母线方向为正方向。系统正常运行时，设发电机1的机端出线侧和中性点侧各相电流分别为发电机正常运行时的三相电压分别为假设系统三相对称，三相电源电压为 EA、EB、EC，中性点位移电压为 U0。

根据三相系统的特点有:

无论发电机采用何种接地方式，正常运行时三相对称，中性线上流过的电流均为0，即I˙L=0。由于三台发电机在正常运行时的情况完全一样，以发电机1为例进行分析。发电机1三相中性点侧与机端出线侧电流差值基波分量为：

发电机各相相电流差值超前机端电压90度，大小为发电机本身对地电容电流。

1.2 定子绕组单相接地故障时相电流的分析

假如发电机1定子绕组中距中性点α（中性点到故障点的绕组占全绕组数的百分数）处A相发生金属性接地故障。三台发电机供电系统定子单相接地故障时，各台发电机故障相和非故障相在中性点不接地、中性点经电阻和经消弧线圈三种接地方式下相电流的变化情况。中性点电流为发电机定子接地故障时各相的机端电压分别为此时，中性点位移电压从 U0变成 U′0。

此时有：

图1 正常运行时系统基波电流分布

发电机1定子单相接地故障时三相中性点侧与机端出线侧电流差值基波分量为：

发电机1定子单相接地故障时相电流变化量基波分量为：

非故障发电机2三相中性点侧与机端出线侧电流差值基波分量为：

非故障发电机2相电流变化量基波分量为：

故障发电机故障相相电流变化量大于非故障发电机相电流变化量和故障发电机的非故障相相电流变化量。对于发电机定子单相接地故障，相电流变化量会随发电机定子接地点位置不同而改变，且当发电机定子在靠近中性点附近发生单相接地时（即α趋于0时），相电流变化量基波分量数值很小（趋于0）。通过分析发现，当发电机发生定子单相接地故障时，故障相相电流变化量大，而非故障发电机各相和非故障相相电流变化量较小，因此可以利用此区分故障发电机。

1.3 基于故障电阻测量的接地保护原理

定义相对地计算电阻为故障后该相对地电压与以该相为基准的相间差电流的比值，则故障发电机的三相计算电阻分别为：

故障相计算电阻等于接地电阻，非故障相计算电阻大于故障相电阻。定义发电机对地计算电阻为三相对地计算电阻中的最小值，即Rf1=min（RfA1，RfB1，RfC1）=RfA1=Rf，则故障发电机 1 的计算电阻等于接地故障电阻。

同理可得非故障发电机2的计算电阻为：

理论上，非故障发电机2的计算电阻值为无穷大。考虑受保护装置测量精度的限制、信号测量回路的信号传变误差及干扰影响，非故障发电机2的计算电阻值在一定的数值范围内，但仍远大于接地故障电阻值，可以构造一种新的发电机接地保护方法。由于金属性接地故障时，故障相（A相）对地电压等于0；故障发电机和非故障发电机的接地阻值均为0，该保护方法仅适用于高阻接地故障检测。

1.3.1 保护启动

通过在线监测并连续计算并列运行的发电机中性点侧和机端侧的零序电压有效值。当大于电压整定值U0set时，判定系统发生接地故障，启动保护判断。启动判据为：

由于发电机发生定子单相接地故障时（设故障相为A相），故障点的零序电压为：

因此在中性点附近发生定子单相接地时，α趋于0，零序电压也趋于0，此时保护不会启动，存在死区，由于设计时间有限，仅对零序电压保护启动判据进行分析和研究，故不能实现定子100%接地保护。

1.3.2 保护判据

对地计算电阻进行接地故障检测，采用发电机的对地计算电阻值与整定值比较，如果发电机对地计算电阻小于该发电机的整定值（Rf＜Rset），则该发电机为故障发电机。所以保护判据为：

发电机计算电阻整定值按需要保护的最大高阻接地故障电阻值乘以一大于1的灵敏系数确定。当发电机发生定子单相接地故障时，故障发电机故障相相电流变化量大，而非故障发电机各相和故障发电机非故障相相电流变化量较小，因此可以利用此区分故障发电机。通过发电机的对地计算电阻值与整定值比较进行故障机组的判断。

2 仿真波形及结果分析

采用EMTP仿真，以三台发电机并列运行为例。各项参数取值如下：各发电机额定电压均为13.8kV，各发电机每相对地电容分别为0.577μF、0.560μF、0.560μF，发电机外部系统每相总电容 0.15μF。 以发电机中性点不接地为例，根据故障点位置（按照从机端到中性点侧的顺序，即α的取值分别为1.00、0.50、0.00三种定子绕组单相接地位置）、故障电阻Rf(低阻5Ω和高阻1000Ω)等不同情况，分别进行仿真测试。

2.1 仿真波形

图2、6为发电机1定子单相接地故障（C相）前后零序电压变化波形图，从图3到图5和图7到图9为发电机1定子绕组C相发生单相接地时，发电机1、2的计算电阻波形图。由于此时对于发电机2和3属于外部故障，为了简化分析的过程，只画出发电机1和2的测量电阻波形图。图10和图11为发电机外部系统发生接地故障时的波形图。Rf1为发电机1的计算电阻，Rf2为发电机2的计算电阻。

2.1.1 定子绕组经低阻接地时仿真波形图

定子绕组经低阻接地时Rf=5Ω，保护启动判据和保护判据的仿真波形图如下：

图2 零序电压波形图

图3 Rf=5Ω，α=1.00时各发电机计算电阻波形图

图4 Rf=5Ω，α=0.50时各发电机计算电阻波形图

图5 Rf=5Ω，α=0.00时各发电机计算电阻波形图

2.1.2 定子绕组经高阻接地时仿真波形图

定子绕组经高阻接地时Rf=1000Ω，保护启动判据和保护判据的仿真波形图如下：

图6 零序电压波形图

图7 Rf=1000Ω，α=1.00时各发电机计算电阻波形图

2.1.3 发电机外部系统接地时仿真波形图

上图仿真波形为发电机外部输电线路上某处C相发生接地故障时的仿真结果。此时对于发电机1、2、3来说都属于外部故障。

2.2 仿真结果分析

当故障点靠近中性点附近时，零序电压的数值很小，不能满足保护启动判据，故存在保护死区。当发生金属性接地时故障时，由于保护判据的缺陷，存在死区（由于发生金属性接地时，故障电压很低，为很小的数值）。通过比较发电机定子接地故障时各发电机计算电阻的波形图，可知故障机组的计算电阻为接近于接地电阻的值，而非故障机组的计算电阻为较大的值，由此可以来判别故障机组，保证保护的选择性。对于发电机外部系统发生接地故障时，相对于三台发电机来说均属于外部故障，此时三台机组的计算电阻均为较大的值（相对于接地电阻来说），所以对于发电机外部系统故障接地时，发电机的保护不会动作。

图8 Rf=1000Ω，α=0.50时各发电机计算电阻波形图

图9 Rf=1000Ω，α=0.00时各发电机计算电阻波形图

图10 Rf=5Ω时各发电机计算电阻波形图

图11 Rf=1000Ω时各发电机计算电阻波形图

3 结论

本文提出一种新的有选择性的定子接地保护方案，即利用测量电阻法，比较各发电机的计算电阻而构成的定子单相接地保护原理。分析了三台发电机供电系统在正常运行和定子接地故障时相电流变化量的基波分量的大小，并提出了保护的启动判据和保护判据。通过分析发现，故障发电机的计算电阻为一有限值（接近于接地电阻大小的值），而非故障发电机的计算电阻为一很大的值，可以区分故障发电机，实现有选择性的定子单相接地保护，且易于工程实现。

当定子单相接地故障发生在中性点附近时，零序电压趋于零，保护不能启动，保护存在死区；且低阻接地时，由于故障相电压值很小，是保护判据存在死区。发电机外部系统接地故障时，对于三台发电机来说均属于外部故障，故此时三台发电机的计算电阻均为较大的值（相对于接地电阻来说），故该保护具有较高的可靠性。

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［2］王维俭.发电机变压器继电保护应用[M].北京:中国电力出版社,1998:83-115.

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