双频注入式定子单相接地保护方案

贾文超，黄少锋，焦利霞

（1.华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，河北 保定 071003；2.北京四方继保自动化股份有限公司，北京 100085）

0 引言

发电机定子绕组与铁芯间绝缘破坏引起定子单相接地故障较普遍，目前国内外发电机定子单相接地保护主要有[1]基于基波零序电压和3次谐波电压构成的100%定子接地保护、外加信号的注入式定子接地保护。基波零序电压保护简单可靠，但存在保护死区[2-3]；3次谐波电压保护在运行中易误动，且灵敏度随定子绕组对地电容的增加而降低[4-6]。近年来国内外学者针对20 Hz注入式定子接地保护开展了大量研究[7-13]，该保护用注入的20 Hz电气量计算单相接地电阻值，能100%保护发电机定子绕组接地故障，同时能对定子绕组进行绝缘老化监视。但该保护受发电机频率变化的影响，在发电机（特别是抽水蓄能机组）的启停机过程中不能实现全程保护，即在10～40 Hz期间要闭锁保护。文献[14]提出了双频注入式定子接地保护，其基本原理为：先检测发电机的运行频率，当运行频率大于10Hz且小于40Hz时，注入信号频率取100 Hz；当运行频率不大于10Hz或不小于40Hz时，注入信号频率取20Hz。但该保护原理在计算接地电阻时，需要变压器一次绕组和二次绕组漏阻抗参数，这在实际中较难获取。注入式保护的灵敏度受发电机定子绕组对地电容的影响，在发电机高阻接地故障时，注入信号频率较高，降低了保护的灵敏度，所以高频注入信号的选择仍需研究。

考虑20 Hz注入式定子接地保护相当成熟，本文仅对高频注入信号进行分析。本文主要从注入式定子接地保护灵敏度、滤波器参数设计和信号提取方便性3个方面研究高频段注入信号频率的取值范围，确定了高频信号的注入频率和注入方式，给出了一种新的双频注入式定子接地保护方案。

1 注入信号频率的选择分析

注入信号频率的选择需要考虑保护灵敏度、滤波器参数设计、频率提取的方便性等因素，本文主要从保护灵敏度、滤波器参数设计和频率提取方便性3个方面进行分析。

1.1 考虑保护灵敏度的注入信号频率选择

注入式定子接地保护的灵敏度高低通常是以保护区内任一点发生接地故障时，保护装置刚好能动作所允许的最大接地电阻值（与故障点位置有关）中的最小值来表征[15]。

1.1.1 注入式定子接地保护灵敏度分析

发电机定子单相接地故障时，注入式定子接地保护的等效电路如图 1 所示。 图中，R′1、X′1和 R2、X2分别为配电变压器一次侧和二次侧的电阻和电抗；R′m和X′m分别为配电变压器的励磁电阻和励磁电抗；X′s为定子绕组的等效短路电抗；R′g为定子绕组接地电阻；C′Σ为定子绕组对地三相总电容；Rn为配电变压器的接地电阻；Usef和Isef分别为保护测量的频率为20Hz的电压和电流；Im为励磁支路电流；UR为接地故障电阻上的电压；U1为发电机中性点的20 Hz电压。以上所有参数均已归算至变压器的二次侧。

图1 注入式定子接地保护的等效电路Fig.1 Equivalent circuit of stator grounding protection with injecting source

目前，注入式定子接地保护计算接地电阻时对漏阻抗的影响进行补偿，考虑变压器漏阻抗和励磁支路影响，漏电阻 Rσ=R′1+R2，漏电抗 Xσ=X′1+X2，变压器变比为n，得接地电阻的测量值表达式为：

接地电阻的一次侧实际值为：

定义保护的测量误差为：

分析式（1）和（2）可得：注入式定子接地保护的测量误差主要受和励磁支路电流的影响。的大小与发电机定子绕组对地分布电容和注入信号频率有关，其与分布电容成正比。由励磁支路分流引起的测量误差随注入频率增大而减小，但随注入频率增大而增大，且在高频段注入频率时，由励磁支路引起的误差很小，对测量误差起主要作用。综合分析可得，测量误差随分布电容和注入信号频率增大而增大。

保护的灵敏度分析应考虑最不利于保护动作的条件，故本文分析灵敏度时考虑当发电机定子电容很大，注入高频信号时，保护允许误差范围内发电机机端单相接地短路所能检测到的最大接地电阻值。

1.1.2 注入信号的频率范围分析

ABB公司设计的注入式定子接地保护要求：测量电阻为100 Ω～10 kΩ时，保护的测量误差在区间（-10%，10%）内；测量电阻为 0～100 Ω、10～20 kΩ时，保护的测量误差在区间（-20%，20%）内。国内某继电保护制造厂家设计的注入式定子接地保护，要求测量电阻在0～10 kΩ时，保护的测量误差在区间（-5%，5%）内。本文先不考虑电流互感器的传变误差、A/D转换误差、微机保护算法误差，并设计接地故障电阻为10 kΩ时保护的测量误差不超过5%。

算例参数如下。

a.定子绕组对地电容：注入式定子接地保护一般适用于发电机三相总电容CΣ取0.5～10 μF时。目前可查的发电机定子绕组每相最大对地电容为2.03 μF（三峡2号机组），考虑到与发电机相连的其他设备对对地电容的影响和最严苛的条件，取CΣ=10 μF进行分析。

b.配电变压器参数：配电变压器 DDBC-50/20[16]，变比 n=20kV/0.865 kV，漏电阻 Rσ=0.289 Ω，漏电感 Lσ=1.84×10-3H，励磁电阻 Rm=129 Ω，励磁电感Lm=1.505 H。配电变压器参数均归算到二次侧。

c.基于MATLAB建立仿真模型，对接地电阻Rg=10 kΩ的情况进行仿真分析，采用不同注入信号频率，由式（3）计算接地电阻的测量误差如表1所示，测量误差与频率的关系如图2所示。

由表1分析可得，考虑接地故障电阻为10 kΩ时保护的测量误差不超过5%，注入频率应小于90Hz。

表1 CΣ=10 μF、Rg=10 kΩ 时保护的测量误差Tab.1 Measurement error when CΣ=10 μF，Rg=10 kΩ

图2 测量误差与频率的关系曲线Fig.2 Relation between measurement error and frequency

1.2 注入信号频率与滤波器的参数选择

注入滤波器设计要同时考虑提高工频抑制电压和控制谐振过电压。模拟带通滤波器是基于RLC串联谐振电路实现的，其LC参数设计和注入频率的大小有关。本文分析了滤波器参数和注入信号频率的关系，并从提高工频抑制电压和控制谐振过电压的角度分析了注入频率的范围。

50 Hz工频反馈电压的注入回路等效电路如图3所示。图中，uF.50为50 Hz工频电压；R、L、C分别为注入回路中滤波器的等效电阻、滤波电感、滤波电容；Zx为方波发生器的吸收阻抗。

图3 50 Hz工频反馈电压的等效电路Fig.3 Equivalent circuit of 50 Hz feedback voltage

滤波电容表达式为：

注入电源的设计参数为：输出电压U=28 V；额定电流IN=3.5 A；注入回路的额定阻抗ZN=8 Ω；方波发生器的吸收压降不超过工频电压的5%；滤波器最大工频抑制电压设定为600 V。

当最大工频反馈电压确定时，可根据方波发生器的过电压承受能力确定滤波器的最小工频阻抗Z50min。考虑足够的阻抗裕度，取方波发生器的吸收阻

由图3得，注入滤波器的工频阻抗表达式为：Z50=R+j（XL.50-XC.50）=R+j100πL[1-（f0/50）2]（4）其中，f0为滤波器工作频率；XL.50为滤波电感在50 Hz时的工频电抗；XC.50为滤波电容在50 Hz时的工频容抗。

滤波电感表达式为：抗等于注入回路额定阻抗值，可得滤波器的最小工频阻抗为：

根据经验数据，额定电流为3.5 A的工频铁芯电感的最小等效电阻仅为工频电抗的1.3%。忽略电阻R，由式（5）、（6）可计算出不同注入频率下的滤波电感和滤波电容。滤波器的元件参数及其承受的电压与注入信号频率的关系如表2所示，其中UL.f0为注入信号频率时电感承受的谐振电压，UL.50和UC.50分别为工频50 Hz时的电感电压和电容电压。电感上谐振电压和工频电压与频率的关系曲线如图4所示。

表2 滤波器的元件参数及所受电压的计算结果Tab.2 Parameters of filter and calculative voltage borne by it

图4 电感上谐振电压和工频电压与频率的关系曲线Fig.4 Relation between resonant/fundamental voltage and frequency

由表2可得，当注入频率在60～70 Hz时，正常工作时L-C元件所承受的谐振电压和工频电压较高。参考注入20Hz频率信号时电感的谐振电压和工频电压，高频信号注入频率宜大于80Hz。

1.3 注入信号频率选择

目前20 Hz注入信号的保护算法是利用傅氏算法提取10 Hz频率的2次谐波分量。考虑信号提取的方便性，高频信号注入频率宜选择10 Hz的整数倍信号。

综合考虑保护灵敏度和滤波器参数设计和信号提取的方便性，高频段注入信号频率选择80 Hz，低频段注入信号频率选择运行成熟的20 Hz。

2 双频注入式定子接地保护方案设计

2.1 信号注入方式选择

考虑到20 Hz注入式定子接地保护的运行经验相当成熟，故在发电机全工况运行时始终注入20 Hz电压信号。当保护检测到定子绕组单相接地故障时，投入80 Hz注入式定子接地保护，采用该注入方式即解决了现有的20 Hz注入式定子接地保护在发电机启动过程中为了防止误动需要闭锁的问题，又避免了切换开关频繁动作引起的开关损耗。

2.2 双频注入式定子接地保护的基本原理

为了提高注入式保护的灵敏度，实现对发电机全工况运行进行保护，本文研究的双频注入式定子接地保护设置低定值跳闸段和高定值报警段，2段保护均带延时。

低定值段保护的动作判据：

高定值段保护的动作判据：

其中，Rg.20、Rset.L20、Rset.H20分别为注入信号频率为 20 Hz时的接地测量电阻、低定值和高定值；Rg.80、Rset.L80、Rset.H80分别为注入信号频率为80 Hz时的接地测量电阻、低定值和高定值；Isafe为安全电流限制定值。

双频注入式定子接地保护的逻辑框图见图5。

图5 双频注入式定子接地保护逻辑框图Fig.5 Logic diagram of generator stator grounding protection with double-frequency injecting source

当定子绕组单相接地时，测量20 Hz注入信号并计算接地电阻。当Rg.20≤Rset.H20时，切换开关投入80Hz注入式定子接地保护；当Rg.80＞Rset.L80时，表明无故障发生，投切开关延时断开；当Rg.80≤Rset.L80时，发出跳闸命令，延时跳闸；当Rg.80≤Rset.H80时，发出告警信号。

3 结论

本文从注入式定子接地保护灵敏度和滤波器参数设计等方面分析了高频段注入信号频率的取值范围，给出了一种新的双频注入式定子接地保护方案。该保护方案既解决了现有的20 Hz注入式定子接地保护在发电机启动过程中为了防止误动需要闭锁的问题，又避免了切换开关频繁动作引起的开关损耗。