西门子注入式定子接地保护监视电压低分析及处理

陈凤华 吴昊

摘 要：本文介绍了西门子20 Hz注入式100%定子接地保护原理，针对注入式保护接地变压器二次监视电压低的原因、对保护灵敏度的影响，及其改进措施，均作了详细的介绍。

关键词：100%定子接地保护；监视电压；接地变压器；传变电阻

1 概述

西门子20Hz注入式保护是应用广泛的100%定子接地保护装置。该保护原理为利用外部20Hz的电源施加在发电机接地变压器的二次侧，20Hz电压通过接地变压器传导至发电机定子，通过对地负载而产生回路电流，保护装置通过检测二次侧的20Hz电压电流值，计算其二次阻抗的大小，进而折算出一次侧接地电阻的大小，以确定保护的动作行为。二次回路连接图如下图1、图2所示，发电机中性点接地方式为经接地变压器高阻接地，20Hz脉冲电源发生器7XT33经带通滤波器7XT34，将电压加于接地变压器的二次侧，通过接地变传导至定子回路。AREVA保护装置P345通过测量回路电压V64S和电流I64S，用来计算对地电阻R64S，同时监视回路电压V64S和电流I64S检查电源装置是否输出异常、回路是否开路，当电压、电流都低于某一监视门槛时，为避免100%定子接地保护误动或误动，则需要闭锁100%定子接地保护，以免保护误动跳机。

2 监视电压低故障

惠蓄电厂#4机组100%定子接地保护曾在停机稳态时出现电压低闭锁保护告警信号。闭锁电压定值为1V，闭锁电流定值为10mA。

回路的电压是经过2/5分压电阻进行采样的（采样后电压为V64S′），即P345采样电压为1V时，实际加到接地变压器二次侧的回路电压为：

现场测量#4机组的监视电压V64S确实小于2.5V。而外部回路的阻抗近似为0.52Ω负载电阻RL与保护盘柜到接地变压器盘柜的电缆电阻串联后的阻抗之和，实际加到接地变二次电压甚至更低（0.33Ω为电缆电阻）。

如果盲目调低闭锁电压定值作为解决办法，不仅没有解决接地变压器二次负载电阻电压U20低的问题，甚至还降低了保护的灵敏度。

3 原因分析

电压U20实际为接地变二次综合负载电阻与带通滤波器等值电阻Ri的分压，当频率一定时，回路电压U20與接地变二次综合负载电阻之间基本呈正比关系，因此监视电压变低的可能有以下四个原因：

1）20Hz电源发生器7XT33输出频率降低，导致带通滤波器的等值阻抗随频率降低而增大，使其电阻分压增大[ 1 ]，U20变低；

2）20Hz电源发生器输出方波电压幅值降低，U20变低；

3）20Hz带通滤波器等值电阻Ri变大，U20变低；

4）温度下降，导致接地变压器二次负载电阻RL电阻值变低，U20变低；

通过测量及更换电源、滤波器备件等方法，仍不能使监视电压提高，电压低闭锁保护告警依然存在。

对比我厂其他机组的监视电压值，A厂其它机组V64S均略大于2.5V小于2.6V，B厂机组的电压V64S略大于2.7V。

由于监视电压值均比较接近告警定值，我们认为是由于接地变压器二次负载电阻设置过低造成。根据ANSI.IEEE C37.101—1985《发电机接地保护导则》的要求，发电机中性点经接地变压器高阻接地时，接地变压器二次负载电阻折算至发电机侧时，其阻值RL应该接近或略小于发电机三相对地容抗[ 2 ]（RL是发电机设计阶段根据定子对地负载而设计，过大容易导致产生过电压、过小容易导致过大的接地电弧电流），可以起到限制暂态过电压的作用。

惠蓄电厂的发电机定子三相对地容抗为：

而接地变压器二次负载电阻归算至定子绕组侧的电阻值为：

RL=0.52×（）2 =674Ω

理論上可以通过增大接地变压器二次负载电阻的方法来提高100%定子接地保护监视电压。

但是，增大接地变压器二次负载电阻后，需重新核算相关接地保护定值，而且需要重新采购负载电阻RL，工作量较大，另外考虑到定子对地电容参数的变化误差所引起暂态过电压，在接地变压器变比不变的情况下，建议保持RL阻值不变。而接地变压器变比为18kV/0.5kV。保护装置P345说明：“对于接地变压器来说，为了避免出现饱和，变压器一次额定电压应选择为发电机额定线电压18kV，与此同时，为了避免接地变压器二次侧负载电阻RL过小（应大于0.5Ω），接地变压器变比不能选择过大，例如变压器二次额定电压可以选择为500V”。而实际上，接地变压器的二次额定电压可以选择更大一点，譬如700V或以上，这样便可以选择阻值更大的二次负载电阻RL，从而提高二次负载电阻RL电阻电压U20。

综上所述，监视电压低的根本原因是接地变压器的二次负载电阻过低造成，接地变二次负载电阻低又是由于接地变变比选取不合适造成，实际选取变比大，接地变压器的二次负载电阻RL小，那么对于20Hz带通滤波器在20Hz的等值电阻8Ω来说，接地变压器二次回路电压为（考虑电缆电阻）。

考虑20Hz脉冲发生器输出电压可能达不到25V、20Hz带通滤波器等值电阻大于8Ω等因素，监视电压值很可能小于2.5V，这样的后果不仅容易闭锁定子100%接地保护，而且降低了定子100%接地保护的灵敏度，对于高阻接地有可能发生拒动。

4 解决方案及建议

如果发电机中性点的设计是采用经接地变压器高阻接地的话，需要注意接地变压器变比选择，建议选择Un/700V（Un为发电机额定线电压）。但是对于已投运电厂，需要更换一次设备，成本投入很大，下面我们提出一种通过增加中间变压器的简单有效而且成本低的方法，实现提高监视电压的目的。

参考西门子标准方案[ 3 ]，如图3。在20Hz带通滤波器之后，增加一个10/2.785的降压变压器，假设发电机对地电阻视为∞，那么接地变压器二次综合电阻约0.52Ω，归算至降压变压器高压侧，电阻值为0.52*（10/2.785）2=6.704Ω，从而增大了分压。

从而增大了加到定子绕组的20Hz电压值。这种方法的优点既提高了定子100%接地保护灵敏度，也没有变更保护装置接地电阻的测量计算方法，甚至理论上连传变电阻参数、发电机负载参数、电流互感器电流偏移角等调试参数都不用变更（若忽略电缆电阻的话），只需要增加一个降压变压器的成本即可，可执行性高。

5 结论

20Hz注入式100%定子接地保护而言，加在定子上的20Hz电压幅值大小对保护的灵敏度和可靠性有很大影响，定检中应列为重点检查项目，若电压不足应及时处理。对于已投运的发电机来说，通过增加降压变压器可以有效提高从20Hz电源发生器往发电机看过去的二次负载电阻，明显提高加其上的20Hz电压幅值，使100%接地保护灵敏度与可靠性两个指标得到有效的改善，可以为其它具有类似问题的电厂提供参考。

参考文献：

[1] 贺儒飞.外加电源方式100%定子接地保护的拒动与误动问题[J].四川电力技术，2005，？28（1）：29-31.

[2] 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，1996.

[3] 20Hz SEF 100% Solution__20Hz 定子100%接地故障处理方案[Z].西门子电力自动化有限公司，2009.

[4] 伍利，彭金宁，姚李孝，等.大型发电机组注入式定子接地保护调试与整定[J].中国电力，2013，46（9）：92-95.

[5] 宋建军，高迪军.西门子20Hz电压注入式100%定子接地保护原理及调试[J].电力科学与工程，2011，27（8）：38-41.

作者简介：

陈凤华（1989-），女，广东广州人，本科，技师，主要从事蓄能机组机变保护和励磁等系统的维护、研究与故障处理工作。