低频三次谐波电压对注入式定子接地保护的影响

蔡朝辉，贺儒飞

(广州蓄能水电厂，广东 广州 510000)



低频三次谐波电压对注入式定子接地保护的影响

蔡朝辉，贺儒飞

(广州蓄能水电厂，广东 广州 510000)

根据广州蓄能水电厂注入式定子接地保护在电气制动过程发生误动的现象，分析了发电机电气制动工况下，定子中性点三次谐波电压对注入式定子接地保护算法的影响，并研究导致保护误动的动作条件。同时，提出了优化保护逻辑的解决方法，以防止保护误动，提高保护的可靠性。

发电机；定子接地保护；三次谐波电压；注入式；保护误动

注入式定子接地保护与发电机绕组的接地故障位置无关，能够反映整个定子绕组的绝缘水平，在大型发电机接地保护中得到广泛应用[1-3]。自其投入应用以来，曾发生过一些问题，如注入电源频率、内阻改变对保护灵敏度的影响，机组在20Hz附近频段运行对保护的干扰[1，3-4]等，这些问题现已得到有效解决。本文要探讨的是发电机中性点三次谐波电压对注入式接地保护造成影响的新问题，提到三次谐波电压，往往关注的是利用其构成另一种原理的100%定子接地保护，不会关联到注入式定子接地保护。本文通过广州蓄能水电厂注入式定子接地保护在电气制动过程中误动原因的分析，发现了低频三次谐波电压影响注入式定子接地保护的现象，并研究其动作机理，提出了防误措施。

1　注入式定子接地保护原理

注入式定子接地保护是在发电机定子回路与大地间外加一个电源信号，保护类型可分为外加直流型、外加12.5Hz交流电源型、外加20Hz交流电源型和外加二次谐波分量型。因为电源信号是外加的，不受接地位置影响，且在发电机静止、启动、停止和运行过程中均起保护作用，更重要的是这种保护方式对定子绕组各处故障检测的灵敏度相同，可以实时监测定子绝缘，优点非常突出[2，5]。以广州蓄能水电厂为例，经发电机中性点变压器注入20Hz电源型的定子接地保护原理如图1所示。

n为接地变压器变比，；400/5为电流互感器变比；500/200为电阻式电压互感器变比；Rn为接地变压器二次侧电阻，Rn=1.15 Ω；U64s为定子接地保护装置电压采样值；I64s为定子接地保护装置电流采样值；P345为施耐德保护装置。图1　注入式定子接地保护原理

20Hz外加电源经滤波器加于配电变压器的二次侧，通过变压器变换到定子回路。正常运行时发电机三相对地只有很小的电容电流。当定子绕组发生接地故障时，零序阻抗大大减小，外加电源产生较大的20Hz零序电流，保护装置检测注入的低频电压、电流，计算出接地故障的过渡电阻值，可以反应发电机定子绕组单相接地故障，使保护动作。

2　广州蓄能水电厂注入式定子接地保护误动实例

广州蓄能水电厂发电机注入式定子接地保护采用Siemens的20Hz电源发生装置7XT33和滤波装置7XT34，机组保护采用施耐德保护装置P345，设定两段接地电阻值，高定值段5kΩ延时5.0s作用于报警，低定值段1kΩ延时0.5s作用于跳闸。

图2　注入式定子接地保护动作录波

发电机电气制动过程中曾出现定子接地保护误动导致机组跳闸，保护动作录波如图2所示。

当定子电流频率降低至约6.68Hz时，机端定子三相电压幅值、相位相等，可判断为三次谐波电压，且频率与注入式电源频率一致，均为20Hz，其对应的波长为50ms。保护装置电压采样值U64s降低至0.796V，电流采样值I64s增大至15mA，I64s超前U64s波长约6.236ms。保护误动时发电机定子接地电阻值的计算如式(1)至(5)所示，其中Rpri为接地故障过渡电阻一次值，Rsec为保护装置计算电阻值。

保护装置电阻比率

(1)

I64s超前U64s相位

(2)

电阻性电流

(3)

保护装置计算电阻值

(4)

接地故障过渡电阻一次值

(5)

Rpri小于1 kΩ，延时0.5 s保护动作。根据录波图和计算结果分析，可能是电气制动过程中，频率为20 Hz的三次谐波电压通过配电变压器叠加到注入式定子接地保护采样回路，干扰保护装置采样，导致保护误动。

3　低频三次谐波电压对注入式定子接地保护影响分析

3.1机组正常运行过程

注入式定子接地保护等效电路[6-8]如图3所示，均折算到变压器二次侧。

R′pri为定子单相接地故障过渡电阻，；X′C为发电机对地容抗，X′C=7.16 Ω；Ri为外加20 Hz电源内阻，Ri=8 Ω；i为外加20 Hz电源电动势，i=25 V∠0°；64sp分别为接地变压器二次侧的电压和电流；分别为折算到保护装置中的值；330 Ω、660 Ω、660 Ω三个电阻用于将以500/200倍率转换为保护装置采样值(参见西门子20 Hz滤波器7XT34说明书)，因其电阻值远大于Rn，在实际计算时可忽略不计。图3　注入式定子接地保护等效电路

(6)

(7)

广州蓄能水电厂300MW、18kV机组正常运行时保护采样值见表1。

表1广州蓄能水电厂注入式定子接地保护正常采样值

机组编号U·64s/VI·64s/mARpri/kΩθ/(°)11.284.838.884.721.356.826.884.531.164.387.687.741.134.636.495.2

3.2机组电气制动过程

由于发电机气隙中的主磁场非正弦分布，利用傅立叶级数可将非正弦磁场分解为基波和一系列谐波，谐波磁场将在定子绕组中感应谐波电压，主要含有幅值为额定电压千分之几到百分之十的三次谐波电压，并可以等效看作集中在发电机中性点N和机端S[9]。

电气制动时发电机机端三相短路，定子三相基波电压为零，只存在三次谐波电压，频率为电流频率三倍。从录波图已知机端确实存在三次谐波电压，可推断中性点也必然存在三次谐波电压。

当机组转速下降至定子电流频率为6.67Hz时，中性点三次谐波电压频率为20Hz。此三次谐波电压通过配电变压器叠加到保护装置采样回路，等效电路如图4所示。

′N3为中性点三次谐波电压；′64sp分别为在′N3单独作用下产生的干扰电压和电流；330 Ω、660 Ω、660 Ω三个电阻用于将′64sp以500/200倍率转换为保护装置采样值(参见西门子20 Hz滤波器7XT34说明书)，因其电阻值远大于Rn，在实际计算时可忽略不计。图4　中性点三次谐波电压干扰等效电路

(10)

(11)

(12)

测量导纳[6-8，10]

(14)

接地故障过渡电阻一次值Rpri及其动作判据如下：

(15)

即Re(Y)>0.433时保护动作，其中Re(Y)为Y的实部。

进一步化简可得动作判据如下：

(16)

(17)

表2导致保护动作三次谐波电压取值范围

α导致保护动作的U'N3取值范围0°～130°U'N3取任意值,保护均不动作140°1.240V

综上所述，发电机电气制动过程中，当定子电流频率变化至三分之一注入式电源频率时，中性点或机端三次谐波电压频率与注入式电源频率相等，并通过中性点配电变压器或机端电压互感器叠加到保护测量回路中，干扰定子接地保护装置采样。但是只有三次谐波电压在一定幅值和相位时，才会造成保护误动，再加上保护出口有0.5s的延时，故此误动现象在实际运行过程中并不多见，没有引起足够的重视。

4　注入式定子接地保护防误措施

由于注入式定子接地保护在机组电气制动过程容易受干扰发生误动，因此必须考虑有针对性的防误措施。结合注入式定子接地保护功能逻辑以及机组启停迅速的特点，可以从以下两方面入手。

a)通过频率闭锁防止误动。如对于频率为20Hz的注入式电源，西门子采用10～40Hz频段闭锁，阿海珐采用15～25Hz频段闭锁，此频段只是针对机组运行在20Hz附近时，防止低频基波对保护的干扰，但不能避免低频三次谐波电压的影响。因此可以将闭锁频段设为20%fn～130%fn(fn为注入式电源频率，例如fn为20Hz时，闭锁频段为4～26Hz)，即能躲过低频基波的干扰，又能躲过低频三次谐波电压的影响。

b)通过外部条件实现闭锁。电气制动过程均只有几分钟时间，在短时间内发生定子接地故障可能性极小，且接地故障对机组影响不大。另外机组保护是双套配置的，另外一套保护如95% 接地保护仍能为定子提供接地保护，所以可以在电气制动过程将注入式定子接地保护跳闸出口闭锁。利用电气制动刀闸位置接点作为外部条件参与保护逻辑控制，保护逻辑如图5所示。当电气制动刀打开，即机组不在电气制动过程时，定子接地保护动作即能正常出口跳闸；而当电气制动刀合闸，即机组在电气制动过程时，闭锁定子接地保护动作出口跳闸，有效避免保护在电气制动过程误动。

图5　注入式定子接地保护优化逻辑

5　结论与建议

发电机三次谐波电压是发电机运行时所固有的，其频率随基波频率(即发电机运行频率)变化。电气制动工况时，机组运行频率不断下降，当降至6.67Hz附近时，由于三次谐波电压频率为20Hz，恰好与注入源频率相等，三次谐波电压通过配电变压器叠加到注入式定子接地保护回路中，对其电压电流采样造成影响。在特定幅值和相位的三次谐波电压作用下，将造成接地保护误动。对于经机端互感器注入的定子接地保护，虽然没有详细讨论，但结论同样适用。

以往厂家采取的频率闭锁措施并不能避免低频三次谐波电压的影响，建议采用外部刀闸位置信号闭锁逻辑，简单实用，能有效避免保护在电气制动过程中误动，提高保护的可靠性。

[1]王维俭，王祥珩，王赞基. 大型发电机变压器内部故障分析与继电保护[M]. 北京：中国电力出版社，2006：190-198.

[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，2002：196-200.

[3]侯有韬，张丽丽. 外加电源式定子接地保护影响因素的分析[J]. 电力系统保护与控制，2005，33(12)：27-31，81.

HOUYoutao，ZHANGLili.InfluencingFactorsofStatorGround-faultProtectionwithOutsideSources[J].PowerSystemProtectionandControl，2005，33(12)：27-31，81.

[4]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.

HERufei.RefusingActionandErrorActionoftheInjectionStatorEarthFaultProtection[J].SichuanElectricPowerTechnology，2005，28(1)：29-31.

[5]王维俭，侯炳蕴. 大型机组继电保护理论基础[M]. 北京：水利电力出版社，1989.

[6]毕大强，王祥珩，王维俭. 发电机中性点接地装置等效电路的分析[J]. 电力系统保护与控制，2003，31(1)：12-16.

BIDaqiang,WANGXiangheng,WANGWeijian.AnalysisontheEquivalentCircuitofGroundingEquipmentsattheNeutralofPowerGenerator[J].PowerSystemProtectionandControl，2003，31(1)：12-16.

[7]李德佳，毕大强，王维俭. 大型发电机注入式定子单相接地保护的调试和运行[J]. 继电器，2004，32(16)：51-56.

LIDejia，BIDaqiang，WANGWeijian.AdjustmentandOperationofInjectionVoltageSchemeAgainsttheStatorSinglePhasetoGroundFaultofLargeGenerators[J].Relay，2004，32(16)：51-56.

[8]张琦雪，席康庆，陈佳胜，等. 大型发电机注入式定子接地保护的现场应用及分析[J]. 电力系统自动化，2007，31(11)：103-107.

ZHANGQixue，XIKangqing，CHENJiasheng，etal.FieldApplicationandAnalysisoftheStatorEarthFaultProtectionwithVoltageInjectionforLarge-sizedGenerator[J].AutomationofElectricPowerSystems，2007，31(11)：103-107.

[9]贺家李，宋从矩. 电力系统继电保护原理[M]. 北京：中国电力出版社，2004：298-305.

[10]毕大强，王祥珩，余高旺，等. 高准确度外加20Hz电源定子单相接地保护研制[J]. 电力系统自动化，2004，28(16)：75-78.

BIDaqiang，WANGXiangheng，YUGaowang，etal.DevelopmentofaHighAccuracyStatorGroundFaultProtectionbyInjecting20HzVoltage[J].AutomationofElectricPowerSystems，2004，28(16)：75-78.

(编辑彭艳)

Influence of Low-frequency Third Harmonic Voltage on InjectionStatorEarthingFaultProtection

CAI Zhaohui, HE Rufei

(GuangzhouPumpedStoragePowerStation,Guangzhou,Guangdong510000,China)

AccordingtomisoperationofinjectionstatoreartchingfaultprotectionintheprocessofelectricbrakinginGuangzhoupumpedstoragepowerstation,thispaperanalyzesinfluenceofthethirdharmonicvoltageofstatorneutralpointonalgorithmforinjectionstatorearthingfaultprotectionundertheworkingconditionofgeneratorelectricbraking.Italsostudiesactionconditionscausingprotectionmisoperation.Meanwhile,itpresentssolutionstooptimizeprotectionlogicsoastopreventprotectionmisoperationandimproveprotectionreliability.

generator;statorearthingfaultprotection;thirdharmonicvoltage;injection;protectionmisopeartion

2016-03-09

2016-05-24

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.08.010

TM71；TM77

A

1007-290X(2016)08-0051-05

蔡朝辉(1987)，男，广东广州人。助理工程师，工学学士，主要从事抽水蓄能电厂电气二次技术工作。

贺儒飞(1977)，男，重庆人。高级工程师，工学学士，主要从事抽水蓄能电厂电气二次技术工作。