20Hz注入式100%定子接地保护监视电压低原因分析及改进措施

陈凤华 吴 昊 高迪军



20Hz注入式100%定子接地保护监视电压低原因分析及改进措施

陈凤华1吴 昊2高迪军3

（1. 调峰调频发电公司惠州蓄能水电厂，广东惠州 516100；2. 调峰调频发电公司广州蓄能水电厂，广州 510900；3. 西门子电力自动化有限公司，南京 211100）

本文介绍了西门子20Hz注入式100%定子接地保护原理，针对三个方面：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、调试方法，均作了详细地介绍。另外，本文也分析了在调试时接地电流角度补偿与传变电阻的整定方法。

100%定子接地保护；监视电压；接地变压器；传变电阻

惠州蓄能水电厂机组保护装置生产厂家为AREVA，而100%定子接地保护采用西门子20Hz注入式保护装置。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，并通过对地负载（如发电机对地电容、发电机出口侧YN0变压器、定子对地阻抗等）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20Hz正弦波电压加于接地变压器的二次侧，通过接地变压器传导至定子回路。AREVA保护装置P345通过测量回路电压64S和电流64S，计算对地电阻64S，同时监视回路电压64S和电流64S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，需要闭锁100%定子接地保护，以免保护误动跳机。

图1 二次回路连接图1

图2 二次回路连接图2

1 100%定子接地保护监视电压低问题引出

我厂#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），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64S确实小于2.5V。而外部回路的阻抗近似为0.52W，负载电阻L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（0.33W为电缆电阻）。

（2）

若盲目调低闭锁电压定值作为解决办法，则不仅没有解决接地变压器二次负载电阻电压20低的问题，甚至还降低了保护的灵敏度。

2 接地变压器二次负载电阻电压低原因分析

电压20实际为接地变二次综合负载电阻与带通滤波器等值电阻i的分压，当频率一定时，回路电压20与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4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]，20变低。

2）20Hz电源发生器输出方波电压幅值降低，20变低。

3）20Hz带通滤波器等值电阻i变大，20变低。

4）温度下降，导致接地变压器二次负载电阻L电阻值变低，20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厂其他机组64S均略大于2.5V小于2.6V，B厂机组的电压64S略大于2.7V。

对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，当发电机中性点经接地变压器高阻接地，接地变压器二次负载电阻折算至发电机侧时，其阻值L应该接近或略小于发电机三相对地容抗[2]，可以起到限制暂态过电压的作用。因此，出于限制暂态过电压情况考虑，在接地变压器变比不变的情况下，不能擅自改变L阻值。而我厂接地变压器变比为18kV/0.5kV。查找保护装置P345说明书，有以下说明：“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L过小（应大于0.5W），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L，从而提高二次负载电阻L电阻电压20。

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，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的，实际选取变比大，接地变压器的二次负载电阻L小，对于20Hz带通滤波器在20Hz的等值电阻8W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8W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。

3 监视电压低的解决方案

如果发电机中性点的设计采用的是经接地变压器高阻接地的话，那么需要注意接地变压器变比选择，建议选择n/700V（n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，来实现提高监视电压的目的。

参考西门子关于提高定子100%接地保护灵敏度的标准方案[3]，如图3所示。

图3 西门子关于提高定子100%接地保护灵敏度的标准方案

在20Hz带通滤波器之后，增加一个10/2.875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为0.52W，归算至降压变压器高压侧，电阻值为0.52×(10/2.785)2= 6.704W，从而增大了分压，即

（5）

从而增大了加到定子绕组的20Hz电压值。这种方法的优点是，既提高了定子100%接地保护灵敏度，又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。

4 新增降压变压器后的检验、调试

改造后，为了检查装置接地电阻测量的准确度，按照0～10kW（步长1kW）分别在定子绕组和地之间挂故障电阻，然后将这些试验阻值E.test、装置测量到的20Hz电压和电流值20与20、角度20、装置读取的二次和一次阻值m.sec与m.pri分别记录下来，通过调整偏移角传变电阻值ps.correction、发电机接地负载电阻值L2.correction，逐步缩小测量误差，并将最终的偏移角修正值传变电阻值修正值ps.correction、发电机接地负载电阻修正值L2.correction作为最新定值分别输入“64S Angle Comp”、“64S Series R”、“64S Parallel G”。

1）当试验接地电阻值为∞时，传变电阻上的压降可以忽略，即

(-90°-)[5]（7）

2）试验接地电阻值为0时，压降均落在传变电阻上，即

将传变电阻修正值设置为

[4]

3）关于偏移角、传变电阻值ps.correction、发电机接地负载电阻值L2.correction的计算应用。向量示意图如图4所示。

需要注意的是，20为修正后的电压电流夹角（也是装置运算夹角），rel.1为归算至接地变压器二次综合电阻（实数）。

设

rel.2为发电机接地负载与接地电阻的并联电阻（归算至接地变压器二次），则接地电阻为

（11）

通过调整偏移角、传变电阻值ps.correction、发电机接地负载电阻值L2.correction参数定值，使E.test运算值与实际值的误差控制在±5%内。经过调试、参数优化后的保护测量值非常准确，与实际接地电阻值的误差很小[5]，参数优化前后保护测量值误差如图5所示。

图5 参数优化前后保护测量值误差

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，则应及时处理。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，可以供其他具有类似问题的电厂参考。

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[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, 106.

[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.

The Cause and Solution of Low Watching Voltage of Siemens 100% Stator Ground Fault Protection with 20Hz Voltage Injection

Chen Fenghua1Wu Hao2Gao Dijun3

(1. Power Generation Company Huizhou Pumped Storage Power Station, Huizhou, Guangdong 516100；2. Power Generation Company Guangzhou Pumped Storage Power Station, Guangzhou 510900；3. Machinery Industry Information Institute SIEMENS Electric Power Automation Co., Ltd, Nanjing 211100)

This paper introduces the principleof Siemens 100% stator ground fault protection with 20Hz voltage injection, meanwhile, it also gives the cause of low voltage on the secondary side of earthing transformer, the influence on protection sensitivity, as well as the improvement measure of raising voltage, the debugging method after improvement measure. In addition, the paper also analyzes the setting method of earth current angle compensation and transmission resistance when debugging.

100% stator ground fault protection; monitor voltage; grounding transformer; transmission resistance

陈凤华（1989-），女，广东省广州市人，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。