长沙枢纽蔡家洲水电站发电机定子100%接地保护浅析

邓朝君

（长沙市湘江综合枢纽工程办公室，湖南 长沙410200）

1 概述

湘江长沙枢纽工程为湘江干流9级开发的最下游一级，蔡家洲电站为河床式电站，厂房内装设6台单机容量为9.5 MW的灯泡贯流式水轮发电机组，总装机容量57 MW，年平均发电量2.315亿kW·h，年利用小时数4061 h。发电机-变压器采用扩大单元接线方式，2台主变压器的容量均为40000 kVA，每3台发电机与1台主变压器组成单母线分段接线形式；高压侧110 kV系统采用单母线接线，2进1出，接至威灵220 kV变电所。发电机电压等级为10.5 kV，中性点连接方式为星形，经单相变压器接地。6台机组保护系统均采用国电南京自动化股份有限公司SDG801D数字式保护装置，发电机100%定子接地保护由基波零序电压（3U0）式定子接地保护和三次谐波（3ω）式定子接地保护构成。

2 保护原理

基波零序电压（3U0）式定子接地保护范围为由机端至机内90%左右的定子绕组单相接地故障，保护接入电压3U0取自发电机机端电压互感器TV开口三角绕组两端。零序电压（3U0）值随着接地故障点位置的不同而改变，接地点距离中性点越远，零序电压越高；当接地点在中性点附近时，零序电压接近为零。该保护设置有三次谐波滤波环节，主要反映基波零序电压，从而降低了保护整定值，有效地提高了保护的灵敏度。由于发电机三相绕组对地电容不完全对称，正常运行时，中性点存在位移电压；且在中性点接地时，其零序电压（3U0）为零，因此基波零序电压（3U0）式定子接地保护在中性点附近存在保护死区。

三次谐波（3ω）式定子接地保护原理是利用单相接地故障前后发电机中性点与机端三次谐波电压变化特点不同构成的。正常运行时，中性点三次谐波电压U3ωN幅值比机端三次谐波电压U3ωT幅值大；当靠近中性点附近定子接地时，机端三次谐波电压U3ωT幅值大于中性点三次谐波电压U3ωN幅值。该保护设置有较高的基波分量滤过比，保护定值采用自动整定方法，通过调试软件确定动作系数和制动系数。三次谐波式定子接地保护主要是为了消除基波零序电压式定子接地保护在中性点附近的保护死区，二者共同构成了100%定子接地保护。

2.1 基波零序电压（3U0）式定子接地保护

2.1.1 保护原理

本站机组零序电压保护接入电压3U0取自发电机机端电压互感器（TV）开口三角绕组两端，其交流输入回路如图1所示。

保护动作方程如下：

式中，3U0—机端TV开口三角绕组二次侧电压；

3U0g—动作电压整定值

图1 基波零序电压（3U0）式定子接地保护交流接入回路

2.1.2 逻辑框图

为确保TV一次断线时保护不误动，引入TV断线闭锁。其保护逻辑框图如图2所示。

图2 基波零序电压（3U0）式定子接地保护逻辑框图

2.1.3 定值清单

发电机基波零序电压（3U0）式定子接地保护整定值如表1。

表1

基波零序电压式接地保护设置有性能良好的三次谐波滤过器，其动作电压3U0g按躲过正常运行时机端三相电压互感器TV开口三角绕组二次侧可能出现的最大不平衡电压来整定；同时校核高压侧110 kV系统和厂变低压侧400 V系统发生单相接地时通过耦合电容传递到发电机侧的零序电压大小，主要从动作电压整定值和动作延时两方面来考虑该保护与系统接地保护之间的配合问题，以确保发电机零序电压保护的可靠性。

2.2 三次谐波（3ω）式定子接地保护

2.2.1 保护原理

三次谐波电压（3ω）式定子接地保护按比较发电机中性点及机端三次谐波电压的大小和相位构成。其保护范围是：发电机中性点向机内20%左右定子绕组的接地故障，与零序基波电压（3U0）式定子接地保护联合构成100%定子接地保护。正常运行时，发电机中性点侧的三次谐波电压大于发电机机端的三次谐波电压（即U3ωN＞U3ωT），此时保护不会动作；而在中性点附近发生接地故障时，机端三次谐波电压大于中性点侧的三次谐波电压（即U3ωT＞U3ωN），该保护正确动作。

为了提高该保护的灵敏度，本站三次谐波电压（3ω）式定子接地保护需采集两组电压互感器TV电压值，即发电机中性点TV和机端TV开口三角绕组二次侧电压，其交流接入回路如图3所示。

图3 三次谐波电压（3ω）式定子接地保护交流接入回路

本站发电机三次谐波定子接地保护，采用矢量比较式（大小和相位）原理，其动作方程如下：

在实际应用中，对以上方程式做如下处理：

则动作量Udz和制动量Uzd分别为：

最终动作方程为：

式中，k1、k2、k3——三次谐波式定子接地保护调整系数定值；

U3ωN、α——发电机中性点三次谐波电压及其相角；

U3ωT、β——发电机机端三次谐波电压及其相角；

N——三次谐波通道折算系数。

2.2.2 逻辑框图

三次谐波电压（3ω）式定子接地保护逻辑框图如图4所示。

图4 三次谐波电压（3ω）式定子接地保护逻辑框图

2.2.3 定值清单

发电机三次谐波电压（3ω）式定子接地保护整定值如表2所示：

表2

幅值、相位、制动系数k1、k2、k3的整定，利用保护装置SDG801 D数字式继电保护调试软件在发电机并网带20%～30%额定负荷下进行自整定和调整。

3 运行初期存在的问题及处理

运行初期，3号机组在并网带负荷运行时经常出现三次谐波电压（3ω）式定子接地保护动作，导致机组被迫停运。

3.1 问题描述

3号机组空载运行正常，当并网带上一定的负荷后，便发“三次谐波电压（3ω）式定子接地保护动作”。本站最初设计是将保护装置的出口信号“基波零序电压式定子接地保护”和“三次谐波电压式定子接地保护”作为一个DI数据送至计算机监控系统，即“发电机定子接地保护动作”，启动出口动作流程，其动作后果均为“跳发电机出口开关，灭磁，停机，发事故信号”。这样，在运行初期，3号机组并网带负荷后经常出现三次谐波电压（3ω）式定子接地保护动作，致使3号机组被迫停运。检查保护动作相关信息，显示动作量（Udz）大于制动量（Uzd），即Udz＞Uzd；查看故障录波图，发电机三相电压均正常，没有发现明显的问题。

3.2 检查及处理

运行初期因多次出现3号机组在并网带负荷运行时三次谐波电压（3ω）式定子接地保护动作出口，导致机组非停。相关技术人员对3号机组进行了全面检查，测量发电机定子绝缘正常，检查发电机中性点刀闸合上正常，逐一检查发电机相关设备均未发现明显问题。后经零起升压检查正常并网带负荷运行，没过几分钟该保护又动作出口，机组停机。

针对这一现象，维护人员认真比对6台机组发电机三次谐波电压（3ω）式定子接地保护整定值，并将相关情况与保护设备厂家试验人员进行充分交流，确定出现该现象的原因是发电机三次谐波电压（3ω）式定子接地保护调整系数k1、k2、k3整定值不合理，从而导致3号机组该保护误动作；其他几台机组因调整系数k1、k2、k3整定值不合理，存在发电机三次谐波定子接地保护永远不动作的情况。

后来保护设备厂家试验人员来现场对所有机组的发电机三次谐波电压（3ω）式定子接地保护整定值按要求进行了重新整定。通过保护调试软件，当机组带20%额定负荷，中性点不接电阻，待整定三次谐波动作量接近于0时，整定并固化此时的k1和k2值；同时在该工况下，在发电机中性点和地之间接入一电阻（2 kΩ左右），调节3ω保护的动作量及制动量，使动作量略大于制动量，整定并固化k3值。按照要求，k1、k2、k3整定并固化后，要进行真机接地试验来校验保护动作的灵敏度。即在发电机电压为零时，在中性点接入一接地电阻（2 kΩ左右），发电机零起升压至3ω保护动作。若发电机升至额定电压保护还未动作，需将中性点电阻减少之后，再重复试验，直到3ω保护动作。

3.3 采取措施

鉴于本站发电机三次谐波电压（3ω）式定子接地保护存在误动作的情况，导致机组非停，经生产负责领导同意，将6台机组发电机保护装置出口信号“3U0定子接地保护”和“3ω定子接地保护”送至计算机监控系统时分开，在计算机监护系统设置2个独立的DI数据点，并完善相关二次回路的布线等工作，分别执行不同的动作程序，即“3U0定子接地保护”的动作后果是“跳发电机出口开关，灭磁，停机，发事故信号”；“3ω定子接地保护”仅发告警信号。

4 结语

基波零序电压式定子接地保护原理简单，动作可靠，但其存在保护死区，当从中性点向机内10%左右的定子绕组发生接地故障时，该保护不动作。与基波零序电压式定子接地保护配合共同完成100%定子接地保护的三次谐波式定子接地保护存在误动的风险，且目前难以进行很好地改进。在今后的运行维护工作中，技术人员还需不断摸索和总结，积极探索新技术，确保蔡家洲水电站100%定子接地保护的可靠性和灵敏性。