一起注入式定子接地保护误动分析与改进措施

王 林

（向家坝电厂，四川 宜宾644612）

0 引言

发电机定子是发电站的核心设备，保障其安全可靠的运行极为重要。运行经验表明定子单相接地故障是发电机定子绕组绝缘破坏最常见的故障，又往往是破坏严重的相间/匝间短路发生的先兆，所以100%定子接地保护动作的灵敏性和可靠性显得尤为重要，可以大大降低内部故障发生的几率。基于保护发电机主设备考虑，发电机定子接地除设有基波零序电压和3次谐波构成的100%定子接地保护外，还设一套注入式定子接地保护，以实现发电机静止、启停、正常运行等各种工况下100%定子接地保护。随着电站发电机运行管理经验的积累，人们对发电机注入式定子接地保护有了较全面系统的认识，但是注入式定子接地保护整定的难度较基波零序电压和3次谐波原理复杂许多。因此发电机在某种异常工况运行时，注入式定子接地保护误动作依然时有发生。本文对发生在某大型水力发电站的一起注入式定子接地保护误动作案例进行了介绍及深入分析，并给出了一些可行的改进措施。

1 注入式定子接地保护的设计与原理

注入式定子接地保护的二次接线如图1所示。发电机中性点经过接地变压器接地，接地变副边并联负载电阻Rn，辅助电源装置（RCS-985 U）将低频电压加在负载电阻Rn上，并通过接地变压器，将低频电压信号注入到发电机定子绕组对地的零序回路中。

图1 注入式定子接地保护二次接线图

注入式定子接地保护的实现原理如图2所示。正常情况下，注入的低频电流主要是流过对地电容的电容电流。若对地绝缘受到破坏，注入电流出现电阻性电流。保护装置（RCS-985）检测注入的电压、电流信号，通过导纳法可计算出接地过渡电阻阻值，可以反映发电机100%的定子绕组单相接地。

电阻判据分为高、低定值段，高定值段（灵敏段）动作于报警，低定值段动作于跳闸。

图2 注入式定子接地保护实现原理图

2 保护误动作情况与分析

2.1 保护动作情况简介

2019年 1月 24日 22：27：29：270某电站 1号机组减功率到零，正常停机至GCB分闸时，因开关机械故障发生了非全相运行。后来检查发现开关A、B相已断开，C相依然处于合位。此时发电机启动逆变灭磁，主变高压侧开关处于合位。22：27：35：469发电机A套保护发出“注入式定子接地灵敏段”动作；22：38：59：679，GCB 和主变低压侧间的隔离刀闸分开，切断发电机和系统侧联系后，“注入式定子接地灵敏段”动作复归。

2.2 保护动作的逻辑分析

发电机保护装置注入式定子接地保护逻辑原理如图3所示。

图3 发电机保护装置注入式定子接地保护逻辑原理

RE为发电机定子绕组接地电阻，发电机定子绕组的高定值（灵敏段定值）RE.SET.H为5 kΩ，报警延时定值5 s；发电机定子绕组的低定值（跳闸定值）RE.SET.L为1 kΩ，跳闸延时定值0.5 s；查看发电机保护A套装置定子接地保护故障波形报文，见图4。定子接地电阻（Rs）为2.04 kΩ，低于发电机定子绕组灵敏段定值，高于定子绕组低定值，故发电机A套保护装置注入式定子接地灵敏段动作与逻辑原理一致。

图4 1 FB发电机A套保护装置异常报文

2.3 保护动作（误动）的原因分析

根据以上逻辑分析，看似本次动作为正确动作。但实际根据故障录波分析以及后来停电检查，均未发现发电机定子及主变低压侧有接地的情况，对注入式定子接地保护相关回路及元器件进行检查未见异常。因此着手从影响注入式定子接地保护的外部因素查找原因：

2.3.1 发电机中性点3次谐波对注入式定子接地保护的影响

发电机中性点3次谐波电压会耦合到发电机中性点接地变压器低压侧，对注入式定子接地保护的采样产生影响。如表1所示，随着发电机中性点3次谐波增大，低频电压基本无变化、低频电流略微增大、低频电压电流间相角增大较明显。低频电压、电流的细微变化对接地电阻计算影响可以忽略，但相角对接地电阻计算影响较大。经计算，如果相角受3次谐波影响，偏差超过10°左右，注入式定子接地保护可能误报警，偏差超过25°左右，注入式定子接地保护可能误出口跳闸。

由表1数据可知，发电机在各种机端电压运行时，中性点3次谐波会影响注入式定子接地保护的信号采集，从而影响接地电阻的计算结果。从表中数据可知，低频电压、电流间相角在发电机停机状态和额定电压空载状态下偏差最大，达到了12.5°，此时注入式定子接地保护的计算电阻值仍大于5 kΩ，不会造成注入式定子接地保护误动作。因此，注入式定子接地保护采用相角补偿1（340.5°）、相角补偿2（349°）两段式补偿（以 80%Un为分界点），可以确保发电机在各种机端电压下运行正常。由以上分析可知，1 F注入式定子接地保护各项定值及参数设置正确，本次注入式定子接地保护（灵敏段）误动与中性点3次谐波无关。

表1 1 F各试验工况下注入式定子接地保护运行情况

2.3.2 发电机中性点基波零序分量对注入式定子接地保护的影响

发电机中性点基波零序分量会耦合到发电机中性点接地变压器低压侧，对注入式定子接地保护的采样产生影响。如表2所示，在发电机机端单相接地试验时，随着发电机中性点零序电流增大（此时发电机中性点3次谐波较小，影响不大），低频电压略微减小、低频电流略微增大、低频电压电流间相角增大较明显。在发电机单相金属性接地时，该变化对接地电阻的计算影响有限，可以忽略。但在发电机不接地或高阻接地或其他会产生零序分量的异常工况（例如三相不一致）时，该变化可能引起注入式定子接地保护误动作。因为发电机中性点零序分量较大，对发电机注入式定子接地保护的信号采集产生了影响，尤其是对低频、电压电流间相角的影响较大，导致发电机注入式定子接地保护灵敏段（定值为5 kΩ）动作。但在发电机正常运行工况下，不存在零序分量，可以忽略零序分量的影响。

表2 1 F发电机机端单相接地试验注入式定子接地保护运行情况

由表2数据可知：发电机中性点零序电流会影响注入式定子接地保护的信号采集，从而影响接地电阻的计算结果，因为发电机正常运行时不存在零序电流，因此不会影响注入式定子接地保护的运行。但是，在发电机非全相运行等异常工况下，会产生零序电流，可能导致注入式定子接地保护（灵敏段）误动作。

本次注入式定子接地保护误动就是由于发电机GCB开关分闸时，因开关C相机械故障未分开，发生了非全相运行，此时的发电机中性点零序电流为0.04 A（二次值），如图5所示，而发电机正常运行时接近为0 A。0.04 A的发电机中性点零序电流对发电机注入式定子接地保护的信号采集产生了影响，尤其是对低频、电压电流间相角的影响较大，使发电机注入式定子接地保护计算值低于灵敏段定值（5 kΩ），从而导致该保护误动作。

图5 1 F发电机中性点零序电流异常报文

3 改进措施

根据发电机保护装置注入式定子接地保护逻辑，如图3所示，注入式定子接地保护（灵敏段）仅判断接地电阻值是否低于某个值，从以上分析可知，在某种异常工况时（例如非全相运行）注入式定子接地保护（灵敏段）可能会误动作，对事故处理产生严重影响。因此建议在该逻辑判断中增加电流判据，如图6所示，增加发电机中性点零序电流I中性点＞Iset，根据规程规定，本水电站最大允许的接地故障电流值为0.08 A（二次值），因此可将发电机中性点零序电流I中性点＞0.08 A做为注入式定子接地保护（灵敏段）的必要条件。本次发电机异常运行时，中性点零序电流仅为0.04 A（二次值），注入式定子接地保护（灵敏段）不可能动作。

4 结语

发电机安全稳定运行是电网稳定的前提，因此发电机保护的可靠性及灵敏度均至关重要，但本文提到的发电机在某种异常运行工况时，发电机中性点零序电流对注入式定子接地保护接地阻值的计算产生干扰，进而导致误动是客观存在的。本文提出的改进措施在一定程度上避免了发电机在非全相运行这种异常工况时注入式定子接地保护（灵敏段）的误动作，同时也未调整注入式定子接地保护灵敏段的定值，对该保护的灵敏度未产生影响，在发电机实际发生定子接地时能够较灵敏的发出有效的预警，对其他电站同类型结构发电机组的运维有较好的借鉴意义。