发电机定子接地保护可靠性提升策略

何子春，李国其，张 强，李养俊，张 莉

(华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

0 引言

作为发电机组主设备的发电机，价格昂贵，维修周期长，保障其安全、稳定运行的继电保护的可靠性直接决定着整台机组的经济指标。近年来，关于发电机故障停机或保护误动、拒动事故在行业内外均有发生，特别是发电机定子接地故障频次大幅上升，值得注意的是发电机定子接地保护误动或附属设备故障引起保护动作的安全隐患问题。作为发电机定子主保护之一的定子接地保护，需要准确反映发电机定子异常并能够可靠切除故障。因此保证定子接地保护高可靠性与灵敏性显得尤为重要。

1 设备配置

某发电机组发电机定子绕组出口配置有3组电压互感器，测量发电机机端电压，用于测量、计量、励磁和发变组保护之用。发电机端用于定子接地保护PT为固体分级绝缘电压互感器，变比kT为：

发电机中性点经专用接地变高压绕组和零序CT接地，接地变低压侧接有分压电阻箱，接地变变比bT为：

式（1）（2）中UG为发电机额定电压，单位为V。

2 发电机定子接地保护原理分析

发电机基波零序电压保护可以保护靠近机端85 %～95 %定子绕组区段，且故障点越靠近机端保护灵敏度越高；而三次谐波接地保护用于保护靠近发电机中性点15 %～20 %定子绕组区段，而且故障点越靠近中性点保护灵敏度越高。将两者结合，即可实现保护100 %的定子绕组。

2.1 基波零序电压定子接地保护

发电机定子基波零序电压保护反应发电机零序电压基波分量。基波零序电压保护设两段定值，一段为灵敏段，另一段为高定值段。

灵敏段基波零序电压保护，动作于跳闸或信号时，其动作方程为：

式(3)中UN0为发电机中性点零序电压，U0LZD为零序电压低定值。

高定值段基波零序电压保护，取中性点零序电压为动作量，动作方程为：

式(4)中U0HZD为零序电压高定值，高定值段可单独整定动作于跳闸全停。

2.2 三次谐波电压比率定子接地保护

发电机三次谐波电压比率判据中，机端三次谐波电压取自机端开口三角，中性点三次谐波电压取自发电机中性点接地变电阻箱分接抽取电压。三次谐波保护动作方程为：

式(5)中U3T，U3N为机端和中性点三次谐波电压值，K3WZD为三次谐波电压比值整定值。需要注意的是，机组并网前后，机端等值容抗有较大的变化，三次谐波电压比率关系将随之变化，需要分别整定并随发变组并网断路器触点变位自动切换。三次谐波电压比率判据一般整定为发信。

2.3 三次谐波电压差动定子接地保护

三次谐波电压差动判据：

3 发电机定子接地保护异常显示

正常运行中，很多机组的发变组保护装置发电机电压综合量显示异常，即发电机机端与中性点三次谐波电压采样数据不合常理，中性点三次谐波采样值严重小于机端三次谐波采样值，实例见表1。

表1 发电机定子接地保护采样值 V

依照发电机三次谐波电压比率定子接地保护原理(见式(5))与定值单中比率定值α的取值(并网后α设定为1.5)，此时发电机三次谐波定子接地保护应该出口动作报警，但实际上，在超过3年运行中此保护并未动作报警。针对拒动问题，有必要进行深入调查研究。

4 发电机定子接地保护采样异常调查

经过现场检查发现，发电机中性点接地变电阻箱分接档位接线错误，其接于最低档0.16 Ω(总电阻为0.54 Ω)，引起发电机中性点基波和三次谐波零序电压采样值异常变小，造成发电机端与发电机中性点零序电压三次谐波分量比率异常增大(见表1)，若按定值单中α为1.3或1.5整定，将引起发动机三次谐波定子接地保护误动，干扰机组稳定运行，也可能带来运行人员的误判操作或决策的严重后果。特别是在发电机定子绕组部分区段真正发生接地故障时，由于零序电压采样值偏小并可能低于整定值，将发生基波接地保护拒动造成严重的设备损毁安全事故。依现场核查结果，三次谐波定子接地保护在“误接线”的情况下未发生报警或误动的原因为：在调试阶段整套启动中，α被在线整定为3.85 (未按定值单整定，实测值为3.67)，而三次谐波电压差动判据未投入，所以三次谐波定子接地保护在“误接线”“误整定”的情况下长期未能报警输出。此系发电机定子接地保护“误接线”“误整定”未遂事件。

5 定子接地保护“误整定”原因分析

5.1 发电机端PT开口三角3U0T电压计算

当发电机机端发生金属性单相(A相)接地故障时，机端零序电压相量如图1所示。

图1 机端A相金属性接地零序电压相量

图1中：

据此，按发电机机端PT变比式(1)计算3U0T如下：

5.2 发电机中性点接地变零序电压U0N计算

当接地变压器变比为式(2)时，机端单相金属性接地中性点接地变二次零序电压为：

显然，机端开口三角零序电压3U0T与中性点零序电压U0N在同一接地故障中的采样值不一致，难以进行比率或差动计算，且易发生错误整定。为此，发电机中性点零序电压U0N可以通过电阻箱分接档位进行分压抽取，使U0N尽可能与机端3U0T为相同变比的测量值，保证定子接地保护中动作量与闭锁量、动作量与制动量的测量一致性。电阻箱抽头R抽头选择按式(9)计算可得：

5.3 定子接地保护“误整定”原因分析

(1) 定值计算时，U0N错误地按额定值100 V而不是133 V计算出零序过电压整定值U0dz，生产部门也按此定值单进行整定，却很少考虑此定值是否匹配中性点接地变压器的实际变比及电阻箱的分接位置。

(2) 在实际接线中，由于施工方和调试方疏忽，或不清楚原理使得“误接线、误整定”问题“隐形”并长期存在，静态或动态中也很难发现或验证，发电机定子接地保护不可避免地“带病”运行，严重威胁着发电机安全。

6 发电机定子接地保护接线正确性核查

在发电机二次接线安装完成后，依照发电机出口PT和中性点接地变的二次设计接线图须做如下检查和确认。

6.1 核查机端PT的开口三角电压接线

首先，保证定子接地保护用PT选用100/3变比绕组，且极性一致，首尾相接，最后引出c相尾N600直接接地，a相头UL不经开关或熔断器直接分屏引入发变组保护柜或录波柜，作为发电机端零序开口电压，用于发电机基波定子接地保护之用。

6.2 校核中性点接地变及电阻箱安装接线

根据中性点接地变铭牌上的接地变变比，计算发电机机端金属性接地时发电机中性点接地变二次零序电压值U0N：

式(10)中UG为发电机额定电压，bT为接地变变比。根据式(9)计算接地变电阻箱的分接位置R抽头，按照计算结果选择合适的分接档位。

6.3 空载或负载工况下准确性检查

发电机空载或负载运行中，若机端PT开口三角接线正确，接地变电阻箱分接位置选择合适，按照发电机磁链分布中的漏磁分布，中性点三次谐波的幅值应明显地大于机端三次谐波(基波无明显变化)，从原理上验证了发电机100 %定子接地保护一、二次接线的正确性。若发现机端三次谐波幅值明显大于中性点三次谐波的测量结果，则表明发电机接地变一次或二次接线不正确，须核查。

6.4 定子接地保护定值计算书审查

在发电机保护定值计算中，很多计算单位按机端PT开口三角绕组100/3的变比进行计算并以此作为动作量编制定值单，定值整定人员极易忽略接地变分压电阻箱的分接档位，发生保护定值与现场设备匹配问题，极可能酿成保护“误动”或“拒动”的严重安全事故，后果严重。因此必须认真审查保护定值计算的正确性。

7 提升发电机定子接地保护可靠性策略

7.1 消除发电机附属设备接地隐患

一方面要排查发电机出口PT一次绕组绝缘隐患；另一方面要排查发电机出口封母或与封母相连相对较低的位置，如主变低压侧或厂高变高压侧的盘式绝缘子等部位发生结露或积水隐患，防止发生击穿或闪络，继而引起发电机开口三角零序电压U0T与中性点零序电压U0N突增引起停机事故。采取以下排查及预防策略。

(1) 按二十五项反措要求对发电机出口PT定期开展局放试验，及时发现并排除绝缘隐患。

(2) 加强对封母微正压装置及其输气管线的管理、日常巡检和定期检查，保证微正压装置自动启停功能正常投入，严禁人为退出或间歇运行。尤其要加强对输气管线的完好性排查和治理，保证连接紧固、密封畅通。

(3) 利用大小修或停机机会，对封母的绝缘状况，尤其是盘式绝缘子结露情况进行内窥检查，消除结露或积水隐患。

(4) 对发变组封母的密封垫进行定期检查或更换，防止雨水或湿气窜入封母。

7.2 消除发电机中性点附属一二次设备接地故障

发电机中性点附属设备绝缘损伤或因漏油漏水引发的接地故障，是引起发电机定子基波接地保护失效和三次谐波定子接地保护误动的重要因素。如发电机在线局放仪传感器绝缘降低或破损、接地变绕组及电阻箱接地、二次线掉落或松动等异常，都将引起发电机中性点基波零序电压3U0N降低或失去，依据(3)(4)(5)(6)式，易造成发电机基波定子接地保护的拒动和三次谐波定子接地保护的误动事故，给机组安全和故障诊断带来严重挑战。采取以下排查及预防措施。

(1) 按照预试规程要求定期开展接地变及电阻箱的预试工作，保证接地变、电阻箱及其接线绝缘良好。

(2) 加强定期清扫与设备紧固等维护工作，预防设备或接线因沾污引起绝缘降低、接线松动或脱落，保证零序电压采样正确可靠。

7.3 排查并消除保护“误整定”和“误接线”隐患

依据机端出口PT和中性点接地变铭牌参数中的变比，按式(7)和式(8)对定值计算书进行校核，确认发电机基波和三次谐波定子接地保护定值单中零序电压动作量和变比选取与计算一致；特别要检查接地变电阻箱的分接档位并按式(9)进行分压计算，确认发电机中性点零序电压U0N接线和保护装置采样正确可靠，从根本上杜绝继电保护“误整定”和“误接线”事故。

8 结束语

发电机定子接地保护动作的正确性、可靠性是保证发电机与机组安全的重要保障。在实际工作中，要高度重视发电机定子接地保护施工遗留隐患治理、定值整定核查与监督工作，确保保护正确可靠投入，并按规程要求做好定期检验与维护工作，消除各种事故隐患，防止保护“拒动”和“误动”恶性事故发生，保障机组长期安全稳定经济运行。