基波零序电压定子接地保护跳闸分析

郑福民，陈 华，唐明武，刘俊红，张发强

(国家电投云南国际电力投资有限公司小其培发电分公司，云南 保山 678099)

0 前言

国家电投云南国际电力投资有限公司建设的小其培电站位于缅甸克钦邦境内，原设计由中缅伊洛瓦底江水电开发工程提供施工电源，电站于2011年9月投入运行，后因缅北“4·26”武装冲突而停运。2013年，应缅甸政府请求，云南国际修复电站并重新投运。

电站装设3台立式冲击式水轮发电机，容量3×33 MW，主接线为发电机—变压器单元接线，其中3号发电机出口直接向近区周边缅甸城镇供电。投运后经常发生3号机基波零序电压定子接地保护动作报警及出口跳闸故障。

从2013年10月恢复发电生产到2017年10月，电站基波零序电压定子接地保护动作出口断路器跳闸有11次，损失大量电量，造成缅北停电。

1 故障特点

运行记录表明，全部基波零序电压定子接地保护动作均发生在3号机组，事后经检查和试验证明，基波零序电压定子接地保护启动和动作出口跳闸均非机组定子本体绝缘或附属设备问题所致。进一步分析发现，3号机日常运行时机端自产零序电压1.419 V，机端开口三角电压0.607 V，相比1号机的正常值(0.755 V，0.187 V)，分别偏高了1倍和3倍左右，即日常运行时3号机基波零序电压定子接地保护有一个高于正常值的零序电压值。

2 接地保护原理

2.1 定子绕组单相接地保护原理

发电机出口不平衡电压通常可分解出基波和三次谐波。当主变压器高压侧发生单相接地时，高压侧零序电压会通过主变压器高、低绕组间的电场耦合传给发电机，引起定子接地保护的误动作。

发电机定子绕组单相接地保护由两部分构成。

(1) 基波零序电压元件。装设以主变压器高压侧零序电压为制动量、发电机零序电压为动作量的基波零序电压型定子接地保护，电压一般取15 V (发电机机端接地时，机端TV开口三角电压为100 V)，其保护范围不少于定子绕组的85 % (从发电机端开始)，保护作用于跳闸。

(2) 利用三次谐波电压构成的定子接地保护。用以消除基波零序电压元件保护不到的死区，其保护范围应不小于定子绕组的20 % (从发电机中性点端开始)。

保护原理以机端三次谐波电压US3作为动作量，中性点三次谐波电压UN3作为制动量，且当US3/UN3≥Kset(按规定整定的动作值)时保护动作发信号，二者结合构成了100 %发电机定子绕组单相接地保护。

该电站定子接地保护零序电压取自发电机中性点消弧线圈的二次电压和机端三相TV的开口三角绕组电压。

2.2 基波零序电压定子接地保护定值

电站基波零序电压定子接地保护高值动作电压按发电机机端单相接地时零序电压的15 %整定，取15 V；动作时间大于变压器高压侧接地保护动作时间，取1.0 s，作用于跳闸；低值零序电压整定5 V，延时3 s，动作用于信号。

定子接地保护定值见表1。

表1 定子接地保护定值

3 接地保护动作原因分析

3.1 现场检查

在发生的各个基波零序电压定子接地保护动作事件中，每次动作后值班运行人员均对发电机本体、互感器(TV，CT)、保护装置、控制盘柜等进行检查，均未见异常；同时对发电机三相绝缘进行测量，数值均在数百MΩ的正常范围内；吸收比也显示正常；未发现机组定子或其他一次回路存在问题。

查看2015-03-17的故障录波情况，发现3号机组基波零序电压定子接地保护动作跳闸，机端开口三角电压为105.7 V，且3号机组零序电压远高于其他机组。

3.2 专业检测

由于引发基波零序电压定子接地保护跳闸的真正原因尚未找到，电站采取的措施是加强日常运行监盘、观察和应急处理。同时，聘请专业技术公司进行检测分析，结论是建议调高保护定值，避免误发信号。但真正原因依旧未找到，统计显示基波零序电压定子接地保护动作更多是报警信号。

3.3 持续分析排查

分析基波零序电压定子接地保护跳闸，均由3号机引发，之后的检查和测量均未发现机组内部及其附属设备有问题。于是，从这一特征入手，将查找方向转移到3号机外部连接。从主接线来看，3号机有不同于其他机组的外部接线，其特点是发电机出线031断路器出口还经032断路器通过线路直接向近区周边其培市、南坞等区域的民众供电，如图1所示。

图1 3号机组一次接线

查看历次定子接地保护跳闸事件原因记录可知，2015-03-17，3号机组定子接地跳闸，值班运行人员接到缅甸三菱公司电管人员电话报告，当地有人砍竹子，竹子倒在10 kV源其线上。运行人员断开10 kV线路开关，3号机组随即恢复与缅电电网正常并网。

当报告竹子已清理，申请线路试送电时，3号机组定子接地保护再次动作，出口断路器031跳闸，检查发现10 kV跌落保险B，C相熔断。更换处理后，测量线路绝缘合格，恢复对10 kV近区正常供电。初步判断10 kV线路问题是导致机组定子接地保护动作的重要原因。

查10 kV源其线044开关保护设置有低压过流、零序过流及过负荷保护，除过流I段外，其他保护均有较长延时，即在线路发生单相(瞬时)绝缘下降(接地)的扰动下，上述线路保护灵敏度不够，达不到动作条件，但接地故障的扰动可直接传导到3号机组，从而引发定子接地保护动作而切除故障。

2015-06-08T02：39，3号机组定子接地保护动作跳闸(事后经技术公司试验判断是线路碰上摇摆的竹木而出现短时绝缘下降)。17：56，经检查和测量，3号机组绝缘正常，零起升压并观察机端电压平衡后，并网运行。

再联系其他定子接地保护跳闸事件原因大多与近区10 kV线路绝缘下降有关，可见3号机组定子接地与其出口10 kV母线上的近区供电线路故障密切相关。而10 kV线路经过的区段植被茂盛，雨季竹林生长较快很容易靠近或搭上线路，引发10 kV线路瞬时击穿放电或接地故障。

4 故障电流特点

电站发电机定子绕组中性点都是经消弧线圈接地并采用过补偿方式。3号发电机出口经2条线路为近区用户供电系统，当发电机内部单相接地时，流经接地点的电流仍为发电机所在电压网络(即与发电机有直接电联系的各元件)对地电容电流之和，不同之处在于故障点的零序电压将随发电机内部接地点的位置而改变。

发电机内部单相接地的三相网络、零序等效网络及发电机外部单相接地的零序等效网络分别如图2～4所示。

图2 发电机内部单相接地的三相网络

图3 发电机内部单相接地的零序等效网络

图2 ～4中，C0G为发电机每相的对地电容，C0I为发电机以外电压网络每相对地的等效电容，由此可得出故障点总的接地电流为：

故障点位于发电机出线端子附近时，α=1；而当发电机外部单相接地时，图4中流过TA0的零序电流为发电机本身的对地电容电流。经分析得出经消弧线圈接地的电网中故障电流分布特点如下。

图4 发电机外部单相接地的零序等效网络

(1) 在发生外部单相接地故障时，故障相对地电压为零，非故障相对地电压为线电压，在故障点产生一个与故障相故障前相电压Uφ大小相等、方向相反的零序电压U0，从而全系统都将出现零序电压。消弧线圈两端电压为零序电压U0，机端TV开口三角将输出3U0。该电站基波零序电压取自机端TV，根据TV变比在机端及外部线路接地时，3U0=100 V。

(2) 外部单相接地时，消弧线圈两端电压为零序电压，其电流IL经过故障点与故障相，故障点零序电压随着故障位置不同而不同，越靠近机端零序电压就越高。保护装置的零序电压取自消弧线圈副绕组，日常相电压的三次谐波会在机端电压互感器开口三角产生电压输出，故需滤除三次谐波。故障点的零序电压为：

接地处故障电流为：

其中：Ic∑为全系统的对地电容电流，二者方向相反；L为消弧线圈电感，C0∑为全系统每相对地电容的总和。

(3) 当发电机内部单相接地时，流经发电机零序电流互感器TA0一次侧的零序电流为发电机以外电压网络的对地电容电流3ωC01αU相。机端的零序电压和故障点的零序电压Uk0相等。而当发电机外部单相接地时，流过TA0的零序电流为发电机本身的对地电容电流。

(4) 为避免线路发生串连谐振过电压问题，消弧线圈采用过补偿方式，即调节消弧线圈使IL＞Ic∑，用过补偿度P表示：

补偿后流过故障点的残余电流Ik是感性的，数值较小，比没有消弧线圈补偿时小得多，故采用这种补偿方式不可能发生串联谐振过电压问题。

(5) 保护整定时，要避开正常运行的不平衡电压，以及在主变高压侧接地故障时在机端产生的零序电压。

因此，采用过补偿方式的线路单相接地时，选线装置将无法选出故障线路；常规的稳态零序电流保护以及零序功率方向保护都无法判别故障线路。但此时发电机零序电压较高，采用基波零序电压构成的电站定子接地保护能灵敏地动作。

5 发电机故障的影响因素

5.1 发电机近区供电线路的影响

3号机直供的近区10 kV源其线和源坝线同杆架设，该接线特点使线路单相接地时零序电流直接进入到定子线圈形成回路，产生零序电压。当所含的基波零序电压值达到定子基波零序电压保护整定值时，便启动基波零序电压定子接地保护报警或定子接地保护动作跳闸。

同时，由于发电机中性点经消弧线圈接地并采用过补偿方式运行，近区供电线路单相接地时，线路保护装置采集的线路零序电流很小，一般原理的零序电流保护不会动作，故每次线路单相接地时，均由发电机基波零序电压保护报警或出口跳闸。这就是电站直供出线单相接地时会引起发电机定子接地保护动作跳闸的原因。

5.2 近区环境及管理维护的影响

3号机所接载的近区10 kV线路是穿越竹木茂盛的山区和其培市居民区，当地雷雨季节长达半年以上，统计显示因该区段竹林雨季生长茂盛，经常引发线路对竹木瞬时放电或瞬间接地(雨季)现象，产生瞬时基波零序电压又直接进入发电机引发基波零序电压定子接地保护启动。

此外，地方三霖(电力)公司对配电系统设备设施维护管理不到位，线路砍青不及时，低压配电系统维护落后，民众安全用电知识缺乏，私拉乱接现象严重，导致漏电、绝缘下降现象多，经常引发短时线路接地传导至电站机组，导致电站10 kV出口开关032三相电压经常不平衡，产生零序电压。

根据故障处置历史记录，电站的处置一般是断开032开关，三相电压才逐渐平衡，同时观察3号机的机端自产零序电压、机端开口三角电压值，均大幅下降，同其他机组相比大致一致。可见近区供电线路上的故障是引发机组定子接地基波零序电压保护启动报警或跳闸的根本原因。

6 解决策略

综合上述分析可知，3号机组出口母线直接接载近区10 kV线路供电，而该线路又经常发生单相接地引发短时基波零序电压和电流，这些不正常的瞬时接地、绝缘下降等扰动直接传导到发电机，从而经常造成电站机组基波零序电压定子接地保护报警或动作跳闸。因此，阻断近区线路杂波、瞬时接地等故障侵扰发电机组同时又不致影响电站对近区供电就是解决问题的主要思路，而加装隔离变压器成为最佳选项。

隔离变压器原理是原边输入绕组与副边输出绕组进行电气隔离，即对两个或多个耦合关系的电路进行电隔离，变压不是主要任务。

在结构上，原、副边绕组间设置隔离层并与原边接地端连接，副边采用不接地方式，因而输出端与大地不构成回路，当人体或木竹与线路单相距离过短发生放电(或设备绝缘降低漏电)时，会因电流难以形成回路而得到安全保护。

另外，隔离变压器铁芯有高频损耗较大的特性，可阻止高频杂波反馈到控制回路，非常适用于电站机组出口端阻隔和过滤线路上的各种杂波、瞬时接地等侵扰发电机定子线圈，避免引发基波零序电压定子接地保护动作。

7 结束语

加装隔离变改造工程于2017年月11月竣工投入运行，至今未发现3号机发生基波零序电压定子接地保护动作报警和跳闸断电的现象；检查近区10 kV出口开关032的电压抄表，未再发现三相电压不平衡的记录，从而解决了该电站3号机组基波零序电压定子接地保护跳闸给稳定发电和保供电带来的多年困扰。