650 MW发电机组定子绕组接地保护整定与调试

沈晓晖

(中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314300)

0 引言

发电机定子绕组的单相接地是发电机最常见的一种故障，由于大型发电机定子绕组对地电容较大，当发生接地故障时会产生较大的接地电流，将严重危及对地绝缘，甚至可能造成非接地相相继发生接地故障，从而造成相间接地短路，损害发电机，造成巨大的经济损失。所以发电机保护必须配置定子接地保护，在接地故障发生时迅速发出报警信号或跳闸信号，进而实现机组和电网的稳定运行[1-2]。

大型发电机组对定子接地保护的可靠性和灵敏度要求较高，一般采用一套注入式定子接地保护和一套双频式定子接地保护，从而实现大机组定子接地保护不同原理保护的双重化配置，避免大型机组突然跳闸冲击电网的稳定，进而实现电网稳定和经济运行[3-4]。

下面基于某650 MW 汽轮发电机组的参数，介绍了因发电机中性点接地变压器柜更换引起的定子接地保护定值重新整定的过程，并通过现场调试，验证了整定值的准确性和保护装置的可靠性，为同类型保护整定计算、发电机相关设备选型等研究提供工程借鉴。

1 定子接地保护的配置方案

该发电机组采用许继WFB800A 系列发变组保护，发电机保护A 柜配置一套外加20 Hz 电源定子接地保护，发电机保护B 柜配置一套基波零序电压和三次谐波电压组成的双频式定子(100 %)接地保护，构成双重化配置。

发电机中性点采用接地变压器高阻接地方式，注入式定子接地保护在发电机中性点接地变压器的二次侧绕组两端注入低频电源信号。正常运行时，低频注入回路对地开路，只有微弱的定子对地电容电流；当发生定子接地故障时，保护装置通过检测注入的低频电压和电流信号，可准确计算出接地故障电阻的阻值。

定子接地保护接线如图1 所示。机组以发电机-变压器单元接线接入500 kV 线路，发电机经出口断路器与主变、高厂变相连，发电机中性点采用经接地变压器的高阻接地方式。

图1 定子接地保护配置

2 定子接地保护的整定计算

发电机中性点接地变压器变比nTV为20/0.866/0.173 kV；出口断路器每相对地电容Cbak为0.392 μF；发电机定子绕组每相对地电容Cg为0.244 μF；主变低压侧绕组每相对地电容Ct为0.003 96 μF；高厂变高压绕组每相对地电容Ce为0.001 75 μF；机端其他附件每相对地电容Cf为0.001 μF，主变高低压绕组每相耦合电容CM为0.009 41 μF。

2.1 发电机中性点接地电阻计算

为限制单相接地故障切断后产生弧光接地过电压，接地电阻(一次值)的取值要满足[5]：

式中，R'N为接地变原边电阻；ω=2πf，为角速度；CgΣ为发电机及机端外接元件每相对地总电容：CgΣ=Cbak+Cg+Ct+Ce+Cf=0.642 71 μF。

则：

由变压器原理，可计算接地变副边电阻大小Rn：

现场电阻选型阻值为2.48 Ω，满足要求。

按照机端发生金属性单相接地故障，接地变TN 中流过工频电流计算副边电阻功率：

式中，Krel为可靠系数，取1.1；PR为中性点接地电阻功率；Ue为发电机额定电压。

2.2 外加电流互感器更换

现有发电机中性点接地变二次侧接地电阻为6.5 Ω，接地故障产生中性点电压全偏移时，流过接地电阻的工频电流约为77 A；15 %电压偏移时流过的工频电流约12 A。更换发电机出口断路器后，因对地电容增加，发电机中性点二次侧接地电阻调整为2.48 Ω，100 %电压偏移时流过接地电阻的工频电流约202 A，15 %电压偏移时流过接地电阻的工频电流约30 A。发电机中性点接地变0.866 kV 侧配置电流互感器，接地故障产生中性点电压全偏移时，接地变压器二次侧约为500 V，该电流互感器在保护中用于测量20 Hz 电流和工频电流。原工程电流互感器二次侧采用5 A，为适用于宽频范围，选择较大尺寸的电流互感器，利于降低磁密；因为次级采用5 A，而电流互感器距离发电机保护柜有一定距离，为满足全偏移约202 A 时的电流采集精度，适当加大电流互感器的额定伏安负载。

经与发电机继电保护厂家对保护和测量精度的确认，电流互感器采用200/5 A，50 VA，0.5 级的测量级CT。

2.3 外加20 Hz 定子接地保护整定计算

2.3.1 接地电阻一次高定值(报警段)整定

根据现场运行经验，20 Hz 接地电阻高定值取RE.h.set=30 kΩ。高定值段一般延时1～5 s 发告警信号，这里取延时5 s 动作于信号。

2.3.2 接地电阻一次低定值(跳闸段)整定

按距发电机中性点20 %发生一点接地，接地电流不大于安全接地电流Isafe=1 A 整定。

接地电阻按式(6)求解，α=0.2：

一般接地电阻定值可取1 ～5 kΩ。考虑保护测量精度，这里取RE.l.set=2 kΩ。

低定值段一般延时0.3～1.0 s，动作于停机，这里取延时1 s 动作于停机。

2.3.3 零序电流动作值整定

零序电流动作值I0.set按距发电机中性点10 %～20 %范围的定子绕组接地故障电流整定。

式中，α一般取10 %～20 %；Zn为发电机中性点接地变二次侧负载电阻。

这里取α=0.15，则：I0.set=0.76 A。

定子接地零序电流动作时限取0.3 ～1.0 s，这里取0.3 s，动作于停机。

2.4 100 %定子接地保护整定计算

2.4.1 基波零序电压低定值

基波零序电压低定值动作电压U0.L.op按照躲过主变高压侧耦合到发电机中性点变二次侧的电压整定，延时可取0.3～1 s。

式中，U0n为机端单相金属性接地时中性点或机端的零序电压(二次值)。

基波零序电压低定值U0.L.op取10 V，高于主变高压侧接地故障耦合到机端的零序电压，从而保证高压侧接地短路不会引起基波零序过电压保护误动作；延时t0.L.op=1 s，动作于停机。

2.4.2 基波零序电压高定值

由于基波零序电压低定值动作于跳机，所以基波零序电压高定值实际上没有作用，可选择退出。高定值段的动作电压，应可靠躲过高压侧接地短路零序电压传递至发电机中性点变二次侧的电压，可取(15 %～25 %)U0n，延时可取0.3～1.0 s。

按躲过传递过电压，取U0.H.op=15 V，延时t0.H.op=1 s，动作于停机。

2.4.3 三次谐波电压单相接地保护三次谐波电压接地保护动作判据为：

谐波比系数：

三次谐波比系数按照发电机并网前后的电压比值来计算整定，并网后谐波比系数应大于并网前谐波比系数，并有一定的裕度，保证并网前该元件不误动作[6]。

3 定子接地保护的现场调试

3.1 外加20 Hz 电源定子接地保护参数实测

由于在中性点接地变压器、发电机出口断路器两侧增加了较大的电容，使整个系统的参数发生了很大的变化，为充分考虑接地变压器漏阻抗、系统电容对测量误差的影响，需要实际测量接地变压器的漏阻抗、接地变压器的激磁阻抗、带发电机空载测电容的阻抗并重新整定。

CT 变比为nTA=200/5，接地变压器变比为23.12，分压器变比nV=2，20 Hz 电源输出26 V。启动电压整定为0.002 V，启动电流整为0.001 A。

3.1.1 测接地变压器的激磁阻抗

接地变空载(不带发电机)。给20 Hz电源送电，读取保护装置中U˙20，I˙20，如表1 所示。

表1 接地变激磁阻抗测试数据

实测电压与电流夹角大约为52°。根据式(14)将二次激磁阻抗测试数据折算至一次，计算接地变压器的激磁阻抗(一次值，不带发电机)平均值。

将计算结果的实部和虚部分别整定进参数Rm和Xm。

3.1.2 测接地变压器的漏阻抗

把接地变压器与发电机相连的刀闸断开，在刀闸下端(接地变进端)用接地线接地(接地变一次侧短路)。给20 Hz 电源送电，读取保护装置中数据如表2 所示。

表2 接地变漏阻抗测试数据

实测电压与电流夹角大约为44°。根据式(15)将二次漏阻抗测试数据折算至一次，计算接地变压器的漏阻抗(一次值)平均值。

将计算结果的实部和虚部分别整定进参数Rk和Xk。

3.1.3 带发电机空载测电容的容抗

将Rk，Xk，Rm，Xm的参数整定完毕以后，把接地变刀闸合上，发电机空载。给20 Hz 电源送电，读取保护装置中电压与电流夹角大约为(-90°～-85°)，实测电压与电流角度-98°，读取6 次发电机容抗平均值，测试数据表3 所示。

表3 发电机容抗测试数据

根据实测值整定后，实测接地电阻误差较大，分析可能是由于接地变压器漏阻抗、激磁阻抗误差，模拟量相角的误差与发电机对地电容叠加放大造成的。将Rc，Xc按经验重新调整后实测电阻误差降低。

3.1.4 模拟定子接地测试保护装置测量准确性

将上述参数整定完毕后，把接地变压器与发电机相连的刀闸合上，在刀闸的下端加入一个已知的电阻接地，带发电机静止工况下模拟接地故障，以此验证保护装置测量的准确性。在不同接地电阻下测量的实际电阻值如表4 所示。

表4 定子模拟接地故障测试结果

测试结果表明：接地电阻越小，保护测量精度越好，在20 Hz 接地电阻低定值2 kΩ 以下，保护测量精度较高，能够准确判断出定子绕组是否接地并准确动作。同时在高定值30 kΩ 区域，由于测量精度影响，整定延时5 s 能有效避免误发报警。

3.2 三次谐波电压比系数实测

在并网前从保护装置上读得实时读数U3N=0.728 V，U3S=0.874 V。根据式(13)，Krel取值为1.3，得到并网后谐波电压比系数：

并网后从发电机保护装置上读得电压实时读数，U3N=1.169 V，U3S=0.900 V。Krel取值为1.3，得到并网后谐波比系数K'=1。这同时也符合发电机在正常运行时，其中性点部位的三次谐波电压UN3要比机端部位的三次谐波电压US3大的实际运行工况。

4 结束语

对于大型汽轮发电机组，合理选择中性点接地电阻值、接地变二次侧电流互感器参数，并按整定导则正确整定定子接地保护动作定值和延时定值，对于保护发电机具有极其重要的意义。以上介绍了某650 MW 汽轮发电机组由于发电机出口断路器改造，发电机中性点接地变压器柜整体更换，而引起的中性点变压器接地电阻、接地变二次侧电流互感器参数发生变化，探讨了对定子接地保护的重新整定过程以及在现场的调试方法，试验结果表明该套保护定值能够准确测量一定阻值范围内的接地过渡电阻，完全满足工程需要。