發電機定子繞組單相接地保護配置的探討

陶東昕，楊開黎，李金萍

（1. 國電鞍山熱電有限公司，遼寧 鞍山 114000；2. 哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040；3. 國電哈爾濱熱電有限公司，哈爾濱 150080）

引言

隨著發電機的單機容量越來越大，對發電機定子接地保護系統提出了更高的要求。由于發電機線棒與定子鐵心之間絕緣易受破壞，因此發電機發生定子繞組單相接地故障比例很高，特別是大容量機組，由于定子對地電容較大，當在機端發生單相接地時故障電流很大，流過故障點的電容電流產生電弧可能燒壞定子鐵心，容易引起匝間、相間短路，給機組安全運行帶來極大危害，同時也對電網穩定造成不利影響。因此，單相接地故障的保護在保證電力系統安全供電中具有非常重要的作用，同時也是當前的研究熱點問題。

目前，在 GB/T14285-2006“繼電保護和安全自動裝置技術規程“中規定：發電機變壓器組：對100MW以下發電機，應裝設保護區不小于 90%的定子接地保護；對100MW及以上的發電機，應裝設保護區為100%的定子接地保護。保護帶時限動作于信號，必要時也可動作于停機。對發電機微機保護裝置而言，采用國內和國外的保護裝置既有相同的部分，又有一定的差別。本文就發電機定子單相接地（100%）保護方法的原理、判定依據進行探討，以便為選擇合適的保護方式提供參考。

1 發電機單相接地故障特征

圖1為中性點不接地的定子單相接地示意圖。為便于分析，假設電網的負荷為零，并忽略電源和線路上的壓降。

當A相繞組在距離中性點β處接地時，三相繞組對地電壓分別為：

式中：、、分別為三相繞組的相電勢。

此時，零序電壓為：

接地電流為：

從式（2）和式（3）可知：零序電壓與β成正比，當在中性點短路時，零序電壓為零；當在機端發生接地時（β=1），定子零序電壓和零序電流達到最大，此時B、C相對地電壓將變為原來的 3倍，零序電容電流值為 3ω(Cf+Cw)EA，并且零序電流相位超前零序電壓90°。這些故障信息對接地保護非常重要，下面就定子單相接地保護方法的原理和判據進行探討。

圖1 定子繞組示意圖

2 基波零序電壓保護

該方法是國內外配電保護裝置的通用方法。在國內外的保護裝置中，均具有基波零序過電壓保護功能，可保護從發電機機端算起的 90%的定子繞組單相接地，該方法的保護判據為≥。

如果故障發生在中性點附近時，U0趨向于零，保護判據將不會啟動。其中，基波零序電壓可取自發電機中性點的單相電壓互感器或機端三相電壓互感器剩余繞組。保護動作根據低整定值或高整定值分別作用于信號或跳閘。

這種保護的一個突出優點是，即使在定子單相接地電流很小的情況下也可以采用，但是該保護在中性點附近存在死區，僅采用該方法不能進行100%的定子單相接地保護。

3 基于3次諧波電壓的接地保護

3.1 基本原理

在正常運行工況下，中性點處3次諧波電壓要比機端的3次諧波電壓大；當中性點附近發生接地故障時，機端的3次諧波電壓增大，而中性點處的3次諧波電壓則降低。利用接地前后3次諧波電壓的變化特點，可以構成基于3次諧波電壓的定子單相接地保護。對于發電機中性點附近定子繞組單相接地的3次諧波電壓保護，主要可分為單側和雙側3次諧波電壓保護兩種方式。

3.2 單側3次諧波電壓保護

這種保護方法通常是利用發電機中性點處的單側3次諧波電壓U3N構成低電壓接地保護，而在發電機機端三相電壓互感器并無剩余繞組。這種保護較為簡單，在國外的保護裝置中仍有應用。該方法的判據為：

其中，a值小于正常運行時發電機中性點的最小3次諧波電壓。

由于不同的發電機之間有不同的3次諧波分布，整定值需實測得出；并且發電機的3次諧波電勢不是常數，隨負荷大小和功率因數而變。這種3次諧波接地保護的保護區域大約在發電機中性點附近的5%～10%的定子繞組，且靈敏度低，只能動作于保護信號。現在國內的保護裝置已摒棄上述簡單的保護原理。

3.3 雙側3次諧波電壓保護

這種保護方法是由中性點處和機端雙側3次諧波電壓共同構成判據，即通過同時比較發電機機端和中性點側零序3次諧波電壓的大小和相位。

式中：——發電機機端三相電壓互感器剩余繞組的3次諧波分量；

——發電機中性點接地變壓器二次側的 3次諧波分量；

Kp、Kt、K'、K''、K'''——調整系數或制動系數。

以上三個判據包括了3次諧波電壓的比判據和差動判據。僅采用比判據時，在靠近中性點的較小保護范圍內具有較高的靈敏度；而僅采用差動判據時，可以實現100%接地保護，但故障位置處于繞組中部時，由于中性點和機端的3次諧波電壓的變化量很小，因此保護的靈敏度較低。將以上三個判據配合使用則具有較高的靈敏度，可動作于跳閘。

從上述分析可知，基波零序電壓保護可以保護90%范圍的定子繞組，并且在靠近機端時靈敏度較高；而3次諧波電壓保護則在靠近中性點處具有較高的靈敏度。因此，兩種方法相結合可以實現定子繞組的100%接地保護，這在國內獲得了廣泛應用。

4 外加交流電源的定子單相接地保護

4.1 基本原理

雖然單側3次諧波電壓保護并不完善，但通常會配置外加交流電源的方式來構成定子繞組單相接地的100%保護。此裝置含外加電源保護功能所需的所有附件，如方波信號發生器、帶通濾波器、專用小型電流互感器，目前國內的南瑞繼保也有產品。

在發電機中性點和地之間注入低頻率 20Hz的電壓信號，繞組任何位置發生的接地故障都將產生可測量的注入電流，引起保護動作。這種原理其實質是對定子繞組的絕緣狀況進行實時而不間斷地測量。

該方法的主要優點是：

（1）保護100%繞組范圍，實現0～100%定子繞組單相接地保護。

（2）保護 100%工況：應用這個原理的發電機保護與發電機的運行工況無關，即使在發電機停機時保護功能依然有效。

（3）保護靈敏度高。

這種保護方法優勢明顯，具有廣闊的應用前景，但該方法對外加電源可靠性和性能方面的要求很高，價格昂貴且調試復雜。

4.2 對接地變壓器的要求

20Hz低頻交流信號依賴于接地變壓器注入，因此接地變壓器的參數將直接影響注入信號的質量，保護裝置要求接地變壓器的二次電阻大于0.5Ω。該要求可通過改變發電機中性點接地變壓器的二次側額定電壓到350～500V來實現。

5 結論

針對發電機定子繞組單相接地保護問題，本文分析了定子單相接地時的主要故障特征，并針對定子單相接地保護方法進行了探討。分析表明：采用基本零序電壓保護和3次諧波電壓保護相結合的方法，能夠實現定子接地100%保護；配外加交流電源方式構成對定子繞組單相接地的100%保護，注入的信號由二套保護裝置檢測，要求接地變壓器的二次電阻大于0.5Ω。

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[2]賀家李, 宋從矩. 電力系統繼電保護原理[M]. 北京: 水利電力出版社.

[3]張長彥, 原愛芳, 等. 發電機定子繞組接地保護整定原則[J]. 電力系統保護與控制. 2009(7)：65-70.