外加電源式100%定子接地保護的研究

賀元康，楊楠，江國琪，趙鑫

（西北電網有限公司，陜西西安710048）

大型發電機組的故障約有60%是由發電機定子繞組單相接地故障引起。定子繞組對地電容大，機端附近發生接地故障時，故障點流過的電容電流會非常大，會引起弧光接地過電壓，導致發電機其他部位的絕緣破壞，發展成更加嚴重的相間、匝間短路。因此，規程規定[1]：對于100 MW及以上的發電機，應該裝設100%定子接地保護，特別是對于大型的發電機要求配置雙重化定子接地保護，并且要求其中一套在機組啟、停過程中仍起作用。

本文指出傳統雙頻式100%定子接地保護存在的缺陷，提出了注入信號源與工作接地電阻串聯方式的外加電源式100%定子接地保護，并用Matlab建立模型進行仿真分析，檢驗其科學性和合理性。

1 傳統雙頻式100%定子接地保護的配置

目前，大型發電機均配置了由基波電壓和三次諧波電壓構成的雙頻式定子接地保護。

基波零序電壓定子接地保護按躲過正常運行時發電機中性點的最大不平衡電壓整定。在中性點附近有死區，死區部分配置了三次諧波電壓定子接地保護。該保護利用正常運行時，中性點與繞組首端三次諧波電壓之比大于1，而在距離中性點小于50%繞組處發生接地故障時該比值小于1的特點來構成故障判據的。

當發電機運行方式或工作狀態發生改變時，尤其是某些發電機故障解列或經檢修后發電機并網時，發電機機端和中性點的三次諧波電壓比值會發生明顯變化，可能使動作判據失效，引起三次諧波保護誤動。并且隨著定子繞組對地電容不對稱度的增加，三次諧波保護靈敏度會降低，很難滿足靈敏度的要求。同時，在發電機定子繞組經較大過渡電阻接地時，基波零序電壓和三次諧波電壓保護的靈敏度會很不理想[2]。雙頻式定子接地保護一般只是用來發告警信號，并不動作于跳閘。

因此，配置一套可靠的100%定子接地保護迫在眉睫，外加電源式100%定子接地保護是個很好的選擇。

2 外加電源式100%定子接地保護

外加電源式定子接地保護有2種判據：

1）以外加電源輸出電流的大小作為保護動作的判據。正常運行時，發電機定子繞組對地的阻抗（相對于輸入電源頻率并折算到配電變壓器二次側）很大，外加電源輸出電流很小，繞組發生單相接地故障時，這一阻抗減小，外加電源輸出電流增大。

2）以接地變壓器一次側折算過來的相對于外加電源頻率的阻抗大小作為保護動作的判據。正常運行時，阻抗很大，發生單相接地故障時，阻抗減小。

本文以第2種判據作為外加電源式定子接地保護的判據，對外加電源式定子接地保護的靈敏度和保護范圍進行分析。

大型發電機正常運行時對地容抗較大，流過定子回路的對地電容電流很小；當發電機發生單相接地故障時，定子回路對地零序阻抗驟減，零序電流驟增[3]。為使發電機正常運行時定子繞組對地電容上流過的電流盡量小，外加電源式定子接地保護中外加電源的頻率要盡量低[4-5]。而選擇頻率為零的直流電源又會使一、二次回路直接相連，危及人身和二次設備安全。綜合考慮后，選擇頻率為12.5 Hz的注入電源，并從中性點配電變壓器二次側注入[6-7]。發電機中性點經接地變壓器高阻接地的原理圖如圖1所示。

圖1（a）中，在分流電阻REs兩端加入外加電源，RPs為工作接地電阻，外加電源和RPs是串聯的。注入信號源采用頻率為12.5 Hz、電壓幅值為3.4 V的方波。圖 1（a）的等值電路如圖 1（b）所示，Us和 Uip分別測量注入電源電壓和加在電阻RPs兩端的電壓；Uip為PT二次側電壓；C為發電機定子繞組的對地電容經變壓器折算后在二次側的等效值；Rf為故障接地電阻經折算后的值（發電機正常運行時Rf為無窮大）。

保護不直接測量注入電流，而是利用串聯電阻RPs上的壓降來間接反映接地故障。通過測量電阻RPs上的壓降進而求出發電機的接地電阻，然后根據動作判據Rm

3 仿真分析

在Matlab中建模進行仿真，模型按如圖1（a）所示的原理圖進行搭建，發電機容量為700 MV·A，額定電壓為20 kV，額定電流為20.207 kA，定子各相繞組的電阻和電感分別為Ra=Rb=Rc=0.002 1 Ω，La=Lb=Lc=0.001 537 H。每相對地電容Ca=Cb=Cc=2.03 μF，機端的每相等值電容為Ct=0.2 μF。接地變壓器變比為/0.48kV，容量為240kV·A。副方接地電阻RPs=0.7 Ω，分流電阻REs=0.15 Ω。為了使電阻RPs上方波電壓信號盡快達到穩態，加快電容電壓的衰減速度，在電阻RPs兩端加一個電壓互感器PT，其變比N12/N11為100/350，注入電壓是幅值為3.4 V、頻率為12.5 Hz的方波信號。Uip即為加在電阻RPs兩端的通過PT折算后的電壓。Us為注入電壓源的輸入電壓。整定阻抗Rdz取10 kΩ。

圖1 電壓源型外加電源式100%定子接地保護Fig.1 100%stator ground protection with extra voltage source

在仿真模型中設置接地短路故障發生在定子繞組C相，經1 000 Ω電阻在距離中性點2%處接地，測出電阻RPs兩端的穩態電壓Uip后，就可以得到此時流過電阻RPs的電流IPs：

則計算出二次側的接地電阻為：

折算到原方的接地電阻為：

它近似等于故障點的過渡電阻值，誤差為1.35%。

發電機中性點附近2%處經不同過渡電阻值發生接地故障時的仿真結果如表1所示（所有誤差均為正誤差）。

同理，在距發電機中性點50%處B相設置不同過渡電阻值的接地故障時的仿真結果如表2所示（所有誤差均為正誤差）。

在距發電機中性點98%處A相設置不同過渡電阻值的接地故障時的仿真結果如表3所示（所有誤差均為正誤差）。

由表1、表2、表3可以得出：

1）當保護的動作值取為10 kΩ時，在定子繞組的任何地點發生單相接地故障，外加電源式定子接地保護都能有效測得發電機相對于外加電源頻率的接地阻抗，保護都能正確動作，無保護動作死區。

2）在定子繞組經不同的過渡電阻Rf發生接地故障時，Rf值愈小，計算阻抗誤差愈大，但由于這時計算阻抗值較小，不會影響保護的正確動作；Rf值愈大（在一定范圍內，如1～5 kΩ），計算阻抗誤差愈小，保護仍能正確動作，即過渡電阻的大小不會影響保護動作的靈敏性，這是其他定子接地保護不能比擬的。

3）當過渡電阻大于某一值（如5 kΩ）后，計算阻抗可能會產生負誤差，即所測電阻值比實際值小，但由于該保護是欠量保護（通常，動作電阻整定為小于1 kΩ時跳閘，小于10 kΩ時發接地告警信號，水內冷發電機整定值可適當降低），這種負誤差更有利于反映定子繞組絕緣降低的程度，從而使保護靈敏度更高。

實際中，須計及發電機正常運行及接地時自身其他頻率電量的影響，以及必要的濾波器引起輸入波形變化等因素，實際靈敏度可能要稍低一些。

4 結論

外加電源式100%定子接地保護能夠獨自實現發電機定子繞組100%保護。由于采用的是外加電源的方式，在發電機停機和啟動過程中都有和外加電源頻率相對應的電流流通，只要外加電源電壓選擇得當，在停機和啟動過程中能夠檢測出定子接地故障。本文通過科學的數字仿真，證明該保護沒有保護死區，有很高的靈敏度，并且靈敏度與發電機繞組的接地故障位置無關，在接地電阻很大的時候靈敏度亦很高；同時，這種外加電源式100%定子接地保護的調試相對簡單，因而有著廣泛的應用前景。

表1 中性點附近接地的電阻計算值和誤差Tab.1 The calculated resistance value and error of ground fault near the neutral point

表2 離中性點50%處接地的電阻計算值和誤差Tab.2 The calculated resistance value and error of ground fault at the midpoint of stator

表3 機端附近接地的電阻計算值和誤差Tab.3 The calculated resistance value and error of ground fault at the generator terminal

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