20 Hz電源注入式定子接地保護裝置原理及應用

王秀霞，龔 濤，王學榮

(豐滿發電廠，吉林 吉林 132108)

發電機定子繞組的單相接地是發電機最常見的一種故障，由于定子單相接地故障往往是相間或匝間短路的先兆。因此定子接地保護在大型機組保護中十分重要，它對于預防定子繞組嚴重短路故障具有重要意義。傳統常規定子接地保護配置主要是基波零序電壓接地保護與三次諧波原理配合構成的100%定子接地保護［1］。其中基波零序電壓須在定子電壓升高后才有效，而且在中性點附近接地有死區。三次諧波原理有多種實現方法，但都受定子及其相聯的設備參數及運行方式影響，或者判據穩定性差而不易實現可靠運行［2］。豐滿發電廠3號發電機帶本廠廠用電運行，當合上分支線116開關后，經常出現三次諧波保護誤發警報信號，造成設備運行穩定性差及維護量大等問題。針對此問題先后采用多個被動的辦法，例如:3ω定子接地保護設有2套保護定值，分為帶廠用電方式和不帶廠用電方式，但運行效果都不理想［3］。為解決發電機定子接地保護不可靠運行問題，與國電南京自動化股份有限公司聯合研制出ZDJ801A型發電機定子接地保護裝置，它是采用從發電機中性點消弧線圈的二次側注入20 Hz電源原理構成接地保護，該保護不受機組運行狀況影響，無死區;不受故障點位置的影響，實現對定子接地故障的100%保護;能反映定子繞組絕緣性能下降，對絕緣老化起到監視作用。3號機組已投入運行18個月，運行效果良好。

1 保護構成原理及技術特點

1.1 構成原理

在發電機定子回路外加一個20 Hz的信號電源，20 Hz電源輸出方波電壓，保護接入接地電壓USEF取自發電機中性點消弧線圈TV(二次)，接地電流ISEF取自中間變流器TA，根據USEF和ISEF計算出單相接地電阻Rg。

a． 動作方程

接地電阻判據反映發電機定子繞組對地絕緣電阻的大小，設有2段接地電阻定值，高定值段作用于延時發信報警，低定值段作用于延時跳閘，延時可分別整定。其動作方程為

Rg＜Rg1Rg＜Rg2

式中 Rg——發電機定子繞組接地電阻;

Rg1、Rg2——發電機定子繞組接地電阻的低定值、高定值。

圖1 注入式定子接地保護邏輯框圖

b． 原理構成邏輯框圖 (見圖1)

圖1中，USEF為輸入裝置電壓;ISEF為輸入裝置電流;U20為裝置測得的20 Hz電壓;I20為裝置測得的20 Hz電流;Rg為裝置測得的接地電阻;3U0g為裝置測得的工頻電壓;Rg1、Rg2、t1、t2、t3、t4、t00為注入式定子接地保護整定值。

為了提高發電機機端接地時保護的靈敏度，增設了零序電壓輔助判據和零序電流判據 (可以通過控制字選擇使用)反映距發電機機端80%～90%的定子繞組單相接地，與接地電阻判據構成高靈敏的100%定子接地保護方案。

1.2 技術創新特點

a． 注入式定子接地保護應用于經消弧線圈接地方式的機組

主要考慮消弧線圈漏感對保護接地電阻計算的影響。消弧線圈是一種帶氣隙的鐵心電抗器，其電抗值基本上不隨電流發生變化，但運行時有較大的漏磁通，其電感由激磁電感和漏電感兩部分組成，消弧線圈的漏感較大，通常占漏電感的20%左右［4］。本項目分析了將漏電感和激磁電感分開處理的消弧線圈T型等效電路，將20 Hz交流電源注入式定子接地保護成功應用于經消弧線圈接地方式的機組。

b． 軟件濾波

對注入式定子接地保護有影響的諧波除了來自外加電源外，還有發電機運行時產生的諧波。消除這種諧波的一種方法是從算法上進行濾波。

c． 模擬通道的設計

由于50 Hz的奇次諧波分量都是20 Hz的分數次諧波，將不能有效濾除，對保護產生很大影響。這時有必要對裝置的電流、電壓通道進行硬件濾波設計。

d． 20 Hz電源對發變組保護頻率測量的影響

發變組保護頻率測量原理是采用過零檢測器和計時器構成，測量電壓為相電壓。保護所測量的頻率范圍在49.4～50.1 Hz變動，這種現象已被實際運行所證實。保護測量頻率不準確將對差動保護、過頻率、低頻率、過激磁、低頻累加等與頻率有關的保護產生不同程度影響。

解決方法:由于發電機系統三相對地電容基本對稱，因此20 Hz電源零序電壓在相電壓之差中含量較小。發變組保護頻率測量采用線電壓可將20 Hz電源的影響降到最小［5］。

2 現場各種工況下的試驗數據及分析

2.1 機組空載運行狀態

3號機開機空載運行時，所測得的試驗數據如表1所示。

表1 空載試驗時測得的保護參數

2.2 機組開機帶負荷運行狀態

3號機開機帶負荷運行時，所測得的試驗數據如表2所示。

表2 并網運行試驗時測得的保護參數

2.3 機組開機帶廠用電運行狀態

3號機開機帶廠用電運行時，所測得的試驗數據如表3所示。

表3 并網帶廠用電試驗時測得的保護參數

3 結束語

本項目樣機裝置通過了電力工業部電力系統自動化質量檢驗測試中心電磁兼容實驗 (EMC)、型式試驗和動模實驗，各項技術性能指標達到相關國家、行業和企業標準。

新研制的20 Hz交流電源注入式定子接地保護投入運行18個月，在發電機定子多次出現瞬間接地時，動作均正確，運行狀況良好。此裝置首次應用在發電機中性點經消弧線圈接地運行方式上獲得了成功。

［1］ 王維儉．電氣主設備繼電保護原理及應用［M］．北京:中國電力出版社，2002．

［2］ 李玉海，張小慶．關于定子接地保護的幾個問題［J］．電力系統自動化，1999，23(11):50－53．

［3］ 張琦雪，席康慶，陳佳勝．大型發電機注入式定子接地保護現場應用及分析 ［J］．電力系統自動化，2007，31(11):103－107．

［4］ 朱杰民，王 麗，王雪松．發電機中性點接地與定子接地保護 ［J］．東北電力技術，2000，21(1):16－18．

［5］ 李晉民．100%定子接地保護改進方案的研究 ［J］．電網技術，1998，22(9):46－48．