注入式定子接地保護在錦屏二級水電站的應用

陳熙平，張 偉，馬金濤，曹 鋼

（錦屏水力發電廠，四川 西昌 615000）

注入式定子接地保護在錦屏二級水電站的應用

陳熙平，張 偉，馬金濤，曹 鋼

（錦屏水力發電廠，四川 西昌 615000）

介紹了注入式定子接地保護原理，總結分析了錦屏二級水電站定子接地保護的現場具體調試方法，結合現場實際測量數據，計算得出注入式保護裝置的定值，對現場調試提出注意事項。

定子接地保護；調試方法；計算

0 引言

錦屏二級水電站作為雅礱江流域水電開發有限公司開發雅礱江下游河段的龍頭水電站，是國家“川電外送”能源發展戰略的重要組成部分。該電站最大水頭321m，額定水頭288m，共安裝八臺混流式水輪發電機組，單機容量600MW，總裝機容量4800MW。發電機采用密閉自循環空氣冷卻方式。由于該發電機組定子繞組對地電容較大，當發電機機端附近發生接地故障時，故障點的電容電流比較大，該電容電流在接地點產生電弧，將灼傷接地點的鐵芯，影響發電機的安全運行；同時由于接地故障的存在，會引起接地弧光過電壓，可能導致發電機其他位置絕緣的破壞，形成危害嚴重的相問或匝間短路故障[1]。鑒于此，錦屏二級發電機配置兩套定子接地保護，分別是由基波零序電壓型和3次諧波型構成的100%定子接地保護，外加20Hz電源的注入式定子接地保護。

本文分析總結南瑞RCS-985注入式定子接地保護的原理以及現場具體調試方法，通過模擬發電機發生定子接地故障來校驗該保護裝置對接地電阻測量的準確性。

1 南瑞注入式定子接地保護原理

注入式定子接地保護的靈敏度與發電機的工況無關，且可以監測發電機絕緣老化。通過將低頻電流注入到發電機接地變壓器二次側，檢測接地變壓器二次回路中的電壓、電流量來計算發電機定子接地電阻。

1.1 錦屏二級發電機定子接地保護配置

錦屏二級發電機注入式定子接地保護輔助電源裝置RCS-985U安裝在主變保護非電量C柜內，具體保護接線圖詳見圖1。

圖1 發電機定子接地保護系統接線圖

圖1中輔助電源裝置RCS-985U將20Hz的低頻電壓通過電纜注入到接地變壓器二次負載電阻Rn上，同時將接地變壓器二次負載上的部分電壓和二次電流引入到發電機A柜的RCS-985保護裝置中，通過保護裝置的計算得出定子接地電阻值。變壓器二次負載上的電壓也引入到發電機B柜的RCS-985保護裝置中，作為基波零序電壓型和3次諧波型定子接地保護的動作量。

1.2 保護原理分析

若接地變為理想變壓器，忽略接地變的漏抗和勵磁阻抗的影響，利用導納法計算得出接地電阻的二次值R'g[2]為：

但是實際上接地變的短路阻抗并非為0[3]，勵磁阻抗也并非為無窮大，所以保護算法中應該考慮接地變壓器參數的影響。圖2為根據變壓器的 ? 型等效電路得出定子繞組發生單相接地故障時的等效電路圖。

表1 設備參數

圖2 發電機定子接地保護系統接線圖

根據圖1具體的測量檢驗方法如下：

（1）現場解開在端子6U1D1、6U1D5的外部接線，測量端子6U1D1、6U1D5之間的電壓和電流，即得到RCS-985U裝置的空載電壓U0和短路電流IR，由此計算出RCS-985U的內阻Rin。

（2）現場恢復端子6U1D1、6U1D5的外部接線后，分別測量端子 6U1D1、6U1D5之間和 6U2D1、6U2D5之間的電壓，此電壓分別為RCS-985U裝置要注入到負載電阻上的電壓UL和負載電阻電壓返送至RCS-985U裝置的電壓UFL，由此驗證現場電纜分壓以及接線的正確性。

（3）測量端子6U2D4、6U2D5之間的用于保護裝置計算用電壓U，驗證分壓比。

根據圖2可計算得出的接地電阻的二次值R'g為：

由于接地電阻二次值R'g＜＜Rm+Xm，接地電阻與接地變勵磁阻抗在電路中相并聯，所以在計算接地電阻的二次值R'g時可以忽略接地變的勵磁阻抗。

南瑞RCS-985保護裝置為保證計算定子接地電阻的準確性，將（2）式中接地變短路阻抗進行補償，同時補償接地變的傳變誤差和現場接線電纜分壓引起的誤差。參數補償時先模擬發電機靜止狀態下發電機定子發生金屬性接地故障，記錄該狀態下的阻抗測量值，將該值整定到定子接地保護的定值中，整定后保護測量到的阻抗值應為0。

表2 錦屏二級2號機R C S-985U裝置現場實測數據

通過表2數據進行計算如下：RCS-985U的內阻：

負載電阻上電壓大于負載電阻返回電壓，說明現場所用電纜確實存在壓降。負載電阻返回電壓理論計算值：

2 南瑞注入式定子接地保護現場調試

錦屏二級2號發電機及其中性點接地變壓器等設備的參數如表1。

2.1 注入式定子接地保護參數測量計算

注入式定子接地保護調試時應先測量出RCS-985U裝置的內阻，檢驗現場接線的正確性，以確保注入式定子接地裝置有正確的低頻電源輸出。

理論計算值與現場實測值相差不大，說明現場接線正確。

裝置分壓比計算：

分壓比k接近1/5，驗證裝置分壓比正確。

RCS-985U進行分壓后，當一次系統發生接地故障時，進入到985GW保護裝置的電壓為接地變壓器二次側電壓的1/5，起到保護裝置的作用。

2.2 CT極性的驗證

模擬發電機的正常運行狀態，將主變、接地變、電壓互感器等設備都帶上，此時由于發電機對地電容的影響，測得的電流應該是容性的。但保護裝置顯示的相角為電壓超前電流的角度，此容性角度應該在270°附近，如果是90°附近，則掉換電流或電壓的極性。

錦屏二級2號機在第一次測量該角度時只有82.4°，但現場完成二次回路接線后廠家已經將CT極性調整正確。后詢問現場施工人員得知是試驗班人員查線時，根據施工圖紙將CT接線極性更改了。后又經廠家更改CT極性接線后，該狀態下測得電壓超前電流角度為261.3°，說明此時CT極性正確。同時測得該狀態下的20Hz低頻電流5.52mA，因為在沒有故障的時低頻電流有最小值，發生金屬性接地短路時，電流有最大值，由該低頻電流乘以可靠系數可得出“電流回路監測值”。

2.3 相角補償角的測量

在發電機靜止狀態下，更改接線，將疊加低頻電壓到負載電阻的電纜一端將中間CT帶入，記錄此時相角值為168.1°。在該接線下中間CT流過的電流就是負載電阻上的電流，此時裝置采得的電壓與電流之間的角度應該為180°，但是由于低頻電壓電流經過985GW的各種元器件，將會有一定的誤差，所以通過此辦法進行檢驗、修正。故相角補償定值為168.1°-180°=-11.9°，即348.1°。在恢復接線后，測得補償后的相角值為269.4°。

2.4 阻抗補償值的測量

發電機在靜止狀態下，投入保護裝置“補償試驗狀態投入”控制字，在發電機中性點接地刀閘處引出電纜與地網相接，即模擬發電機中性點金屬性接地故障。其目的是測量接地變壓器的短路阻抗，以用于在985GW測得的數據中將此阻抗減去，這樣才能得到發電機對地實際接地阻抗。在該狀態下，測得該機組測量二次電阻值和電抗值分別為3Ω、5.8Ω。將該組數據作為電阻補償定值、電抗補償定值輸入保護裝置。

退出“補償試驗狀態投入”控制字，測得此時二次電阻值和電抗值分別為0、0.4Ω。同時測得該狀態下20Hz低頻電壓0.05V。因為在短路的時候低頻電壓為最小值，由此電壓值乘以可靠系數可得到“電壓回路監視定值”。

2.5 電阻折算系數的計算

在現場調試時，為方便計算，對于水輪發電機電阻折算系數可以預先取1。發電機在靜態下，模擬正常運行時發電機中性點發生金屬性接地故障，讀取保護裝置所測到的電阻值（一次值）。接地電阻實際值（一次值）與測量值相比即得到電阻折算系數。調整電阻折算系數后，再次驗證保護裝置的測量精度，直到保護裝置有最小測量誤差。

表3 錦屏二級2號機定子接地試驗數據

經現場多次試驗，當電阻折算系數為14.7時，保護裝置的測量相對誤差之和有最小值。且由表3數據可知，在當前電阻折算系數下，當接地電阻在4kΩ左右時，保護裝置測量接地電阻誤差最小，測量誤差隨著接地電阻的增大而增大。整定計算出的注入式定子接地保護報警定值為10.2kΩ，跳閘定值為3.6kΩ。由試驗數據可知，保護裝置在該跳閘定值附近有最小測量誤差。

3 現場調試注意事項

根據錦屏2號發電機的現場調試，總結現場調試時應注意以下事項：

（1）現場調試前應先檢查回路的正確性。現場可能因為人的因素造成錯接、漏接的錯誤還是存在的。此外還要檢查接線所使用的電纜是否有屏蔽層。為最大限度減小接線電纜電阻分壓引起的誤差，接線用的電纜除分壓電阻的電壓引至RCS-985GW保護裝置的導線截面積不應低于2.5mm2外，其他接線電纜都不應低于4mm2。

對于低頻回路必須使用帶屏蔽的電纜防止電磁干擾。電壓回路應嚴格執行電壓回路一點接地。

（2）在測量計算電阻折算系數時一定要把主變、勵磁變、高廠變、發電機PT、接地變都帶上，模擬發電機真實運行狀態。因為發電機的接地電阻跟各設備的對地容抗是并聯的關系，所以接地電容的大小直接關系到裝置所能測量到的電阻值范圍，所以必須把這些設備都帶上，以保證測量更加精確。

（3）在做試驗時不要一直把電阻接在上面，以防止電阻發熱壞掉。現場試驗時，可以用對講機聯系，在保護裝置上看到了測量數據后立即把接地電阻拿開，需要再做時再將接地電阻接上。

（4）在升壓過程中做接地試驗時，應事先將接地電阻接好，現場人員都撤離故障點后，再緩慢將發電機升壓。

（5）為達到保護裝置有最大測量精度，在計算電阻折算系數時，應計算出不同的折算系數、測量多組試驗數據。最后得出誤差值最小時一組試驗數據的折算系數作為保護裝置定值。

折算時可以舍棄誤差較大的測量值。錦屏二級2號機現場測量時，當電阻大于10kΩ時，測量誤差直線上升。故在測量第三組試驗數據事舍棄10kΩ以上數據，只測量10kΩ以內的電阻值，多次校正后得出最小測量誤差下的電阻折算系數作為保護裝置的定值。

4 結語

每臺機組雖然設計參數相同，但可能由于現場安裝工藝、設計連接方法不同等因素的影響使得對發電機地電容、接地變短路阻值不一樣，所以每臺機組的注入式定子接地保護的值都需通過現場調試時整定。按照正確步驟做好現場調試，正確的計算出保護裝置定值，使得保護裝置正確動作，達到保護發電機定子的目的。

[1]王維儉.電氣主設備繼電保護原理與應用[M].北京：中國電力出版社，2002：186-262.

[2]張琦雪，席康慶，陳佳勝，等.大型發電機注入式定子接地保護的現場應用級分析[J].電力系統自動化，2007，31（11）：103-105.

[3]畢大強，王祥珩，王維儉.發電機中性點接地裝置等效電路的分析[J].繼電器，2003，31（1）：12-15.

TM772

B

1672-5387（2013）05-0024-04

2013-04-27

陳熙平（1986-），男，助理工程師，從事發電廠繼電保護工作。