發電機注入式定子接地保護方案改造及現場應用

梁少華，申建彬，張 杰，李華忠，陳佳勝，張琦雪

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

中性點經配電變壓器電阻接地 （又稱高阻接地）的發電機傾向于安裝注入式定子接地保護，該保護與發電機的運行工況無關，在發電機起停機過程中也可以監視定子繞組對地絕緣。目前，該技術已成熟，在國內許多大型發電機組上得到應用[1-5]。四川YL水電站2臺120 MW的發電機，其中性點直接經高壓大電阻接地，沒有使用接地變壓器，其注入式定子接地保護，過去使用ABB公司的保護裝置REG216、注入電源裝置REX010和隔離變壓器REX011共同實現。現在保護國產化改造，國產常規的注入式定子接地保護方案中，注入電源輸出端不允許承受很高的電壓，因而無法直接將電源輸出端加在高壓電阻兩端，注入式定子接地保護方案需重新設計。文中闡述了發電機中性點直接經高壓大電阻接地的情況下注入式定子接地保護的設計方案，同時給出現場調試實驗結果。

1 原ABB的注入式定子接地保護方案

發電機組的基本參數如下：額定功率120 MW；額定電壓13.8kV；額定功率因數0.9。發電機中性點接地方式及原ABB注入式定子接地保護方案[6]如圖1所示。

圖1 原ABB注入式定子接地保護方案

發電機直接經過高壓大電阻接地，接地電阻參數：RES為 1328 Ω，RPS為 266 Ω。 注入電源 REX010，輸出幅值為±110 V的方波電壓，經過中間隔離變壓器REX011，電壓變比為110 V/110 V，將12.5 Hz的低頻電壓加在電阻RPS上。保護裝置REG216測量注入的電壓信號Ui和注入的電流信號，通過計算，得到接地故障的過渡電阻。當接地故障過渡電阻阻值降低至報警定值以下，經短延時，保護報警；當過渡電阻阻值進一步降低，低于跳閘定值，經短延時，保護跳閘。當發生較為嚴重的接地故障，發電機中性點會有較高的基波零序電壓，為防止過高的電壓反饋至注入電源，導致電源損壞，保護裝置檢測到較大的基波零序電壓時，立刻通過輔助接觸器將注入電源斷開。

2 注入式定子接地保護改造方案

國產常規的注入式定子接地保護方案注入20 Hz低頻電壓，如圖2所示。發電機中性點經配電變壓器電阻接地，低頻注入電源輸出端加在接地變壓器低壓側負載電阻Rn上。在一次設備的參數設計上，通常Rn阻值在0.2～1.5 Ω間；接地變壓器電壓變比U1/U2，U1通常等于Urated（Urated為發電機額定電壓），U2在220～900 V之間，因設計上的習慣，230 V或240 V較為常見。

圖2 國產常規注入式定子接地保護方案

該方案中，注入電源輸出較小的低頻電壓，經接地變壓器升至高壓側，發電機零序回路對地產生一個不超過3%Urated的低頻電壓。由于注入電壓較小，不影響發電機的正常運行。當發電機發生較為嚴重的接地故障時，例如發電機機端發生金屬性接地故障，發電機中性點電壓被抬高至相電壓，接地變壓器低壓側電壓也被抬高，但是一般只有幾百伏（U2/1.732），不會造成注入電源的損壞。

四川YL水電站的機組保護國產化改造費用有限，不允許更換發電機中性點接地電阻，一次設備改造費用往往很高，但用戶同時想保留注入式定子接地保護的功能。為滿足用戶要求，注入式定子接地保護改造方案如圖3所示。

圖3 注入式定子接地保護改造方案接線

該技術方案保留了高壓電阻RES，RPS。改換了原有的PT，在高壓電阻與注入電源之間增加一級PT，低頻電壓通過PT1施加在發電機中性點接地電阻上。為了準確測量發電機對地零序電壓，又增加了PT2。注入式定子接地保護的電流測量取自接地電阻上的CT，電流變比為10 A/5 A。

3 改造方案核算

主要核算內容包括：（1）發電機正常運行時注入的低頻電壓應在合理的范圍內；（2）發生嚴重的定子接地故障時，反饋的工頻電壓應在合理的范圍內。

正常運行情況下注入的低頻電壓一次值U20Hz，nrml可由下式估算：

式中：Us，20Hz為低頻注入電源電壓；Rin為電源等效內阻；Rn為接地電阻（RES+RPS）折算至PT1低壓側的值；nPT1為電壓互感器PT1的電壓變比。

對于該項目，RES為 1328 Ω，RPS為 266 Ω，nPT1為13.8kV/240 V，計算得 Rn為 0.4821 Ω。 Us，20Hz為 25 V，Rin為 8 Ω，計算得 U20Hz，nrml為 81.7 V。 發電機正常運行時，注入的低頻電壓一次值約占發電機額定電壓（13.8kV）的 0.6%，未超過 3%Urated。

當發電機出現嚴重接地故障時，假設機端發生金屬性接地故障，此時發電機中性點對地電壓為7968 V（13.8kV/1.732）；流過接地電阻（RES+RPS）的電流為 5 A（7968 V/（Res+Rps））；反饋至注入電源端口的電壓約為240 V（13.8kV/nPT1），未超過 550 V（低頻注入電源輸出端口可承受550 V，1 min反饋的工頻過電壓）。

因此，上述設計方案總體上是合理的。

4 現場實驗

先后對2臺發電機進行了注入式定子接地保護的模擬實驗，發電機靜止運行工況下，選擇多個電阻值，在發電機中性點處模擬接地故障。其測試結果分別如表1、表2所示。

表1 1號機定子接地故障實測結果

因現場實驗時間倉促，且事先未準備阻值較大的電阻，上述模擬實驗沒有采用更高阻值的電阻。從模擬實驗結果看，保護裝置實測的接地過渡電阻比較準確，誤差控制在了±5.0%內。

5 保護定值

注入式定子接地保護的補償定值與現場實驗情況相關。以該項目的1號發電機為例，2號發電機和1號發電機的定值相似。

內部控制是單位財務風險管控的重要方法，實施有效的內部控制，能夠對規范財務管理行為起到良好的效果。因此，基層行政事業單位在財務管理工作中，要加強并重視內部控制工作，并使其得到切實執行。首先單位要結合單位工作發展實際，建立并完善內部控制制度。其次落實并切實執行內控制度，使開展的每一項工作都有必要的事前、事中、事后風險控制措施執行。最后，實施內部控制措施，確保內部控制制度的有效實施。

（1）相角補償定值。由相角補償實驗確定。實測注入的20 Hz電壓、電流之間的相角，相角補償定值設定為350.0 deg。

（2）電阻補償定值、電抗補償定值。因沒有接地變壓器，這2個補償值均設定為0。

（3）電壓回路監視定值。模擬金屬性接地故障時，實測得到最低的注入電壓Umin為0，因此電壓回路監視定值同樣取0。

（4）電流回路監視定值。在正常狀態下得到最低的注入電流Imin為7.44 mA，可得電流回路監視定值。

式中：Krel取0.4～0.6。 最終取ILF0.SET為0.4 mA。

（5）零序電流跳閘定值。除了接地過渡電阻判據外，注入式定子接地保護還有一個零序電流判據作為后備，其反映流過中性點接地設備的零序電流，按10%的零序電壓進行整定：

計算結果IE.SET為0.25 A，該判據保護90%范圍的定子單相接地故障。

（6）電阻折算系數定值。理論上的電阻折算系數，按下式計算：

其中，nPT2為電壓互感器PT2的變比。考慮到測量環節的誤差，按實際測量到的接地電阻一次值與二次值之比進行整定，實測結果是40.7。

6 結束語

以四川YL水電站120 MW容量的發電機為例，闡述了發電機中性點直接經高壓大電阻接地的情況下注入式定子接地保護的設計方案，保留了高壓電阻，改換了原有的PT，在高壓電阻與注入電源之間增加一級PT，完成低頻電壓的注入；另增加一組PT用于電壓的測量。經過估算，說明設計方案合理。該方案不更換發電機中性點接地設備，改造費用小。同時給出現場模擬接地故障的實驗結果，表明保護裝置能準確測量一定阻值范圍內的接地過渡電阻，相對誤差可控制在±5%之內，滿足工程需要。可為國內相似機組注入式定子接地保護的改造提供參考。

[1]畢大強，王祥珩，余高旺，等.高準確度外加20 Hz電源定子單相接地保護的研制[J].電力系統自動化，2004，28（16）：75-78.

[2]李德佳，畢大強，王維儉.大型發電機注入式定子單相接地保護的調試和運行[J].繼電器，2004，32（16）：51-56.

[3]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 及 分 析 [J].電 力 系 統 自 動 化 ，2007，31 （11）：103-107.

[4]張琦雪，陳佳勝，陳 俊，等.大型發電機注入式定子接地保護判據的改進[J].電力系統自動化，2008，32（3）66-69.

[5]張琦雪，黃獻生，陳佳勝，等.巖灘發電公司300 MW發電機定子接地故障的多重化保護[C].第11屆全國保護和控制學術研討會，2007.

[6]ABB Power Automation.Numerical Generator Protection,REG 316*4[R].1999.