選擇性發電機定子單相接地保護方案研究

王 雪

（大唐長春第二熱電有限責任公司，吉林 長春130031）

0 前言

定子繞組對地（鐵心）絕緣的損壞將引發單相接地故障，這是定子繞組最常見的電氣故障。由于發電機中性點是不接地的或經高阻抗接地的，所以定子單相接地故障并不引起大的故障電流，相應的定子接地保護通常只發信號，經轉移負荷后平穩停機。目前很多研究應用在多臺發電機機組并聯運行故障時的故障機組的判斷上時存在一定的不足，無法正確判斷出故障機組。逐臺機組去排除，不僅會延長故障時間，還會導致很大經濟損失。本文對現有的各種保護方法進行分析，分析并聯運行的發電機定子繞組單相接地故障引起的機端及中性點相電流變化特點，進行發電機定子單相接地保護方案設計，使用Matlab來實現接地保護算法，進行仿真分析。

1 基于故障電阻測量的選擇性定子單相接地保護

1.1 定子繞組單相接地故障前正常運行時相電流的分析

本文研究的是多臺發電機并聯運行的情況，以下僅以三臺發電機為例進行分析。如圖1所示為三臺發電機供電系統。發電機外部元件用一個等效網絡表示。假定各發電機型號相同，發電機1，2，3各相定子繞組對地分布電容用集中參數Cg1,Cg2,Cg3表示，外部等效網絡各相對地等效電容用集中參數Ch表示。發電機出口側及中性點的電流皆以指向母線方向為正方向。系統正常運行時，設發電機1的機端出線側和中性點側各相電流分別為發電機正常運行時的三相電壓分別為假設系統三相對稱，三相電源電壓為 EA、EB、EC，中性點位移電壓為 U0。

根據三相系統的特點有:

無論發電機采用何種接地方式，正常運行時三相對稱，中性線上流過的電流均為0，即I˙L=0。由于三臺發電機在正常運行時的情況完全一樣，以發電機1為例進行分析。發電機1三相中性點側與機端出線側電流差值基波分量為：

發電機各相相電流差值超前機端電壓90度，大小為發電機本身對地電容電流。

1.2 定子繞組單相接地故障時相電流的分析

假如發電機1定子繞組中距中性點α（中性點到故障點的繞組占全繞組數的百分數）處A相發生金屬性接地故障。三臺發電機供電系統定子單相接地故障時，各臺發電機故障相和非故障相在中性點不接地、中性點經電阻和經消弧線圈三種接地方式下相電流的變化情況。中性點電流為發電機定子接地故障時各相的機端電壓分別為此時，中性點位移電壓從 U0變成 U′0。

此時有：

圖1 正常運行時系統基波電流分布

發電機1定子單相接地故障時三相中性點側與機端出線側電流差值基波分量為：

發電機1定子單相接地故障時相電流變化量基波分量為：

非故障發電機2三相中性點側與機端出線側電流差值基波分量為：

非故障發電機2相電流變化量基波分量為：

故障發電機故障相相電流變化量大于非故障發電機相電流變化量和故障發電機的非故障相相電流變化量。對于發電機定子單相接地故障，相電流變化量會隨發電機定子接地點位置不同而改變，且當發電機定子在靠近中性點附近發生單相接地時（即α趨于0時），相電流變化量基波分量數值很小（趨于0）。通過分析發現，當發電機發生定子單相接地故障時，故障相相電流變化量大，而非故障發電機各相和非故障相相電流變化量較小，因此可以利用此區分故障發電機。

1.3 基于故障電阻測量的接地保護原理

定義相對地計算電阻為故障后該相對地電壓與以該相為基準的相間差電流的比值，則故障發電機的三相計算電阻分別為：

故障相計算電阻等于接地電阻，非故障相計算電阻大于故障相電阻。定義發電機對地計算電阻為三相對地計算電阻中的最小值，即Rf1=min（RfA1，RfB1，RfC1）=RfA1=Rf，則故障發電機 1 的計算電阻等于接地故障電阻。

同理可得非故障發電機2的計算電阻為：

理論上，非故障發電機2的計算電阻值為無窮大。考慮受保護裝置測量精度的限制、信號測量回路的信號傳變誤差及干擾影響，非故障發電機2的計算電阻值在一定的數值范圍內，但仍遠大于接地故障電阻值，可以構造一種新的發電機接地保護方法。由于金屬性接地故障時，故障相（A相）對地電壓等于0；故障發電機和非故障發電機的接地阻值均為0，該保護方法僅適用于高阻接地故障檢測。

1.3.1 保護啟動

通過在線監測并連續計算并列運行的發電機中性點側和機端側的零序電壓有效值。當大于電壓整定值U0set時，判定系統發生接地故障，啟動保護判斷。啟動判據為：

由于發電機發生定子單相接地故障時（設故障相為A相），故障點的零序電壓為：

因此在中性點附近發生定子單相接地時，α趨于0，零序電壓也趨于0，此時保護不會啟動，存在死區，由于設計時間有限，僅對零序電壓保護啟動判據進行分析和研究，故不能實現定子100%接地保護。

1.3.2 保護判據

對地計算電阻進行接地故障檢測，采用發電機的對地計算電阻值與整定值比較，如果發電機對地計算電阻小于該發電機的整定值（Rf＜Rset），則該發電機為故障發電機。所以保護判據為：

發電機計算電阻整定值按需要保護的最大高阻接地故障電阻值乘以一大于1的靈敏系數確定。當發電機發生定子單相接地故障時，故障發電機故障相相電流變化量大，而非故障發電機各相和故障發電機非故障相相電流變化量較小，因此可以利用此區分故障發電機。通過發電機的對地計算電阻值與整定值比較進行故障機組的判斷。

2 仿真波形及結果分析

采用EMTP仿真，以三臺發電機并列運行為例。各項參數取值如下：各發電機額定電壓均為13.8kV，各發電機每相對地電容分別為0.577μF、0.560μF、0.560μF，發電機外部系統每相總電容 0.15μF。 以發電機中性點不接地為例，根據故障點位置（按照從機端到中性點側的順序，即α的取值分別為1.00、0.50、0.00三種定子繞組單相接地位置）、故障電阻Rf(低阻5Ω和高阻1000Ω)等不同情況，分別進行仿真測試。

2.1 仿真波形

圖2、6為發電機1定子單相接地故障（C相）前后零序電壓變化波形圖，從圖3到圖5和圖7到圖9為發電機1定子繞組C相發生單相接地時，發電機1、2的計算電阻波形圖。由于此時對于發電機2和3屬于外部故障，為了簡化分析的過程，只畫出發電機1和2的測量電阻波形圖。圖10和圖11為發電機外部系統發生接地故障時的波形圖。Rf1為發電機1的計算電阻，Rf2為發電機2的計算電阻。

2.1.1 定子繞組經低阻接地時仿真波形圖

定子繞組經低阻接地時Rf=5Ω，保護啟動判據和保護判據的仿真波形圖如下：

圖2 零序電壓波形圖

圖3 Rf=5Ω，α=1.00時各發電機計算電阻波形圖

圖4 Rf=5Ω，α=0.50時各發電機計算電阻波形圖

圖5 Rf=5Ω，α=0.00時各發電機計算電阻波形圖

2.1.2 定子繞組經高阻接地時仿真波形圖

定子繞組經高阻接地時Rf=1000Ω，保護啟動判據和保護判據的仿真波形圖如下：

圖6 零序電壓波形圖

圖7 Rf=1000Ω，α=1.00時各發電機計算電阻波形圖

2.1.3 發電機外部系統接地時仿真波形圖

上圖仿真波形為發電機外部輸電線路上某處C相發生接地故障時的仿真結果。此時對于發電機1、2、3來說都屬于外部故障。

2.2 仿真結果分析

當故障點靠近中性點附近時，零序電壓的數值很小，不能滿足保護啟動判據，故存在保護死區。當發生金屬性接地時故障時，由于保護判據的缺陷，存在死區（由于發生金屬性接地時，故障電壓很低，為很小的數值）。通過比較發電機定子接地故障時各發電機計算電阻的波形圖，可知故障機組的計算電阻為接近于接地電阻的值，而非故障機組的計算電阻為較大的值，由此可以來判別故障機組，保證保護的選擇性。對于發電機外部系統發生接地故障時，相對于三臺發電機來說均屬于外部故障，此時三臺機組的計算電阻均為較大的值（相對于接地電阻來說），所以對于發電機外部系統故障接地時，發電機的保護不會動作。

圖8 Rf=1000Ω，α=0.50時各發電機計算電阻波形圖

圖9 Rf=1000Ω，α=0.00時各發電機計算電阻波形圖

圖10 Rf=5Ω時各發電機計算電阻波形圖

圖11 Rf=1000Ω時各發電機計算電阻波形圖

3 結論

本文提出一種新的有選擇性的定子接地保護方案，即利用測量電阻法，比較各發電機的計算電阻而構成的定子單相接地保護原理。分析了三臺發電機供電系統在正常運行和定子接地故障時相電流變化量的基波分量的大小，并提出了保護的啟動判據和保護判據。通過分析發現，故障發電機的計算電阻為一有限值（接近于接地電阻大小的值），而非故障發電機的計算電阻為一很大的值，可以區分故障發電機，實現有選擇性的定子單相接地保護，且易于工程實現。

當定子單相接地故障發生在中性點附近時，零序電壓趨于零，保護不能啟動，保護存在死區；且低阻接地時，由于故障相電壓值很小，是保護判據存在死區。發電機外部系統接地故障時，對于三臺發電機來說均屬于外部故障，故此時三臺發電機的計算電阻均為較大的值（相對于接地電阻來說），故該保護具有較高的可靠性。

［1］畢大強.大型水輪發電機定子繞組單相接地故障及保護方案的研究[D].北京:清華大學,2003：2-10.

［2］王維儉.發電機變壓器繼電保護應用[M].北京:中國電力出版社,1998:83-115.

［3］王媛媛.小電流接地系統接地保護方法研究[D].長沙:長沙理工大學,2006.