20 Hz注入式定子接地保護在蓄能電站中的應用

段世肖，丁燁楠

（華東桐柏抽水蓄能發電有限責任公司，浙江 天臺 317200）

20 Hz注入式定子接地保護在蓄能電站中的應用

段世肖，丁燁楠

（華東桐柏抽水蓄能發電有限責任公司，浙江 天臺 317200）

從發電機中性點接地變的二次側注入20 Hz交流電源構成發電機定子接地保護，該保護無工作死區，不受機組運行狀況影響；不受接地故障點位置的影響，實現了對發電機定子100%接地保護；能監測發電機定子繞組絕緣性能下降，并對發電機定子繞組絕緣老化起到監視作用。

20 Hz電源；注入式；定子接地保護

0　引言

發電機定子單相接地故障是發電機常見故障中的一種，由于發電機定子單相接地故障容易衍變成危害更大的發電機定子繞組相間或匝間短路，因此發電機定子接地保護在大型發電機機組保護中具有重要作用，它對于發電機定子嚴重短路故障的預防具有重要意義。傳統的發電機定子接地保護主要是由基波零序電壓式定子接地保護與三次諧波電壓配合組成的發電機定子100%接地保護。其中基波零序電壓式定子接地保護在發電機定子電壓升高至一定水平才會動作，且接地故障點發生在發電機中性點附近的話存在死區。而三次諧波電壓有多種實現方法，但都受發電機定子及其相聯設備的參數和運行方式的影響，或者由于動作判據穩定性差而使運行的可靠性不易實現。

而20Hz注入式定子接地保護是在發電機定子回路與大地之間加入一個20Hz的信號源，通過回采的20 Hz電壓、電流來計算發電機定子對地阻抗，從而判斷接地故障。該保護能夠獨立實現發電機定子100%接地保護，且基本不受系統運行方式的影響。它還能夠對發電機定子的絕緣水平下降起到監測作用，是較好的發電機定子接地保護方案。此外它還有一個優點是在機組的啟停機過程中依然能夠起到保護作用。

20 Hz注入式定子接地保護拓寬了保護方案的靈活性，提高了發電機的安全運行，因此在大型發電機機組保護中得到越來越多地應用。

1　發電機定子接地保護的介紹

1.1發電機定子接地保護的定義

發電機定子發生單相接地故障后，產生的接地電流經故障點、三相對地電容、三相定子繞組而構成通路。當產生的接地電流增大至在故障點引起電弧時，將使發電機定子繞組的絕緣和定子鐵芯燒壞，也容易衍變成危害更大的發電機定子繞組相間或匝間短路，而能夠對發電機定子發生接地故障時進行無死區的保護就稱為發電機定子100%接地保護。

1.2發電機定子接地保護的主要方式

發電機定子接地保護根據保護原理的不同可分為非注入式和注入式兩大類，而目前應用最廣泛的是非注入式保護。此類保護最大的一個不足之處就是只能動作于發電機正常運行時，而當發電機在啟停機階段時發電機定子發生接地故障，該保護則無法正常起到保護作用。而注入式保護無論發電機處于正常運行還是啟停機階段都能監測發電機定子對地的絕緣情況，恰恰彌補了非注入式保護的不足。

目前應用比較廣泛的發電機定子接地保護方案主要為基波零序電壓式定子接地保護、三次諧波電壓式接地保護等非注入式接地保護以及低頻注入式定子接地保護等注入式接地保護。

1.2.1采用了基波零序電壓式定子接地保護與三次

諧波電壓組成的雙頻式發電機定子接地保護

基波零序電壓式定子接地保護原理比較簡單，接地保護簡便易實現，但其監測范圍在發電機中性點處存在5%～10%的死區，并且該死區會隨著發電機定子繞組對地電容的增大以及不對稱度的增大以致接地保護靈敏度降低而不斷擴大，這個是其重要缺點。三次諧波電壓式定子接地保護彌補了當接地故障點發生在發電機中性點附近時基波零序電壓式定子接地保護的不足，因此由它們兩個組成的雙頻式發電機定子接地保護得以被廣泛應用在大型發電機機組保護中。但三次諧波電壓式定子接地保護受機組運行方式的影響較大，經常誤動；并且由它們組成的雙頻式發電機定子接地保護依然不能夠保護處于啟停階段的發電機機組。

1.2.2低頻注入式定子接地保護

在發動機中性點處加裝接地變壓器，也就是發電機中性點經二次側帶接電阻的變壓器接地，在接地變二次側注入一個方波電源，并采集注入電源的電壓和注入電流，正常與運行時，注入電流經接地變耦合到發電機定子，流過的電流為電容電流，當發電機定子發生接地故障時，電流增大，耦合到二次側的電流也增大，采集注入電流隨之增大，由此反應發電機定子發生接地故障。該保護能夠獨立實現發電機定子繞組100%接地保護，并能夠對發電機定子的絕緣老化情況進行監視。因此低頻注入式定子接地保護以其簡便的原理和優越的性能，代表了發電機定子接地保護日后的發展方向。

由基波零序電壓式定子接地保護和三次諧波電壓構成的雙頻式發電機定子接地保護應用于國內大多數發電廠的機組中，是目前發電機定子接地保護方案中應用最為廣泛的。而低頻注入式定子接地保護作為新型的發電機定子接地保護，也在逐漸被各大型發電廠接受并使用。在低頻注入式定子接地保護領域中，最具影響力的是德國西門子和瑞士ABB兩家公司。

2　桐柏電站定子接地保護的介紹

在發電機中性點處注入一個20 Hz的電壓以用來監測接地故障已被證實是一個可靠而且安全的方法。與三次諧波電壓式定子接地保護動作判據相反，它獨立于發電機的特性以及運行方式，簡單來講就是指即使在系統停頓期間，保護的測量過程仍然可以繼續進行。桐柏電站低頻注入式定子接地保護的外加電源采用的是20 Hz電源，其在發電機靜止、啟停機和并網運行等各種工況下都能夠發揮良好的保護作用。這個保護的功能范圍可以覆蓋整個發電機及其所有與之相連的電氣設備。

20 Hz注入式定子接地保護通過保護裝置采集已注入的20 Hz電壓以及流過的20 Hz電流來實現對系統的監測，該保護有一個報警、跳閘段。并且其測量回路始終被保護裝置所監視，就算是20Hz發生器本體的故障也能被測量出來。

2.1 20 Hz注入式定子接地保護工作原理

20 Hz注入式定子接地保護的工作原理為從發電機中性點二次側注入一個低頻（20 Hz）交流電壓源，其電壓幅值最大約為發電機額定電壓的1%（桐柏電站發電機額定電壓為18 kV）。如果發電機中性點處發生了接地故障，20 Hz交流電壓信號通過接地電阻R將產生電流（如圖1）。保護裝置將采集回路中的20Hz電壓和故障電流，從而計算出回路的對地阻抗。這種工作原理同時也可用于監測發電機機端的接地故障，包括與發電機機端相連接的其他電氣設備，如電制動刀、電壓互感器等。

上述工作原理主要靠加裝的外部附加設備：7XT33（20 Hz電源發生器）和7XT34（20 Hz帶通濾波器）才得以實現，該保護投入運行時，由7XT33裝置產生一個方波電壓，幅值約為25 V。通過7XT34裝置，將產生的方波信號注入到中性點接地變二次側的負載電阻R，并經過變壓器繞組耦合到中性點接地變一次側。其中帶通濾波器7XT34的作用主要是將方波信號轉變成正弦波信號。當發電機機端發生接地故障時，發電機保護裝置（DRS-MODULAR裝置）將引入的20 Hz電壓信號和20 Hz交流電流信號加以處理計算來判斷接地故障，其中20 Hz交流電流信號通過外接小型CT來測量，而20 Hz電壓信號直接取自負載電阻R。

圖1中，我廠保護裝置采用ELIN生產的DRS-MODULAR裝置；20 Hz電源發生器為西門子的7XT33；20 Hz帶通濾波器為西門子的7XT34；R為接地負載電阻。

2.2有關保護動作邏輯

2.3有關保護整定計算

2.3.1實測數據

經過不同阻抗接地時測得的接地電阻如表1：

說明：該測量數據為加入直流電阻進行測試的結果，實際負載為感性。

2.3.2動作整定值計算

權衡正常時的可靠性和故障時的靈敏性兩者矛盾，通過計算選取不同工況下的定子接地保護動作整定值。

（1）發電機工況/抽水工況動作電阻整定值取：

可靠系數取：

靈敏系數取：

（2）拖動工況時動作電阻整定值取：

為保證接地時可靠動作，整定值取：

可靠系數取：

靈敏系數取：

2.4有關保護注意問題

2.4.1有關保護跳閘矩陣

2.4.2有關保護閉鎖矩陣

目前大型水電廠的水輪發電機一般采用電制動方式與機械制動方式相結合的混合制動方式停機。為了防止停機過程中在電制動刀合閘期間，發電機定子接地保護的誤測量以及誤動，發電機定子接地保護的保護裝置應接入電制動刀的輔助常開接點。即當電制動刀合閘后，該接點閉合，此時應閉鎖20Hz注入式定子接地保護動作（見表4）。

此外在兩機組背靠背拖動過程中處于被拖動工況或拖動工況時，保護范圍延伸到有聯系的機組。針對保護范圍的擴大，為了提高保護的可靠性及保證保護的靈敏度，防止外加20 Hz電源回路形成環流，故在機組背靠背啟動時打開拖動機組的中性點閘刀，該定子接地保護由被拖動機實現（見表4）。

3　結束語

發電機作為電力系統的重要組成部分，其安全、穩定、可靠運行在很大程度上決定了電力系統是否能夠穩定運行。在發電機易發常見故障中，發電機定子繞組單相接地故障在發電機各類故障中所占比例很高。雖然發電機定子繞組發生單相接地故障不會產生很大的故障電流，但容易衍變成危害更大的發電機定子繞組相間或匝間短路，因此完善的發電機定子接地保護對發電機的安全運行起到至關重要的作用。所以，發電機定子接地保護是大型發電機組保護配置中十分重要的一項保護。與雙頻式發電機定子接地保護相比較，20 Hz注入式定子接地保護原理新穎，能夠獨立實現發電機定子100%接地保護，且對發電機定子的絕緣水平下降起到監測作用，因而得到廣泛應用。本文介紹的20Hz注入式定子接地保護，以其簡便的原理和優越的性能，代表著發電機定子接地保護日后的發展方向。隨著20 Hz注入式定子接地保護在大容量機組中被逐漸廣泛應用，其保護裝置的可靠性、速動性、選擇性和靈敏性也將經受考驗。

[1]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.

[2]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):12-16.

[3]王維儉.電氣主設備繼電保護原理與應用[M].2版.北京:中國電力出版社,2002.

[4]趙興國,柏青海.新原理的發電機100%定子接地保護[J].電站設備自動化,1988(1):44-49.

[5]邰能靈，尹相根，胡玉峰，等.注入式定子單相接地保護的應用分析[J].繼電器,2000,28(6):15-17.

段世肖（1988-），男，工程師，從事抽水蓄能電站運維工作。

TM774

B

1672-5387（2015）11-0032-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2015.11.012

2015-07-31