發電機定子接地保護研究

郭濤

摘要：發電機最常見的故障是定子繞組的單相接地，由于發電機中性點是不接地或經高阻抗接地的，定子單相接地故障并不引起大的故障電流，定子接地保護動作后發信號而不跳閘。但如果不及時處理，將發展成相間短路而嚴重燒毀發電機。文章對定子接地保護裝置進行了分析。

關鍵詞：發電機；定子接地保護；三次諧波；靈敏度；死區 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM31 文章編號：1009-2374（2015）25-0025-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.25.012

發電機定子繞組是全絕緣的，而中性點經常運行在低電壓工況，因此接地故障不會在發電機附近。運行實踐證明，發電機中性點附近可能由于機械的原因或水內冷發電機的定子漏水而發生單相接地故障，也可能故障初始是由位于中性點附近的定子多匝線圈中發生部分匝間短路，由于短路匝數少，橫差保護不能反映，故障繼續發展，最終中性點附近繞組對鐵芯擊穿，形成單相接地故障，如果定子接地保護因存在死區而不能反應，將繼續擴展成相間或層間短路，因此不能以中性點運行電壓低為理由降低定子接地保護無死區的要求。

定子接地保護應具有100%的保護區，故障點電流不應超過安全電流，并且在定子繞組任一點發生接地故障時，保護應有足夠高的靈敏度。如果保護裝置靈敏度很低，當發電機中性點附近某一點經一定大小的電弧電阻接地時，保護不能反應，當機端附近再發生接地故障時，中性點電位升高，形成兩點接地故障，發電機將發生災難性后果。

1 基波零序電壓定子接地保護

大型發電機不應該人為增大單相接地電流，定子接地保護宜采用零序電壓方案，包括基波零序電壓和三次諧波零序電壓。在發電機定子回路中某一點發生單相接地時，定子接地各點均有零序電壓為αEx，因此作為保護動作參量的基波零序電壓可以是發電機中性點單相電壓互感器或消弧線圈的二次電壓，也可取機端三相電壓互感器的開口三角接線的電壓。

擴大這種保護裝置的保護動作區（降低其動作電壓），應解決以下三個方面的問題：（1）努力降低正常運行時的不平衡零序電壓，注意的問題是防止高壓系統或廠用系統發生接地故障時誤動作；（2）如果高壓系統中性點直接接地，當高壓系統發生單相接地時，若直接傳遞給發電機的零序電壓超過定子接地保護的動作電壓，則必須使定子接地保護的時限大于系統接地保護的時限，也可引入高壓側零序電壓作為制動量，以防誤動，但考慮到定子接地保護僅作用于信號，而系統接地保護是快速跳閘的，所以這個制動作用并非十分必要；（3）如果高壓系統中性點不直接接地，當高壓系統發生單相接地時，若通過耦合電容傳遞發電機的零序電壓超過定子接地保護的動作電壓，則必須裝設以高壓側零序電壓為制動量、以發電機零序電壓為動作量的基波零序電壓型定子接地保護，電容C與繼電器動作繞組電感構成50Hz串聯，目的是減少三次及其他高次諧波的電壓的影響。

綜上所述，基波零序電壓型定子接地保護可以在發電機單相接點電流很小的情況下采用，這是它的突出優點。沒有制動作用的基波零序電壓型定子接點保護，如果高壓側中性點不接點，則保護區一般不會超過90%～95%。如果有制動作用，則保護區可以超過95%，但也不是100%，而且在保護區內經過渡電阻接地時靈敏度也不高（特別是故障發生在中性點附近）。

2 三次諧波電壓型定子接地保護

實踐表明，發電機三次諧波電勢不可能完全等于零，因此不可能通過設計和工藝上的改進同時把三、五、七次等諧波都消除，實際上總是把消除五、七次諧波作為首要任務。發電機三次諧波電勢不是常數，它隨負荷的大小和功率因素而變，在正常運行時和發電機中性點附近接地故障時，單從機端三次諧波電壓的大小，并不能區分發電機是否發生接地故障。

三次諧波電壓型定子接地保護不能單純采用機端三次諧波電壓│?s│，但單純采用中性點三次諧波電壓│?n│構成低電壓接地保護是可能的而且是最簡單的，因為任何正常運行情況下均有│?n│≠0，而中性點附近發生接地故障時，│?n│將趨向于零，因此可以采用│?n│<а動作判據來構成三次諧波定子接地保護。其中а應小于一切正常運行是發電機中性點的最小三次諧波電壓│?no。min│，其值通過實測，這種三次諧波定子接地保護區域大約在發電機中性點附近5%～10%的定子繞組內，因此它能起到消除基波接地保護死區的作用，但這種保護的動作區重迭區不大們、靈敏度低，我們需要采用具有較高靈敏度的三次諧波電壓型定子接地保護。

2.1 以│?s│>│?n│為動作條件的定子接地保護

一切中性點不接地或經高阻抗接地的發電機，在正常運行時恒有│?s│/│?n│<1，此時保護裝置處于制動狀態。

2.1.1 這種保護的靈敏度與三次諧波電勢?3的大小無關，所以也與發電機的負荷狀態無關。

2.1.2 靈敏度與接地故障點的位置有關，即與角Φ的大小有關。當定子繞組中部接地時Φ=45?，此時gmin=∞，Rmdx=0，即過渡電阻為0時保護裝置處于動作邊界。當接地發生在機端時Φ=0?，gmin為虛數（因bs>bn），即保護不能動作。當接地發生在中性點時，Φ=90?，gmin=（b2s-b2n）1/2，此時有Rmdx的最大值，即這種保護裝置在發電機中性點接地時有最高的靈敏度。

2.1.3 在一定的接地故障點（Φ為定值），（bs+bn）越大，gmin就越大，Rmdx就越小，所以發電機的對地電容越大，保護裝置的靈敏度就越低。消弧線圈接地的發電機由于電容被補償，所以靈敏度就要高些。

2.1.4 最高靈敏度（中性點發生接地故障Φ=90?）以Rmdx表示，即Rmdx=1/（b2s-b2n）1/2=1/[（bs+bn）（bs-bn）]1/2，所以最高靈敏度不僅隨（bs+bn）增大而降低，而且（bs-bn）越大，靈敏度也越低，即發電機首末兩端電容差別越大，靈敏度越低。由此可見，從定子接地保護的靈敏度來說，極端外接電容Cf越小越好。中性點接消弧線圈時，也使（bs-bn）增大，相應的保護靈敏度也將降低。

大型發電機有消弧線圈和中小型發電機不用消弧線圈相比，發電機的定子接地保護靈敏度相差特別大，主要原因是大型發電機外接了過電壓保護用的沖擊波吸收電容器，而且由消弧線圈，使bn-bs的數值比中小型機組的大得多，造成Rmdx的減小，機端電容大使發電機正常運行時│?s│遠小于│?n│，比較絕對值的三次諧波電壓型定子接地保護裝置中，│?s│是動作量，│?n│是制動量，大型發電機定子接地保護的制動量過大就是靈敏度低的基本原因，因此以│?s│>│?n│為動作判據的定子接地保護方案不適宜用于大型機組。

2.2 以KZ│?n│<│?s│為動作條件的定子接地保護

為了在滿足正常運行時不誤動的前提下盡量提高靈敏度，保護裝置在發電機正常運行時的制動量不應過大（當然也不能過小，否則會誤動），為此不直接用│?n│作為保護裝置的制動量，而以修改后的KZ│?n│為制動量。KZ的大小應以正常運行時不誤動為條件，即KZ?n0>?s0，有：

KZ=KK?s0/?n0=KKbn/bs

式中：KK為可靠系數，一般可取1.3。

在引入KZ系數后，按KZ│?n│<│?s│為判據的定子接地保護，動作邊界的過渡電導gmin=1/2[B±（B2+4C）1/2]

其中B=（K2Zbs+bn）sin2Φ/（sin2Φ-K2Zcos2Φ）

C=（K2Zb2s-b2n）/（sin2Φ-K2Zcos2Φ）

當接地故障發生在發電機中性點（Φ=90?）時有最高的靈敏度，相應的Rmdx最大值為Rmdx=1/gmin=1/（K2Zb2s-b2n）1/2

當接地故障發生在繞組中部（Φ=45?）時，有RΦ=45?=1/[D±（D2+2E）1/2]

式中D=（K2Zbs+bn）/0.5（1-K2Z）

E=（K2Zbs-b2n）/0.5（1-K2Z）

由上式可知：當采用KZ│?n│<│?s│判據后，在繞組中部接地時，一般情況下Rmdx≠0，所以這種保護方案的保護區有可能超過繞組的一半。

當引入KZ后的保護方案，使（bs-bn）對靈敏度的影響大大減小了，對大型機組而言，（bs-bn）較大，KZ使制動量減少，從而提高了靈敏度。對中小型機組，（bs-bn）較小，KZ使制動量增大，這就提高了正常運行的可靠性，當然靈敏度相應降低了。

很明顯，在以│?n│<│?s│為判據時，定子接地保護的動作區以а=0.5為極限，在以KZ│?n│<│?s│為判據時，若（bs-bn）較小，則>1.0，這樣勢必進一步縮小保護動作區域。

2.3 以KZ│?n│<│?n-?s│為動作條件的定子接地保護

為了進一步提高靈敏度，應盡量降低制動量，但是這必須在保證正常運行不誤動的可靠性前提下進行，也就是說要降低正常運行時的制動量，就必須尋找在正常運行時數值也很小的動作量。對于中小型機組，bs和bn的數值相近，正常運行的│?no│和│?so│也十分相近，所以若取制動量│?n-?s│，則制動量KZ│?n│中的KZ一定很小，可見，這種方案的靈敏度（對中小型機組）一定很高。

可見這一方案的靈敏度大大提高了，而且最靈敏度不在Φ=90?的發電機中性點，特別值得注意的是，三次諧波電壓型定子接地保護已經不再只能保護靠近中性點的一部分繞組，而是能單獨完成100%定子繞組的接地故障保護，而且還允許相當大的過渡電阻，所以這一方案對中小機組是十分理想的。如果不希望靈敏度太高，不防將KZ人為地抬高些（計算中取Kk=1.3，為降低靈敏度，Kk可取再大些）。

通常，基波零序電壓型定子接地保護繼電器J1是直接接在YH1的開口三角三次諧波繞組上或YH0的二次繞組上，這時為了提高這種保護的靈敏度，就必須增加三次諧波的阻抗電路。

通過以上三個方案的分析，筆者認為最后一種方案比較理想，而且被廣泛應用。

定子接地保護裝置在投入運行前，必須在所運行的發電機上進行實際調試，為了防止高壓側發生接地故障，造成定子接地保護裝置誤動作，可以增加延時或把基波整定調整到10伏以上來防止裝置的誤動。

定子接地保護裝置采用雙頻分離式構成的保護，由基波零序電壓保護定子繞組靠近機端側的85%～90%，由三次諧波電壓保護靠近中性點側的20%～25%，這樣三次諧波電壓接地保護不僅可以幫助消滅基波零序電壓定子接地保護的死區，它與基波零序電壓定子接地保護結合起來完成了發電機的100%定子接地保護。

參考文獻

[1] 王維儉，侯炳蘊.大型機組繼電保護理論基礎[M].北京：水利電力出版社，1989.

[2] 袁季修.發電機三次諧波電勢分布及其等值電路[J].中國電力，1984，（9）.

（責任編輯：周 瓊）