注入式定子接地保護原理介紹及動作實例分析

摘 要：介紹發電機定子接地的危害及注入式定子接地保護原理，列舉一發電機定子接地保護動作實例并分析動作原因。

關鍵詞：定子接地保護；危害；原理；動作實例；分析

本文介紹了發電機定子接地的危害，同時介紹了注入式發電機定子接地保護，列舉出一發電機定子接地保護動作實例，并分析其動作原因。

1 發電機定子接地的危害

當發電機定子繞組與鐵芯間的絕緣損壞將引起定子繞組的單相接地短路。如果發電機的中性點是絕緣不接地的，此時接地點的接地電流是發電機電壓系統的電容電流。該電流較大時非但燒傷定子繞組的絕緣還會燒損鐵芯，還會將多層鐵芯疊片燒接在一起在故障點形成渦流，使鐵芯進一步加速熔化導致鐵芯嚴重損傷。

為了確保發電機的安全應不使發電機的單相接地短路發展成相間短路或匝間短路，因此應該使單相接地故障處不產生電弧或者使接地電弧瞬間熄滅。這個不產生電弧的最大接地電流被定義為發電機單相接地的安全電流。該電流與發電機的額定電壓有關。目前發電機單相接地的安全電流如無制造廠提供的規定值可以下表所列數據作為參考。18及以上1

我國發電機中性點接地方式主要有3種：不接地（含經單相電壓互感器接地）、經消弧線圈（欠補償）接地、經配電變壓器高阻接地。在發電機單相接地故障時，不同的中性點接地方式，將有不同的接地故障電流和動態過電壓。當機端單相金屬性接地電容電流Ic小于允許值時，發電機中性點可不接地，單相接地保護可帶時限動作于信號；當Ic大于允許值時，宜以消弧線圈（欠補償）接地，補償后的殘余電流（容性）小于允許值時，保護可帶時限動作于信號；當消弧線圈退出運行或由于其他原因使殘余電流大于允許值時，保護應帶時限動作于停機。發電機中性點經配電變壓器高阻接地時，接地故障電流大于電容電流。當故障電流大于允許值時，保護應帶時限動作于停機；當故障電流小于允許值時，保護可帶時限動作于信號。

2 發電機定子接地保護原理介紹

基波零序電壓保護發電機85%～95%的定子繞組單相接地，在中性點附近發生接地故障，保護有死區。基波零序電壓保護設兩段定值，一段為靈敏段，另一段為高定值段。

因此規程規定對容量小于100MW的發電機變壓器組中的發電機定子接地保護中可只裝設保護范圍不小于90%的基波零序過電壓保護。但對100MW容量及以上的發電機，應裝設無動作死區（100%動作區）的定子繞組單相接地保護。一般采用基波零序過電壓保護與三次諧波電壓保護共同組成的100%單相接地保護。三次諧波電壓定子接地保護對于中性點附近的單相接地短路有很高的靈敏度，它與基波零序過電壓保護正好有互補性。所以可用這兩個保護聯合構成100%的定子繞組接地短路保護。

注入式發電機定子接地保護：

（1）發電機在正常運行時三相定子繞組對地是絕緣的，而在定子繞組發生接地短路時這種對地絕緣性能被破壞，所以如果在定子繞組與大地之間加入一個非50Hz的另一個頻率的電源，那么定子繞組接地時，該電源回路就經過大地流過一個該頻率的故障電流。

利用該電流增大后該頻率的電壓和電流的比值（該比值正比于接地電阻的大小）的降低的特征可以構成相應的保護，來檢測定子繞組的接地故障。這種保護稱作接地電阻定子接地保護，從原理上講在理想情況下其靈敏度與接地故障在定子繞組上的位置無關，所以可構成100%的定子接地故障保護。而且在發電機開機之前本保護就可檢測出定子接地故障。

圖中為從中性點接地變壓器l、n接入20Hz電源。

（2）接地電阻定子接地判據。接地電阻判據與定子繞組的接地點無關，可以反映發電機100%的定子繞組單相接地。

接地電阻判據反映發電機定子繞組接地電阻的大小，設有兩段接地電阻定值，高定值段作用于報警，低定值段作用于延時跳閘，延時可分別整定。其動作方程為：

RE

報警判據為：

RE

式中RE為發電機定子繞組接地電阻，REsetH和REsetL分別為發電機定子繞組接地電阻的高、低定值。

（3）接地電流定子接地判據。考慮到當接地點靠近發電機機端時，檢測量中的基波分量會明顯增加，導致檢測量中低頻故障分量的檢測靈敏度受到影響。為了提高此種情況下保護的靈敏度，增設接地電流輔助判據。接地電流判據能夠反映距發電機機端80～90%的定子繞組單相接地，而且接地點越靠近發電機機端其靈敏度越高，因此能夠很好的與接地電阻判據構成高靈敏的100%定子接地保護方案。

接地電流判據反應發電機定子接地電流的大小，其動作方程為：

IE>IEset

式中IE為發電機定子接地電流（不經數字濾波），IEset為接地電流定值。

3 發電機定子接地保護動作實例分析

3.1 哈密電廠基本情況

哈密電廠汽輪發電機廠家為東方電機有限公司，型號為QFSN-660-2-22B，額定容量為733MVA，額定功率為660MW，額定定子電壓為22kV，額定定子電流19245A，額定功率因數0.9，額定轉速3000r/min。升壓站采用3/2接線方式，送出電壓為500kV，發電機定子中性點經變壓器接地。

3.2 保護配置情況

哈密電廠單機配置兩套發變組保護，裝置廠家均為南京南瑞繼保電氣有限公司，型號為PCS-985B，發變組保護A柜發電機定子接地保護為100%定子接地保護，即基波加三次諧波構成的定子接地保護，發變組保護B柜發電機定子接地保護為注入式定子接地保護。

3.3 動作實例分析

（1）2015年9月10日16：44：50，1號機組運行參數平穩，負荷336MW，定子水導電度瞬間升至11.1us/cm（量程11 us/cm），16：47：21，1號機組發變組保護B柜注入式定子接地保護動作跳閘。

（2）機組跳閘后相關專業人員迅速進行了相關檢查工作。電氣二次專業人員檢查發現發變組保護B柜定子接地保護動作跳閘，發變組保護A柜未啟動。

（3）檢查發變組保護B柜：16：47：20：891，保護啟動；999ms，定子接地電阻判據滿足，發變組全停，機組故障錄波器正常啟動錄波。機組跳閘時故障錄波器錄波圖中發電機機端電壓A相60.29V，B相55.52V，C相59.35V，機端3U0為4.99V。

（4）注入式定子接地保護定值為：10 kΩ，延時3s報警，3 kΩ，延時1s跳閘。

（5）在做好相應措施后，對發電機中性點接地電阻柜內注入式定子接地保護專用CT二次電纜進行絕緣測試，阻值為550MΩ，正常。

（6）恢復相應措施后，從發變組保護裝置內部查看接地電阻值為30 kΩ，恢復正常。

（7）用電阻進行定子接地模擬，當阻值為4kΩ時，發變組保護裝置B柜定子接地報警；當阻值為2.5 kΩ時，發變組保護裝置B柜定子接地跳閘，說明保護裝置注入式定子接地保護功能正常。

（8）從保護裝置錄波圖分析，保護裝置啟動時發電機機端電壓A相59.65V，B相54.96V，C相59.91V，機端3U0為5.54V，測量電阻一次值為2.99kΩ，跳閘時發電機機端電壓A相60.38V，B相54.88V，C相59.25V，機端3U0為5.73V，測量電阻一次值為2.22kΩ，與機組故障錄波器查得數值相近，且波形相近。

（9）綜上可以判斷，發變組保護B柜保護裝置正常，注入式定子接地保護動作正確。發變組A柜保護裝置未啟動，是因為當時電壓未到定值，所以發變組保護A柜保護裝置未啟動。

（10）檢查發電機出口PT，試驗正常。

（11）測量發電機定子絕緣（帶主變、高廠變）15秒絕緣值7.64GΩ，60秒絕緣值10.06GΩ，水搖表故障。

（12）檢查測試接線后繼續測量，水搖表顯示絕緣值紊亂，100MΩ至2GΩ之間無規律跳動，停止測試。

（13）化驗發電機定子水導電度16.4us/cm，對系統進行充排，導電度逐漸降至0.8us/cm，15秒絕緣值220MΩ，60秒絕緣值331MΩ，10分鐘絕緣值495MΩ。

（14）判斷定子水導電度突然升高是發電機定子接地保護動作的直接原因。

（15）進一步檢查發現，離子交換器回水至定子水箱入口管的加堿裝置異常，加堿泵連續運行。本裝置自動控制發電機定子入口水導電度0.5us/cm-0.7us/cm，當定子入口水導電度≥0.7us/cm加堿泵自動停運，定子入口水導電度≤0.5us/cm加堿泵自動投運。運行人員發現導電度異常后定子入口水導電度一值在0.765us/cm，而加堿泵連續運行，是造成定子水系統過度加堿液的直接原因。由于管道內積存高濃度堿水，在投入離子交換器時大量濃堿水突然進入定子水箱底部，是造成定子水泵出口導電度急劇升高的直接原因，最終導致發電機定子接地保護動作跳閘。所以，機組運行過程中應嚴密監視并控制發電機定子水的導電度在合格范圍內。

參考文獻

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[3]楊亮.注入式定子接地保護原理及調試[J].山東工業技術，2015，（14）：180.

（作者單位：神華國能天津大港發電廠）