特大型水電機組繼電保護相關問題研究

陳佳勝，王 軍，郭自剛，王 光，陳 俊，李華忠

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇省南京市 211102;2.西南電力設計院有限公司，四川省成都市 610021）

特大型水電機組繼電保護相關問題研究

陳佳勝1，王 軍2，郭自剛1，王 光1，陳 俊1，李華忠1

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇省南京市 211102;2.西南電力設計院有限公司，四川省成都市 610021）

隨著我國700MW級水電機組陸續投入運行，發電機—變壓器組（簡稱發變組）保護應用遇到了一些新的問題。本文針對注入式定子保護接地電阻測量值波動、主變壓器低壓側零序電壓保護受TV一次斷線影響、主變壓器零序差動保護TA極性難以校核、動態條件下轉子繞組對地絕緣電阻誤差大等若干問題進行了分析，給出了解決措施。實踐經驗表明，本文提出的方案較好地解決了現場問題，滿足特大型水電機組安全穩定運行的需求。

注入式定子接地保護；主變壓器低壓側零序電壓保護；主變壓器零序差動保護；轉子接地保護

0 引言

近年來隨著三峽、溪洛渡、向家壩、龍灘等巨型水電站的并網發電，700MW及以上特大型水電機組逐漸成為我國水力發電的主流機型。參考水電機組內部故障定量化設計方案配置其保護功能，采用雙套主保護、雙套后備保護的配置原則，國產發變組保護在700MW及以上特大型水電機組上得到了廣泛使用。多年運行實踐表明，國產發變組保護設備具有高靈敏度、高可靠性，有力保障了我國特大型水電機組的安全穩定運行。

運行中，特大型水電機組保護也遇到了一些新的問題。如在靜止狀態、并網運行狀態下注入式定子接地保護測量電阻發生波動，嚴重時發出報警信號；主變壓器低壓側零序電壓受TV一次斷線的影響，僅發報警信號，缺乏可靠的跳閘功能，某些情況下可能導致事故擴大；主變壓器零序差動保護的TA極性難以校驗；動態情況下，轉子接地保護測量的對地絕緣電阻誤差大等。

本文試對以上問題進行研究并給出建議。

1 注入式定子接地保護

針對特大型水電機組的定子繞組單相接地故障，目前一般配置兩種不同原理的定子接地保護，分別為基波零序電壓+三次諧波零序電壓原理100%定子接地保護和注入低頻信號原理100%定子接地保護。注入式定子接地保護原理接線如圖1所示，注入20Hz信號，通過發電機中性點接地變壓器副邊輔助電阻Rn耦合到發電機一次側；保護裝置通過中間TA測量20Hz電流信號，通過分壓器測量20Hz電壓信號，采用導納模型計算定子繞組對地電阻值。

在運行實踐中，發現在靜止、額定空載和并網運行等不同工況下，定子繞組對地絕緣良好時，部分機組保護20Hz信號測量的對地電阻值出現波動，和真實值偏差較大，有的甚至達到報警值，嚴重影響了注入式定子接地保護的應用。

圖1 注入式定子接地保護原理接線Fig.1 Injection stator grounding protection principle wiring

根據注入式定子接地保護精確計算補償公式和保護原理接線，對影響接地電阻測量精度的各電氣量進行誤差分析，發現在工況轉換，絕緣良好情況下，20Hz電壓電流間相角的變化對于注入式定子接地保護測量影響較大。現場記錄數據也表明，靜止和并網運行2種不同工況下，注入20Hz信號的相角由269°偏移到了276°，導致裝置測量到的絕緣電阻由無窮大下降到22kΩ左右[1]；有的機組情況更嚴重，并網后下降到5kΩ附近，注入式定子接地保護發出報警信號。

進一步地通過現場試驗比對，發現中間TA的傳變誤差是主要原因。發電機中性點三次諧波零序電壓在靜止及并網前后有較大變化，使得流過中間TA一次側的三次諧波電流也發生變化，從而導致中間TA的工作點發生偏移，使得20Hz信號傳變出現較大相角誤差。

據此提出如下方法進行補償：在發電機啟動前，通過靜態試驗的方法獲取中間TA的相角傳變誤差值，該數據在坐標軸上為一系列的離散點，如圖2中標示*點。用一系列直線將離散*點連接起來，當離散數據點足夠密集時，該方法得到的結果將會逼近真實結果。

進口某型保護為了解決該問題，依靠運維人員在并網前后手動修改相角補償定值，沒有考慮到該相角是非線性變化的，只能一定程度上緩解。

為提高效率和可靠性，某國產保護裝置采用線性插值方法，動態調整相角補償值，以提高注入20Hz信號測量電阻的精度，避免其隨工況變化而波動[2]。

如表1所示，現場應用表明：經過動態相角補償后，注入式定子接地保護能夠在各種工況下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10%以內，滿足工程需要。

圖2 中間TA相角傳變誤差及線性插值Fig.2 Mini TA intermediate phase transmission error and linear interpolation

表1 應用相角補償前后電阻誤差比較Tab.1 Comparison of resistance before and after the application of phase error compensation

2 主變壓器低壓側零序電壓保護

2.1 提出背景

對于大型水電站主變壓器低壓側接地保護，依據國內現有技術規程和設計規范[3]，一般配置零序電壓監視報警功能，僅作絕緣監視不作跳閘。但在特大型水電機組中，主變壓器低壓側單相接地故障可能很快發展成相間短路故障，從而造成重大經濟損失。從近年運行實踐來看，存在安全隱患，如某水電站機端斷路器（以下簡稱GCB）靠近主變壓器側發生單相接地，發電機定子接地動作跳開GCB后，故障點依然存在，系統通過主變壓器繼續向故障點供給短路電流；主變壓器低壓側接地保護只有監視報警無跳閘功能，因此直到單相接地故障發展為相間故障，才由主變壓器差動保護動作切除故障，造成GCB開關設備損壞，返廠檢修，機組長時間停機。

針對此情況，特大型水電機組主變壓器低壓側接地保護宜配置跳閘段，以防發生此類故障時不能及時切除故障點，造成更大損失。

主變壓器低壓側接地跳閘段，在GCB跳開后自動投入。低壓側TV一次斷線時，在其開口三角繞組中同樣會產生零序電壓，導致低壓側接地保護誤動。因此，必須考慮完善的TV一次斷線判據，防止因為回路故障導致的保護誤動停機。

通常，采用一組TV接入的方案，同時接入低壓側TV的三相繞組和開口三角繞組；如果條件允許，則考慮在主變低壓側配置兩組TV，以提高保護裝置電壓回路的可靠性[4]。

2.2 單組TV實施方案

主變壓器低壓側配置1組TV時，接入保護裝置的量為主變壓器低壓側A、B、C三相電壓和開口三角零序電壓。

低壓側TV一次斷線時，TV開口三角零序、自產零序和負序電壓均會出現。某相斷線時，將出現較大負序電壓U2；但在主變壓器低壓側單相接地故障且TV正常時，只有開口三角零序和自產零序發生變化，沒有負序電壓。利用上述兩種情況下負序電壓的差異，可以設計出TV一次斷線判據。

當主變壓器低壓側TV負序電壓和開口三角零序電壓同時出現時，判為低壓側TV一次斷線，經短延時報警。主變壓器低壓側TV一次斷線閉鎖低壓側接地保護跳閘段，信號段不受影響。

其判別邏輯如公式（1）所示：

式中：U2——主變壓器低壓側TV負序電壓；

3U0——其開口三角零序電壓；

U0zd——主變壓器低壓側零序電壓動作定值；

K1——轉換系數。

2.3 兩組TV實施方案

為提高主變壓器低壓側接地保護可靠性，有條件的地方可配置兩組主變壓器低壓側TV，交叉接入變壓器保護裝置A、B套，詳細接線見圖3。

TV一次斷線時，TV開口三角繞組會出現零序電壓，和真正的主變壓器低壓側接地故障產生的零序電壓相混淆，影響保護判定。為此接入兩組TV，利用兩組TV相互之間的差異來判別是否發生TV一次斷線故障。此時，不考慮兩組TV同時一次斷線的可能性。

當發生單相接地故障且兩組TV均完好的情況下，TV1的自產零序電壓和TV2的開口三角零序電壓應同時出現，且存在的倍數關系；當TV1自產零序電壓很小而TV2開口三角出現較大值時，判定TV2發生一次斷線，經短延時報警。TV2的一次斷線閉鎖主變壓器低壓側接地保護跳閘段，報警段不受影響。

其判別邏輯如公式（2）所示：

式中：3U0zc——TV1的自產零序電壓；

3U0——TV2開口三角的零序電壓。

采用該方案的主變壓器低壓側接地保護已在國內某水電站500kV變壓器保護中穩定運行多年，經歷了多次區內外故障考驗。

圖3 雙TV交叉接入示意圖Fig.3 Schematic diagram of double TV cross access

3 主變壓器零序差動保護TV極性校驗

特大型水電機組的主變壓器零序差動保護多由高壓側三相TV自產零序電流和中性點外接零序電流構成，如圖4所示。區外接地故障時，零序差動電流為0，可靠不動作；區內接地故障時，零序差動電流最大，靈敏動作。

圖4 主變壓器零序差動保護典型配置圖Fig.4 Typical configuration of restricted earth fault protection of main transformer

由于變壓器正常運行時零序電流為零，零序差動保護TA極性難以檢驗。長期以來，由于TA極性接反導致區外故障時零序差動保護誤動作的事故時有發生，嚴重制約了零序差動保護的推廣應用。

目前常用的校核主變壓器零序差動保護TA極性措施主要有兩種。一是模擬試驗的方法，如通過發電機零起升壓試驗，區外設置接地點，觀察裝置的零序差動電流應接近0，否則需要調整極性。這種方法受到試驗條件限制，有時因零序電流較小，不能準確地判別出TA極性，且試驗環節較多，現場較少采用。第二種方法為分析空充變壓器時錄波數據來校核主變壓器零序差動保護的TA極性[5]。微機保護裝置一般自帶錄波功能，在空充變壓器時因為勵磁涌流原因會導致差動保護啟動錄波，錄波數據中含有主變壓器高壓側零序電流和中性點外接零序電流的相位信息，通過人工分析比較，可以校核其極性。該方法無需特殊準備試驗設備，簡便易行，可靠實用，但是仍然依賴現場工程師的經驗。

另外，從現場經驗反饋得知，即使在建設階段校準了TA極性，也可能因回路改造變動、圖紙與實際接線不符等各種原因導致TA極性出現錯誤，使得區外故障時零序差動保護發生誤動作。因此，現場調試中迫切希望提供自動校核主變壓器零序差動保護TA極性的功能。每次發生保護回路變動，空充主變壓器前，退出主變壓器零序差動保護連接線，并投入“零差極性校核”控制字，保護裝置自動計算主變壓器高壓側自產零序電流和主變壓器中性點外接零序電流的相位關系。如果滿足公式（3），則判定為TA極性錯誤，發出“零差極性錯誤”報警信號，提醒現場人員注意并核實，以期減少因零序差動保護TA極性錯誤導致的不正確動作。

式中：i0.set——有流門檻。

4 發電機轉子接地保護

對于特大型水電機組轉子繞組接地保護，有多種方案，如惠斯通電橋式、乒乓式、注入方波電壓式以及注入直流電壓式等，但從靈敏度、可靠性及工程應用效果來看，乒乓原理和注入方波電壓原理轉子接地保護應用最廣。因此，一般采用如下雙重化配置方案[6]：A套為注入方波電壓式轉子一點接地保護，B套為乒乓切換式轉子一點接地保護。正常時只投入A套，B套作為熱備用，通過轉子接地保護測量回路的切換來實現A/B套的投退。

乒乓式轉子接地保護簡單、實用、可靠，靈敏度和接地位置無關，通過乒乓開關的切換，能計算出接地位置和接地電阻大小。注入式轉子接地保護通過注入方波信號，能在靜止情況下監視轉子繞組對地絕緣情況；保護不受轉子繞組對地電容的影響，不受高次諧波分量的影響，接地電阻測量精度高；保護靈敏度與轉子接地位置無關，保護無死區[7]。因此，這兩種原理的發電機轉子接地保護在我國特大型水電機組上得到了廣泛應用。

近年來，在某些工程應用場合，出現了轉子接地測量電阻波動較大的情況。如某水電站1號機組的進口型注入式轉子接地保護裝置和某國產注入式轉子接地保護裝置，在靜止狀態下測得對地絕緣電阻精度很高，在空載運行等動態情況下，測量電阻值在實際值附近大幅波動[8]，導致轉子一點接地保護延遲報警甚至于無法發出報警信號。無論是乒乓切換原理還是注入式原理的發電機轉子接地保護，以上現象均不同程度存在。下面以注入式原理為例進行說明。

某進口型轉子一點接地保護，采用注入式原理，其現場測試數據如表2所示，空載額定勵磁電壓情況下的轉子對地電阻值波動速度快，范圍大，轉子一點接地保護無法報警。

表2 進口型保護靜止/動態情況下阻值數據Tab.2 The resistance data of some import device at static and dynamic situation

為此，國內各單位進行聯合研究，通過現場測試獲取錄波數據，進行理論分析，發現和水電機組機械周期密切相關的低頻分量（如圖5中轉子電壓波形），是導致轉子對地絕緣電阻波動的主要原因，通過改進濾波算法并針對性地濾除泄漏電流中的低頻分量，提高了動態情況下轉子對地絕緣電阻的精度，電阻波動大幅減小。

驗證試驗條件如下：某發電機空載未并網，勵磁電壓151V并小幅波動，分別在勵磁繞組正端、負端模擬轉子經2.5kΩ、5kΩ、10kΩ試驗電阻一點接地。試驗數據表明（如表3），改進后的轉子接地保護裝置在動態條件下測得轉子對地電阻穩定在真實值附近，誤差不超過10%或±0.5kΩ。

表3 改進算法后動態情況下保護測量數據Tab.3 The resistance data of some device used improved algorithm at dynamic situation

圖5為模擬勵磁繞組正端經5kΩ接地時，保護裝置錄波波形圖，因篇幅原因，只展示其前10s的波形數據。

圖5 濾除低頻分量后轉子接地保護波形圖Fig.5 the waveform of rotor grounding protection after low frequency component is filtered

由圖5可見，注入低頻方波信號穩定不變化，發電機轉子電壓則存在明顯低頻分量，從而使得泄漏電流也產生和機組旋轉周期相關的低頻分量，保護裝置通過軟硬件結合的方法，濾除了該低頻分量，最終測量電阻在4.64～4.96kΩ間波動，提高了轉子接地保護動態條件下的測量精度，基本消除了阻值波動的現象。

5 結論

本文總結了我國特大型水電機組繼電保護運行情況，就注入式定子保護接地電阻測量值波動、主變壓器低壓側零序電壓保護受TV斷線影響、主變壓器零序差動保護TV極性校核、轉子接地保護測量電阻誤差大等若干問題進行了探討，并給出了解決措施。

以上關鍵技術已在三峽、二灘、龍灘等水電站得到應用，現場運行情況表明，采取以上措施后，可較好地解決現場問題，保障特大型水電機組的安全穩定運行。

[1]吳禮貴，呂曉勇，等.大型水電機組自適應注入式定子接地保護研究.[J]人民長江 2015，46（10）：7-11.WU Ligui，LV Xiaoyong etc.Study on self-adaptive voltage-injection-based stator grounding fault protection of large hydropower generator-unit.[J]Yangtze River 2015，46（10）：7-11.

[2]CHEN Jiasheng，ZHANG Qixue etc.The Stator earth fault protection with voltage injection based on dynamic phase compensation.[P]CEPSI 2014，JEJU KOREA

[3]Q/CSG 110033-2012南方電網大型發電機及發變組保護技術規范[S].中國南方電網有限責任公司 2012.Q/CSG 110033-2012 Technical specification for large generator and transformer protection of CSG[S].China Southern Power Grid Company Limited，2012.

[4]一種適應于變壓器低壓側的零序電壓跳閘保護方法.專利號 ：ZL201310063021.The zero sequence voltage tripping protection method suitable for transformer low voltage side.Patent number of China ：ZL201310063021.

[5]兀鵬越，王團結，許寅智，等.500kV主變零差保護的現場投運試驗及分析.[J]華北電力技術 2011（11）：8-11.Wu Peng-yue，Wang Tuan-jie，Xu Yin-zhi，etc.Field Test and Analysis of 500 kV Transformer Zero-sequence Differential Protection.[J]North China Electric Power 2011（11）：8-11.

[6]徐亮，紀可可，黃文明.發電機轉子一點接地保護系統配置及應用研究.[J].人民長江，2015，46（23）：46-49.XU Liang，JI Keke，HUANG Wenming.Study on configuration and application of generator rotor one-point grounding protection system.[J]Yangtze River 2015，46（23）：46-49.

[7]王光，溫永平，陳俊，嚴偉.注入方波電壓式轉子接地保護裝置的研制及應用[J].江蘇電機工程，2009，28（2）：74-77.WANG Guang，WEN Yongpin，CHEN Jun，YAN Wei.Development and Application of Device of Injecting-stepvoltage Rotor Ground Protection.[J].JiangSu Electrical Engineering，2009，28（2）：74-77.

[8]劉先科，李小文，曾鵬，吳寶增.發電機轉子一點接地保護在三峽電站的運用與效果評估[J].水電站機電技術，2015（6）：28-32.LiuXianke，LIXiaowen，ZENGPeng，WUBaozeng.Application and effect evaluation of generator rotor one point grounding protection in Three Gorges Power Station.[J].Mechnical & Electrical Technique of Hydropower Station，2015（6）：28-32.

陳佳勝（1975—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向：電力主設備繼電保護研究、開發。E-mail：chenjs@nrec.com

王 軍（1966—），男，高級工程師，主要研究方向：電力工程監理及總承包項目管理。

郭自剛（1979—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向：電力主設備繼電保護研究、開發。

王 光（1980—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向：電力主設備繼電保護研究、開發及管理。

陳 俊（1978—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向：電力主設備繼電保護研究、開發及管理工作。

李華忠（1983-），男，碩士，工程師，主要研究方向：電力主設備繼電保護研究、開發。

Research on Related Problems of Protection for Super Large Hydropower Plant

CHEN Jiasheng1WANG Jun2，GUO Zigang1，WANG Guang1，CHEN Jun1，LI Huazhong1
（1.Nanjing NR ELECTRIC Co.，Ltd.Nanjing 211102，China;2.South west Ekctric Power Design Institute Co.，Ltd.Chengdu 610021，China）

With the construction of giant hydropower station in China，some 700MW class hydropower units have been put into operation，some new situations in the protection of the generator transformer unit have been put forward.In this paper some issue has been discussed and gives solutions such as injection stator protection grounding resistance fluctuation，how to improve reliability of main transformer low voltage side zero sequence voltage protection，the polarity check of main transformer restricted earth fault（REF）protection，injection rotor protection grounding resistance fluctuation and etc.Practical experience shows that these solutions can solve the on-site problems and meet the needs of the safety and stability operation of large hydropower units.

injected stator grounding protection；zero sequence voltage protection of main transformer low voltage side；restricted earth fault protection of main transformer；rotor grounding protection