20Hz注入式100%定子接地保護監(jiān)視電壓低原因分析及改進措施

陳鳳華 吳 昊 高迪軍

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20Hz注入式100%定子接地保護監(jiān)視電壓低原因分析及改進措施

陳鳳華1吳 昊2高迪軍3

（1. 調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司惠州蓄能水電廠，廣東惠州 516100；2. 調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司廣州蓄能水電廠，廣州 510900；3. 西門子電力自動化有限公司，南京 211100）

本文介紹了西門子20Hz注入式100%定子接地保護原理，針對三個方面：注入式保護接地變壓器二次監(jiān)視電壓低的原因、對保護靈敏度的影響及其改進措施、調(diào)試方法，均作了詳細地介紹。另外，本文也分析了在調(diào)試時接地電流角度補償與傳變電阻的整定方法。

100%定子接地保護；監(jiān)視電壓；接地變壓器；傳變電阻

惠州蓄能水電廠機組保護裝置生產(chǎn)廠家為AREVA，而100%定子接地保護采用西門子20Hz注入式保護裝置。該保護原理為利用外部20Hz的電源施加在發(fā)電機接地變壓器的二次側(cè)，20Hz電壓通過接地變壓器傳導至發(fā)電機定子，并通過對地負載（如發(fā)電機對地電容、發(fā)電機出口側(cè)YN0變壓器、定子對地阻抗等）而產(chǎn)生回路電流，保護裝置通過檢測二次側(cè)的20Hz電壓電流值，計算其二次阻抗的大小，進而折算出一次側(cè)接地電阻的大小，以確定保護的動作行為。二次回路連接圖如圖1、圖2所示。發(fā)電機中性點接地方式為經(jīng)接地變壓器高阻接地，20Hz脈沖電源發(fā)生器7XT33經(jīng)帶通濾波器7XT34，將20Hz正弦波電壓加于接地變壓器的二次側(cè)，通過接地變壓器傳導至定子回路。AREVA保護裝置P345通過測量回路電壓64S和電流64S，計算對地電阻64S，同時監(jiān)視回路電壓64S和電流64S檢查電源裝置是否輸出異常、回路是否開路，當電壓、電流都低于某一監(jiān)視門檻時，為避免100%定子接地保護誤動或誤動，需要閉鎖100%定子接地保護，以免保護誤動跳機。

圖1 二次回路連接圖1

圖2 二次回路連接圖2

1 100%定子接地保護監(jiān)視電壓低問題引出

我廠#4機組100%定子接地保護曾在停機穩(wěn)態(tài)時出現(xiàn)電壓低閉鎖保護告警信號。閉鎖電壓定值為1V，閉鎖電流定值為10mA。

回路的電壓是經(jīng)過2/5分壓電阻進行采樣的（采樣后電壓為），即P345采樣電壓為1V時，實際加到接地變壓器二次側(cè)的回路電壓為

現(xiàn)場測量#4機組的監(jiān)視電壓64S確實小于2.5V。而外部回路的阻抗近似為0.52W，負載電阻L與保護盤柜到接地變壓器盤柜的電纜電阻串聯(lián)后的阻抗之和，實際加到接地變二次電壓甚至更低（0.33W為電纜電阻）。

（2）

若盲目調(diào)低閉鎖電壓定值作為解決辦法，則不僅沒有解決接地變壓器二次負載電阻電壓20低的問題，甚至還降低了保護的靈敏度。

2 接地變壓器二次負載電阻電壓低原因分析

電壓20實際為接地變二次綜合負載電阻與帶通濾波器等值電阻i的分壓，當頻率一定時，回路電壓20與接地變二次綜合負載電阻之間基本呈正比關系，因此監(jiān)視電壓變低的可能有以下4個原因：

1）20Hz電源發(fā)生器7XT33輸出頻率降低，導致帶通濾波器的等值阻抗隨頻率降低而增大，使其電阻分壓增大[1]，20變低。

2）20Hz電源發(fā)生器輸出方波電壓幅值降低，20變低。

3）20Hz帶通濾波器等值電阻i變大，20變低。

4）溫度下降，導致接地變壓器二次負載電阻L電阻值變低，20變低。

通過測量及更換電源、濾波器備件等方法，仍不能使監(jiān)視電壓提高，電壓低閉鎖保護告警依然存在。對比我廠其他機組的監(jiān)視電壓值，A廠其他機組64S均略大于2.5V小于2.6V，B廠機組的電壓64S略大于2.7V。

對于監(jiān)視電壓值均比較接近告警定值，我們認為是由于接地變壓器二次負載電阻設置過低造成。根據(jù)ANSI.IEEE C37.101—1985《發(fā)電機接地保護導則》的要求，當發(fā)電機中性點經(jīng)接地變壓器高阻接地，接地變壓器二次負載電阻折算至發(fā)電機側(cè)時，其阻值L應該接近或略小于發(fā)電機三相對地容抗[2]，可以起到限制暫態(tài)過電壓的作用。因此，出于限制暫態(tài)過電壓情況考慮，在接地變壓器變比不變的情況下，不能擅自改變L阻值。而我廠接地變壓器變比為18kV/0.5kV。查找保護裝置P345說明書，有以下說明：“對于接地變壓器來說，為了避免出現(xiàn)飽和，變壓器一次額定電壓應選擇為發(fā)電機額定線電壓18kV，與此同時，為了避免接地變壓器二次側(cè)負載電阻L過小（應大于0.5W），接地變壓器變比不能選擇過大，例如變壓器二次額定電壓可以選擇為500V”。而實際上，接地變壓器的二次額定電壓可以選擇更大一點，譬如700V或以上，這樣便可以選擇阻值更大的二次負載電阻L，從而提高二次負載電阻L電阻電壓20。

綜上所述，監(jiān)視電壓低的根本原因是接地變壓器的二次負載電阻過低，接地變二次負載電阻低又是由于接地變變比選取不合適造成的，實際選取變比大，接地變壓器的二次負載電阻L小，對于20Hz帶通濾波器在20Hz的等值電阻8W來說，接地變壓器二次回路電壓為（考慮電纜電阻）

考慮20Hz脈沖發(fā)生器輸出電壓可能達不到25V、20Hz帶通濾波器等值電阻大于8W等因素，監(jiān)視電壓值很可能小于2.5V，這樣的后果不僅容易閉鎖定子100%接地保護，而且降低了定子100%接地保護的靈敏度，對于高阻接地有可能發(fā)生拒動。

3 監(jiān)視電壓低的解決方案

如果發(fā)電機中性點的設計采用的是經(jīng)接地變壓器高阻接地的話，那么需要注意接地變壓器變比選擇，建議選擇n/700V（n為發(fā)電機額定線電壓）。但是對于已投運電廠，需要更換一次設備，成本投入很大。下面提出一種通過增加中間變壓器的簡單有效而且成本低的方法，來實現(xiàn)提高監(jiān)視電壓的目的。

參考西門子關于提高定子100%接地保護靈敏度的標準方案[3]，如圖3所示。

圖3 西門子關于提高定子100%接地保護靈敏度的標準方案

在20Hz帶通濾波器之后，增加一個10/2.875的降壓變壓器，假設發(fā)電機對地電阻視為∞，那么接地變壓器二次綜合電阻約為0.52W，歸算至降壓變壓器高壓側(cè)，電阻值為0.52×(10/2.785)2= 6.704W，從而增大了分壓，即

（5）

從而增大了加到定子繞組的20Hz電壓值。這種方法的優(yōu)點是，既提高了定子100%接地保護靈敏度，又沒有變更保護裝置接地電阻的測量計算方法，甚至理論上連傳變電阻參數(shù)、發(fā)電機負載參數(shù)、電流互感器電流偏移角等調(diào)試參數(shù)都不用變更（若忽略電纜電阻的話），只需要增加一個降壓變壓器的成本即可，可執(zhí)行性高。

4 新增降壓變壓器后的檢驗、調(diào)試

改造后，為了檢查裝置接地電阻測量的準確度，按照0～10kW（步長1kW）分別在定子繞組和地之間掛故障電阻，然后將這些試驗阻值E.test、裝置測量到的20Hz電壓和電流值20與20、角度20、裝置讀取的二次和一次阻值m.sec與m.pri分別記錄下來，通過調(diào)整偏移角傳變電阻值ps.correction、發(fā)電機接地負載電阻值L2.correction，逐步縮小測量誤差，并將最終的偏移角修正值傳變電阻值修正值ps.correction、發(fā)電機接地負載電阻修正值L2.correction作為最新定值分別輸入“64S Angle Comp”、“64S Series R”、“64S Parallel G”。

1）當試驗接地電阻值為∞時，傳變電阻上的壓降可以忽略，即

(-90°-)[5]（7）

2）試驗接地電阻值為0時，壓降均落在傳變電阻上，即

將傳變電阻修正值設置為

[4]

3）關于偏移角、傳變電阻值ps.correction、發(fā)電機接地負載電阻值L2.correction的計算應用。向量示意圖如圖4所示。

需要注意的是，20為修正后的電壓電流夾角（也是裝置運算夾角），rel.1為歸算至接地變壓器二次綜合電阻（實數(shù)）。

設

rel.2為發(fā)電機接地負載與接地電阻的并聯(lián)電阻（歸算至接地變壓器二次），則接地電阻為

（11）

通過調(diào)整偏移角、傳變電阻值ps.correction、發(fā)電機接地負載電阻值L2.correction參數(shù)定值，使E.test運算值與實際值的誤差控制在±5%內(nèi)。經(jīng)過調(diào)試、參數(shù)優(yōu)化后的保護測量值非常準確，與實際接地電阻值的誤差很小[5]，參數(shù)優(yōu)化前后保護測量值誤差如圖5所示。

圖5 參數(shù)優(yōu)化前后保護測量值誤差

5 結(jié)論

20Hz注入式100%定子接地保護而言，加在定子上的20Hz電壓幅值大小對保護的靈敏度和可靠性有很大影響，定檢中應列為重點檢查項目，若電壓不足，則應及時處理。對于已投運的發(fā)電機來說，通過增加降壓變壓器可以有效提高從20Hz電源發(fā)生器往發(fā)電機看過去的二次負載電阻，明顯提高加其上的20Hz電壓幅值，使100%接地保護靈敏度與可靠性兩個指標得到有效的改善，可以供其他具有類似問題的電廠參考。

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The Cause and Solution of Low Watching Voltage of Siemens 100% Stator Ground Fault Protection with 20Hz Voltage Injection

Chen Fenghua1Wu Hao2Gao Dijun3

(1. Power Generation Company Huizhou Pumped Storage Power Station, Huizhou, Guangdong 516100；2. Power Generation Company Guangzhou Pumped Storage Power Station, Guangzhou 510900；3. Machinery Industry Information Institute SIEMENS Electric Power Automation Co., Ltd, Nanjing 211100)

This paper introduces the principleof Siemens 100% stator ground fault protection with 20Hz voltage injection, meanwhile, it also gives the cause of low voltage on the secondary side of earthing transformer, the influence on protection sensitivity, as well as the improvement measure of raising voltage, the debugging method after improvement measure. In addition, the paper also analyzes the setting method of earth current angle compensation and transmission resistance when debugging.

100% stator ground fault protection; monitor voltage; grounding transformer; transmission resistance

陳鳳華（1989-），女，廣東省廣州市人，本科，技師，主要從事蓄能機組機變保護和勵磁等系統(tǒng)的維護、研究與故障處理工作。