低頻三次諧波電壓對注入式定子接地保護的影響及防誤措施

蔡朝輝，賀儒飛

（廣州蓄能水電廠，廣東 廣州 510000）

低頻三次諧波電壓對注入式定子接地保護的影響及防誤措施

蔡朝輝，賀儒飛

（廣州蓄能水電廠，廣東 廣州 510000）

根據廣州蓄能水電廠注入式定子接地保護在電氣制動過程發生誤動的現象，深入分析了發電機電氣制動工況下，定子中性點三次諧波電壓對注入式定子接地保護算法的影響，并研究導致保護誤動的動作條件。同時提出了優化保護邏輯的解決方法，能夠有效防止保護誤動，提高保護的可靠性，為發電機定子接地保護的設計和運行維護提供了有力參考。

發電機；定子接地保護；保護誤動；三次諧波電壓；注入式

1 引言

注入式定子接地保護與發電機繞組的接地故障位置無關，能夠反映整個定子繞組的絕緣水平，在大型發電機接地保護中得到廣泛應用[1-3]。自其投入應用以來，曾發生過一些問題，如注入電源頻率、內阻改變對保護靈敏度的影響，機組20Hz附近頻段運行對保護的干擾[1,3,4]等，這些問題現已得到有效解決。本文要探討的是發電機中性點三次諧波電壓對注入式定子接地保護影響的新問題，談到三次諧波電壓，往往關注的是利用其構成的另一種原理的100%定子接地保護，不會關聯到注入式定子接地保護。本文通過對廣蓄電廠注入式定子接地保護在電氣制動過程中誤動原因的分析，發現了低頻三次諧波電壓影響注入式定子接地保護的現象，并深入研究其動作機理，提出了防誤措施。

2 注入式定子接地保護原理

注入式定子接地保護是在發電機定子回路與大地間外加一個電源信號，保護類型可分為外加直流型、外加12.5Hz交流電源型、外加20Hz交流電源型和外加2次諧波分量型。因為電源信號是外加的，不受接地位置影響，且在發電機靜止、啟動、停止和運行過程中均起保護作用，更重要的是這種保護方式對定子繞組各處故障檢測的靈敏度相同，可以實時監測定子絕緣，優點非常突出[2,5]。經發電機中性點變壓器注入20Hz電源型的定子接地保護原理（以廣蓄電廠為例）如圖1所示。

圖1 注入式定子接地保護原理圖

20Hz外加電源經濾波器加于配電變壓器的二次側，通過變壓器變換到定子回路。正常運行時發電機三相對地只有很小的電容電流。當定子繞組發生接地故障時，零序阻抗大大減小，外加電源產生較大的20Hz零序電流，保護裝置檢測注入的低頻電壓、電流，計算出接地故障的過渡電阻值，可以反映發電機定子繞組單相接地故障，使保護動作。

3 廣蓄電廠注入式定子接地保護誤動實例

廣蓄電廠發電機注入式定子接地保護采用Siemens的20Hz電源發生裝置7XT33和濾波裝置7XT34，機組保護采用施耐德保護裝置P345，設定兩段接地電阻值，高定值段5kΩ延時5.0s作用于報警，低定值段1kΩ延時0.5s作用于跳閘。

圖2 注入式定子接地保護動作錄波圖

電阻比率RFzctor：

I64S超前U64S角度：

電阻性電流I'64S：

保護計算電阻值Rsec：

一次側電阻值RPir：

RPir阻值低于1kΩ，延時0.5s保護動作。從錄波圖和計算結果懷疑是電氣制動過程中，頻率為20 Hz的三次諧波電壓通過配電變壓器疊加到注入式定子接地保護采樣回路，干擾保護裝置采樣，導致保護誤動。

4 低頻三次諧波電壓對注入式定子接地保護影響分析

4.1 機組正常運行過程

注入式定子接地保護等效電路[7-9]如圖3所示，均折算到變壓器二次側。

接地變壓器副邊電阻：Rn=1.15Ω；

圖3 注入式定子接地保護等效電路圖

廣蓄電廠300MW、18kV機組正常運行時保護采樣值如表1所示：

可見正常運行時，U64S、I64S計算值與保護裝置實際采樣值基本相符。

4.2 機組電氣制動過程

由于發電機氣隙中的主磁場非正弦分布，利用傅立葉級數可將非正弦磁場分解為基波和一系列諧波，諧波磁場將在定子繞組中感應諧波電壓，主要含有為額定電壓千分之幾到百分之十的三次諧波電壓，并可以等效看作集中在發電機中性點N和機端S[6]。

電氣制動時發電機機端三相短路，定子三相基波電壓為零，只存在三次諧波電壓，頻率為電流頻率三倍。從錄波圖已知機端確實存在三次諧波電壓，可推斷中性點也必然存在三次諧波電壓。

當機組轉速下降至定子電流頻率為6.67Hz時，中性點三次諧波電壓頻率為20Hz。此三次諧波電壓通過配電變壓器疊加到保護裝置采樣回路。等效電路如圖4所示：

圖4 中性點三次諧波電壓干擾等效電路圖

測量導納Y計算公式[7-10]為：

一次側電阻RPir及其動作判據如下：

即Re（Y）>0.433時保護動作，式中Re（Y）為Y的實部。進一步化簡可得動作判據如下：

從錄波數據推算，廣蓄電廠發電機電氣制動過程中保護誤動時對應的N3'約1.033∠180°，對照表2知N3'在動作區內，進一步驗證以上分析的三次諧波電壓干擾定子接地保護的算法與實際情況相吻合。

綜上所述，發電機電氣制動過程中當定子電流頻率變化至1/3注入式電源頻率時，中性點或機端三次諧波電壓頻率則與注入式電源頻率相等，并通過中性點配電變壓器或機端電壓互感器疊加到保護裝置內，干擾注入式定子接地保護采樣，但是只有三次諧波電壓在一定幅值和相角時才會造成保護誤動，再加上保護出口有0.5s的延時。故此誤動現象在實際運行過程中并不多見，沒有引起足夠的重視。

5 注入式定子接地保護防誤措施

由于注入式定子接地保護在機組電氣制動過程容易受干擾發生誤動，因此必須考慮有針對性的防誤措施。結合注入式定子接地保護功能邏輯以及機組啟停迅速特點，可以從以下兩方面入手。

（1）通過頻率閉鎖防止誤動。如西門子采用10~40Hz閉鎖，阿海琺采用15~25Hz閉鎖，此頻段只是針對機組運行在20Hz頻段附近時，防止基波對保護的干擾，但不能避免三次諧波電壓的影響，因此可以將閉鎖頻段改為20%fn~130%fn（fn為注入式電源頻率），躲過三次諧波電壓的影響。

（2）通過外部條件實現閉鎖。電氣制動過程均只有幾分鐘時間，在短時間內發生定子接地故障可能性極小，且接地故障對機組影響不大。另外機組保護是雙套配置的，另外一套保護如95%接地保護仍能為定子提供接地保護，所以可以在電氣制動過程將注入式定子接地保護跳閘出口閉鎖。利用電氣制動刀閘位置接點作為外部條件參與保護邏輯控制，保護邏輯如圖5所示。當電氣制動刀打開，即機組不在電氣制動過程時，定子接地保護動作即能正常出口跳閘；而當電氣制動刀合閘，即機組在電氣制動過程時，閉鎖定子接地保護動作出口跳閘，有效避免保護在電氣制動過程誤動。

圖5 注入式定子接地保護優化邏輯圖

6 結論與建議

發電機三次諧波電壓是發電機運行時所固有的，其頻率隨基波頻率（即發電機運行頻率）變化。電氣制動工況時，機組運行頻率不斷下降，當降至6.67 Hz附近時，由于三次諧波電壓頻率為20Hz，恰好與注入源頻率相等，三次諧波電壓通過配電變壓器疊加到注入式定子接地保護回路中，對其電壓電流采樣造成影響。在特定幅值和相角的三次諧波電壓作用下，將造成保護誤動。對于經機端電壓互感器注入的定子接地保護，雖然沒有詳細討論，但結論同樣適用。

以往廠家采取的頻率閉鎖措施并不能避免低頻三次諧波電壓的影響，建議采用外部刀閘位置信號閉鎖邏輯，簡單實用，能有效避免保護在電氣制動過程中誤動，提高保護的可靠性。

[1]王維儉,王祥珩，王贊基.大型發電機變壓器內部故障分析與繼電保護[M].北京:中國電力出版社,2006:190-198.

[2]王維儉.電氣主設備繼電保護原理與應用 [M].北京:中國電力出版社,2002:196-200.

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[5]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,1989:275-282.

[6]賀家李,宋從矩.電力系統繼電保護原理[M].北京:中國電力出版社,2004:298-305.

[7]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].電力系統保護與控制,2003,31(1):12-16.

[8]李德佳,畢大強,王維儉.大型發電機注入式定子單相接地保護的調試和運行[J].繼電器,2004,32(16):51-56.

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TM862

B

1672-5387（2017）05-0060-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.05.015

2016-01-20

蔡朝輝（1987-），男，助理工程師，從事抽水蓄能電廠電氣二次技術工作。