基于柔性光學電流互感器的選擇性定子接地保護

劉 灝，魏玉芳，李華忠

（1.國能大渡河瀑布溝水力發電總廠，四川 雅安 625304；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

深溪溝水電站位于大渡河中游，屬于國家能源集團大渡河流域水電開發有限公司規劃的第18級電站，該水電站電氣主接線采用“兩機一變”擴大單元接線方式，裝設4臺額定容量165 MW的軸流轉槳式水輪發電機，發電機出口電壓15.75 kV，經兩臺主變壓器升壓至500 kV，通過單回500 kV深布線將電量輸送至四川電網。

原深溪溝水電站發電機保護裝置采用南瑞繼保RCS-985GW裝置，配置了基于基波零序電壓原理及三次諧波電壓原理的定子接地保護，其中基波零序電壓定子接地保護采集發電機中性點接地變二次側電壓，保護動作于解列、滅磁、停機，三次諧波電壓定子接地保護動作于發信報警。上述定子接地保護功能雖能反映發電機定子全范圍接地故障從而實現報警和跳閘，但存在動作無選擇性、擴大停電范圍的問題，即兩機一變擴大單元接線范圍內的其中一臺發電機發生定子接地故障后，并列運行的非故障發電機的中性點接地變電壓、發電機機端電壓特征與故障發電機一致，因此非故障發電機的定子接地保護同樣將動作跳閘，擴大了事故停電范圍，造成電網功率缺額，對水電站及電力系統安全穩定運行構成威脅。

該問題是深溪溝水電站以及國內同類型接線方式水電站電力生產面臨的難題，為解決該難題，國內部分水電站通過采取將擴大單元接線方式下的兩臺發電機定子接地保護動作時限極差配合的方式來實現選擇性跳閘，例如將其中一臺發電機定子接地保護動作延時設置為t，另一臺發電機定子接地保護動作延時設置為t+0.3 s。該方式存在以下問題：僅短延時整定的發電機發生定子接地故障時能實現選擇性跳閘，而長延時整定的發電機發生定子接地故障后反而因保護動作時限過長不能迅速動作隔離故障，導致故障發展，極易引發損壞更大的發電機匝間短路或相間短路故障。

針對該問題，深溪溝水電站開展了發電機繼電保護裝置功能升級完善，應用了基于光學電流互感器的選擇性定子接地保護功能。本文介紹了選擇性定子接地保護原理、技術方案及驗證試驗方法，并通過分析試驗結果，得出基于光學電流互感器的選擇性定子接地保護能正確判別發電機區內外故障從而選擇性動作跳閘，避免了非故障發電機停運。

1 保護原理及技術方案

文獻[1-3，8]提出了基于零序方向元件的定子接地保護原理，即通過發電機機端零序電流與零序電壓構成零序方向元件，通過零序電流與零序電壓相角關系判別發電機區內、區外接地故障，基于該原理的保護方案在國內部分水電站已實施應用，普遍采用電磁式電流互感器采集發電機機端零序電流的方案，該方案僅適用于機端采用規則對稱布置的電纜出線方式的小型發電機，深溪溝水電站發電機定子母排采用不規則母排布置方式，且發電機額定電流達6 700 A，因此電磁式電流互感器選型應用困難，受不規則磁場影響導致不平衡電流極大，該技術方案無法實現。

文獻[5，6，10]提出，光學電流互感器在電力系統的應用可提高繼電保護的可靠性，發展完善保護原理，為保護提供新的功能。深溪溝水電站創新應用柔性光學電流互感器替代傳統電磁式電流互感器采集發電機機端零序電流，該光學電流互感器一次傳感器中的光信號經過三相一次電流合成磁場作用后，在光學合并采集單元中進行解析計算得到零序電流值，然后通過光纖送至繼電保護裝置，構建了基于柔性光學電流互感器的選擇性定子接地保護，適用于大型水輪發電機，保護示意圖如圖1所示。

圖1 基于柔性光學CT的選擇性定子接地保護示意圖

柔性光學電流互感器安裝于發電機機端三相匯流母排處，用于采集擴大單元接線范圍內任一位置發生接地故障時流經該發電機的零序故障電流，經光學合并采集單元處理后送至繼電保護裝置，綜合發電機機端零序電壓構成零序功率方向元件，用以判別發電機區內或區外故障，同時以發電機中性點接地變二次側抽頭采集的零序電壓構成動作元件，當動作元件與方向元件同時滿足時開放繼電保護裝置跳閘出口，達到選擇性跳閘停機的目的。另選擇性定子接地保護設置高定值段，動作元件同樣取發電機中性點接地變二次側抽頭電壓，但不經零序方向閉鎖，其動作時限略長于判別零序方向的選擇性定子接地保護動作時限一個級差，作為后備保護。發電機區內、區外接地故障以光學電流互感器安裝處為區分點，安裝處往中性點為區內，反之為區外。零序方向元件開放條件動作特性圖，如圖2所示，當擴大單元接線方式下的其中一臺發電機發生區內接地故障時，其選擇性定子接地保護零序方向元件與動作元件將同時滿足，保護動作切除該故障發電機，反之擴大單元接線范圍內的另一臺非故障發電機的選擇性定子接地保護動作元件雖同樣滿足，但零序方向元件不滿足，故該非故障發電機的選擇性定子接地保護不動作，從而實現了正確判別、選擇性動作。

圖2 基于柔性光學電流互感器的選擇性定子接地保護動作特性圖

2 接地保護驗證試驗

深溪溝水電站基于柔性光學電流互感器的選擇性定子接地保護應用后，現場開展了發電機單相接地故障試驗，目的一是在接地故障試驗時實測發電機接地點的零序故障電流，與柔性光學電流互感器采集的零序故障電流進行對比，驗證該電流互感器能否準確采集故障特征電流；二是驗證發電機區內、區外發生接地故障時，選擇性定子接地保護能否正確動作。

2.1 區外接地試驗

2.1.1 試驗步驟及過程

發電機采用他勵方式，停機狀態拆除勵磁變壓器高壓側至發電機出口母線連接，從10 kV開關柜接入他勵電源。在發電機機端光學電流互感器安裝處靠出口斷路器側設置單相接地故障點，故障點選取在發電機機端電壓互感器A相一次保險前端，利用鉗形電流表實測該接地點的故障電流,將發電機開機并遞升加壓至約7%～10%額定電壓的空載工況。區外接地故障試驗示意圖如圖3所示。

圖3 區外接地故障試驗示意圖

2.1.2 試驗注意事項

考慮深溪溝發電機勵磁系統氧化鋅非線性電阻滅磁性能影響，為防止試驗過程中由于定子三相電壓不對稱而產生的轉子過電壓過高導致相關測量二次元件損壞、氧化鋅擊穿，在轉子正負極端并接大功率電阻；為防止遞升加壓過程中電壓控制失效造成發電機損傷，過電壓保護按照0.15倍額定電壓整定，動作時限壓縮為0.1 s。

2.1.3 試驗過程記錄

檢查保護裝置測量顯示和波形數據分別如圖4、圖5。

圖4 區外接地故障試驗點電氣量波形圖

圖5 區外接地故障選擇性定子接地保護動作波形圖

由圖4、圖5可以看出,A相定子區外接地故障時刻，A相電壓為0 V，B、C相電壓為6 V，中性點零序電壓為5.96 V，機端零序電流一次值為0.7 A，接地故障點鉗形電流表實測零序電流0.71 A，驗證了光學電流互感器采集的零序電流與實測故障電流一致；零序電流超前零序電壓226°，保護裝置判別為區外故障，動作報文顯示定子零序電壓保護（判零序功率方向）未動作，而作為對比的零序電壓高值（不判零序功率方向）動作。

表1 區外接地試驗數據表格

2.2 區內接地試驗

2.2.1 試驗步驟及過程

試驗前置條件如2.1.1，在發電機定子母排C相上設置單相接地故障點，利用鉗形電流表實測該接地點的故障電流，區內接地故障試驗示意圖如圖6所示。

圖6 區內接地故障試驗示意圖

發電機開機并遞升加壓至約20%額定電壓的空載工況。由于區內接地時流經光學電流互感器的電流并非接地點的電流，而是發電機出口斷路器內側均壓電容的容性電流，該電流理論計算值為：

式中:Cg為發電機出口斷路器內側均壓電容0.13 μF；UΦ為額定電壓15.75 kV。

2.2.2 試驗注意事項

在轉子正負極端并接大功率電阻，防止過電壓導致相關測量二次元件損壞、氧化鋅擊穿；遞升加壓不超過30%額定電壓，因此過電壓保護按照0.3倍額定電壓整定，動作時限壓縮為0.1 s；試驗接地電流不超過3 A，需實測并監視接地點故障電流。

2.2.3 試驗過程記錄

檢查保護裝置測量顯示和波形數據分別如圖7、圖8：

圖7 區內接地故障試驗點電氣量波形圖

圖8 區內接地故障選擇性定子接地保護動作波形圖

由圖7、圖8可以看出,C相定子區內接地故障時刻，C相電壓為0 V，A、B相電壓為20.4 V，中性點零序電壓為20.2 V，機端零序電流一次值為0.22 A，與理論推算（1）故障電流基本一致；零序電流超前零序電壓90°，保護裝置判別為區內故障，動作報文顯示定子零序電壓保護（判零序功率方向）、零序電壓高值（不判零序功率方向）均可靠動作。

表2 區內接地試驗數據表格

3 結語

通過對比分析上述發電機區內、區外接地故障驗證試驗數據及選擇性定子接地保護動作情況，得出：①在發電機區外定子接地故障時，柔性光學電流互感器采集的發電機機端零序電流與接地故障點實測電流幅值基本一致，發電機區內定子接地故障時，柔性光學電流互感器采集的發電機機端零序電流與理論計算電流幅值基本一致，驗證了柔性光學電流互感器能精確采集擴大單元接線方式下定子接地故障發生時的流過發電機的零序電流；②發生定子接地故障時，故障發電機的選擇性定子接地保護能正確判別區內接地故障，零序方向元件可靠動作，選擇性定子接地保護正確動作，而非故障發電機正確判別區外接地故障，零序方向元件可靠閉鎖，選擇性定子接地保護不動作，從而實現了“兩機一變”擴大單元接線方式下的發電機定子接地故障選擇性動作跳閘,避免非故障發電機停運，縮小了事故停電范圍，減少發電廠發電經濟損失，對發電廠及電力系統安全穩定運行提供更可靠保障。該技術方案成功攻克了該電站及國內類似水電站面臨的電力生產技術管理難題，具有廣泛推廣應用前景。