發(fā)電機定子接地保護動作原因分析及防范措施

巨民尚，諶 峰

（中國電建集團江西省電力建設有限公司，江西 南昌 330009）

1 引言

發(fā)電機定子及直連母線絕緣破壞或其他原因引起定子接地故障較為普遍，當故障發(fā)生后不及時采取措施，將會造成更嚴重的定子絕緣破壞或定子鐵心灼傷。定子接地保護能有效切除接地故障，杜絕事故進一步擴大。目前，發(fā)電機定子接地保護主要有①外接開口三角電壓的95%定子接地保護，②開口三角電壓與三次諧波電壓構(gòu)成的100%定子接地保護，③外加信號源的注入式定子接地保護，④電流量的零流保護及其他后備保護[1，2]。

本文所述電廠采用了基波零序電壓和3次諧波電壓的100%定子接地保護，由于發(fā)電機定子直連廠用母線及公用母線，且發(fā)電機中性點經(jīng)接地變接地，零流方向保護不能明顯起到保護作用，母線及支路接地保護的選擇性也不高，故母線及支路接地往往會引起發(fā)電機定子接地保護動作，保護無選擇性跳停機組。

零流保護選擇性較高，發(fā)電機、廠用母線及公用母線分支一般都予以配置，但該保護的整定值需躲過發(fā)電機及其連接母線本身的對地電容量影響，定值整定困難[3]。本文所述電廠中發(fā)電機母線上連接部件較多，其分布電容對零流保護靈敏度影響非常大。如果發(fā)電機中性點經(jīng)電阻直接接地，則故障時接地電流較大，零流方向保護也可以實現(xiàn)保護的選擇性，但發(fā)電機中性點經(jīng)電阻直接接地會人為增大接地故障電流，這對發(fā)電機定子鐵心不利，屬不理想定子接地保護方案[4]。本文所述電廠投入了發(fā)電機低電壓保護，將機端低電壓保護作為定子接地保護的后備保護。

基于該電廠設備一次接線結(jié)構(gòu)，以上保護都不能很好起到切除瞬間、局部故障作用，避免事故地進一步擴大。針對以上問題，本電廠采取了相應的防范措施，增加了一套接地消弧消諧裝置，有效地彌補了原接地保護的不足，提高了接地保護的可靠性和選擇性。

2 設備參數(shù)表及系統(tǒng)圖

（1）發(fā)電機參數(shù)表

表1 發(fā)電機參數(shù)

（2）發(fā)電機定子接地保護配置定值表

表2 發(fā)電機定子接地保護配置定值

（3）電廠主接線圖

圖1 電廠主接線

3 定子接地保護動作原因分析

電廠總裝機為2×30 MW，兩臺機于2021年2月4日全部投產(chǎn)發(fā)電，自投入生產(chǎn)運行以來，機組因10 kV接地故障多次跳停，其主要原因有以下幾點：

（1）發(fā)電機定子為直連10 kV母線的主接線結(jié)構(gòu)，電廠配置的接地保護單一，多次無選擇性跳停機組。

（2）電廠配置的接地保護不能很好地切除瞬間接地故障，避免事故地發(fā)生。

（3）電廠配置的接地保護可靠性不高，有可能會出現(xiàn)保護拒動現(xiàn)象，進一步使事故擴大。

4 防范措施

4.1 防范措施及設備參數(shù)

針對該電廠多次因接地故障跳停機組的現(xiàn)象，在確定具體接地故障原因后，電廠果斷采取了防范措施，增設了一套接地消弧消諧裝置，裝置設備并接在發(fā)電機直連的10 kV母線側(cè)，接地消弧消諧設備及裝置、接線系統(tǒng)圖如下。

圖2 接地消弧消諧裝置系統(tǒng)接線

表3 電抗器參數(shù)

表4 接地變參數(shù)

4.2 防范措施設備的特點和功能

增設的接地消弧消諧成套組合裝置為上海思源光電公司XHK-Ⅳ型裝置，該裝置帶有接地選線功能，可與10 kV母線的零流保護配合使用，可設置該裝置接地選線電流值小于10 kV各分支的零流定值，一般設定選線延時大于零流延時，便于裝置快速補償選線回路電流。

另外，XHK-Ⅳ型接地消弧消諧裝置可選配24路出線接地選線功能，選線方式可選擇綜合選線法或者并聯(lián)中電阻選線法。并聯(lián)中電阻選線法是采用接地時在消弧線圈兩端瞬間投切并聯(lián)電阻的方法，瞬時向接地點注入電流有功分量，使接地點的電流幅值和相位都有很明顯的變化，接地選線的準確率達100%。

XHK-Ⅳ型接地消弧消諧裝置充分考慮到系統(tǒng)的安全性，一次設備采用調(diào)匝式消弧線圈，在系統(tǒng)出線故障時，相應閉鎖消弧線圈有載開關(guān)，裝置補償感性電流不需二次設備來維持，其系統(tǒng)運行安全可靠。另外，XHK-Ⅳ型接地消弧消諧裝置安裝了阻尼電阻，可以在全范圍調(diào)節(jié)時避免出線諧振過電壓。

XHK-Ⅳ型接地消弧消諧裝置在調(diào)節(jié)消弧線圈補償電流時判斷依據(jù)指標是脫諧度和殘流值，設備投運前預先將脫諧度和接地殘流值設定為某一個范圍，當系統(tǒng)脫諧度和殘流值超出此范圍時，裝置控制器發(fā)出指令，調(diào)整消弧線圈檔位，使得調(diào)整后的脫諧度和接地殘流滿足要求。

XHK-Ⅳ型接地消弧消諧裝置采用的獨特選線法克服了對高阻接地選線不準的缺點，也克服了殘流增量法接地后調(diào)整消弧線圈缺點，裝置可以對金屬接地、高阻接地、母線接地進行準確選線，對非常難以判斷的出線也可以準確選線，選線準確率較高。

電廠增設的接地消弧消諧裝置采用并聯(lián)中電阻選線方式，既有預調(diào)式消弧線圈補償速度快優(yōu)點，也有電阻接地選線方式準確的優(yōu)點，在確保電阻接地方式可以準確選線的同時，也減少了接地點殘流，預調(diào)式補償方式的消弧線圈還限制了弧光接地過電壓，確保對瞬時性接地進行有效補償和對永久性接地故障準確選線，必要時可以跳閘。

另外，XHK-Ⅳ型接地消弧消諧裝置裝設阻尼電阻后，可以限制當系統(tǒng)發(fā)生串聯(lián)諧振時中性點的位移電壓值小于15%相電壓值，維持系統(tǒng)的正常運行，防止產(chǎn)生過電壓。當系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，中性點流過很大電流，這時須將阻尼電阻短接。

該電廠XHK-Ⅳ型接地消弧消諧裝置投運后系統(tǒng)參數(shù)見表5。

表5 XHK-Ⅳ型接地消弧消諧裝置參數(shù)

從投入運行后接地消弧消諧裝置參數(shù)值來看，系統(tǒng)容性電流較大，這與整個10 kV系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。裝置中點電壓和中點電流值正常，殘流和脫諧度基本符合設計要求。

該電廠在接地消弧消諧裝置投入運行近半年以來，繼電保護系統(tǒng)未發(fā)生接地報警現(xiàn)象，機組已連續(xù)安全運行超6個月。

5 結(jié)語

定子接地保護在未采取措施前其可靠性和選擇性不高，不管是瞬時性接地還是可以補償接地電流的接地，機組都會跳閘停機，接地故障對機組連續(xù)生產(chǎn)運行已造成嚴重影響， 廠方在對接線結(jié)構(gòu)、具體保護故障深入分析后，有力地采取了防范措施，確保了機組長期運行的安全性和穩(wěn)定性。

另外，本文實例電廠采取的措施是增加一套接地消弧消諧成套組合設備，顯著提高了接地保護動作特性，消弧消諧成套組合設備還完善了原有零流保護的選擇性和可靠性功能，確保對瞬時性接地故障進行有效補償和對永久性接地故障準確選擇選線跳閘。