陶東昕，楊開黎，李金萍

（1. 國電鞍山熱電有限公司，遼寧 鞍山 114000；2. 哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040；3. 國電哈爾濱熱電有限公司，哈爾濱 150080）

引言

隨著發(fā)電機的單機容量越來越大，對發(fā)電機定子接地保護系統(tǒng)提出了更高的要求。由于發(fā)電機線棒與定子鐵心之間絕緣易受破壞，因此發(fā)電機發(fā)生定子繞組單相接地故障比例很高，特別是大容量機組，由于定子對地電容較大，當在機端發(fā)生單相接地時故障電流很大，流過故障點的電容電流產生電弧可能燒壞定子鐵心，容易引起匝間、相間短路，給機組安全運行帶來極大危害，同時也對電網穩(wěn)定造成不利影響。因此，單相接地故障的保護在保證電力系統(tǒng)安全供電中具有非常重要的作用，同時也是當前的研究熱點問題。

目前，在 GB/T14285-2006“繼電保護和安全自動裝置技術規(guī)程“中規(guī)定：發(fā)電機變壓器組：對100MW以下發(fā)電機，應裝設保護區(qū)不小于 90%的定子接地保護；對100MW及以上的發(fā)電機，應裝設保護區(qū)為100%的定子接地保護。保護帶時限動作于信號，必要時也可動作于停機。對發(fā)電機微機保護裝置而言，采用國內和國外的保護裝置既有相同的部分，又有一定的差別。本文就發(fā)電機定子單相接地（100%）保護方法的原理、判定依據進行探討，以便為選擇合適的保護方式提供參考。

1 發(fā)電機單相接地故障特征

圖1為中性點不接地的定子單相接地示意圖。為便于分析，假設電網的負荷為零，并忽略電源和線路上的壓降。

當A相繞組在距離中性點β處接地時，三相繞組對地電壓分別為：

式中：、、分別為三相繞組的相電勢。

此時，零序電壓為：

接地電流為：

從式（2）和式（3）可知：零序電壓與β成正比，當在中性點短路時，零序電壓為零；當在機端發(fā)生接地時（β=1），定子零序電壓和零序電流達到最大，此時B、C相對地電壓將變?yōu)樵瓉淼?3倍，零序電容電流值為 3ω(Cf+Cw)EA，并且零序電流相位超前零序電壓90°。這些故障信息對接地保護非常重要，下面就定子單相接地保護方法的原理和判據進行探討。

圖1 定子繞組示意圖

2 基波零序電壓保護

該方法是國內外配電保護裝置的通用方法。在國內外的保護裝置中，均具有基波零序過電壓保護功能，可保護從發(fā)電機機端算起的 90%的定子繞組單相接地，該方法的保護判據為≥。

如果故障發(fā)生在中性點附近時，U0趨向于零，保護判據將不會啟動。其中，基波零序電壓可取自發(fā)電機中性點的單相電壓互感器或機端三相電壓互感器剩余繞組。保護動作根據低整定值或高整定值分別作用于信號或跳閘。

這種保護的一個突出優(yōu)點是，即使在定子單相接地電流很小的情況下也可以采用，但是該保護在中性點附近存在死區(qū)，僅采用該方法不能進行100%的定子單相接地保護。

3 基于3次諧波電壓的接地保護

3.1 基本原理

在正常運行工況下，中性點處3次諧波電壓要比機端的3次諧波電壓大；當中性點附近發(fā)生接地故障時，機端的3次諧波電壓增大，而中性點處的3次諧波電壓則降低。利用接地前后3次諧波電壓的變化特點，可以構成基于3次諧波電壓的定子單相接地保護。對于發(fā)電機中性點附近定子繞組單相接地的3次諧波電壓保護，主要可分為單側和雙側3次諧波電壓保護兩種方式。

3.2 單側3次諧波電壓保護

這種保護方法通常是利用發(fā)電機中性點處的單側3次諧波電壓U3N構成低電壓接地保護，而在發(fā)電機機端三相電壓互感器并無剩余繞組。這種保護較為簡單，在國外的保護裝置中仍有應用。該方法的判據為：

其中，a值小于正常運行時發(fā)電機中性點的最小3次諧波電壓。

由于不同的發(fā)電機之間有不同的3次諧波分布，整定值需實測得出；并且發(fā)電機的3次諧波電勢不是常數，隨負荷大小和功率因數而變。這種3次諧波接地保護的保護區(qū)域大約在發(fā)電機中性點附近的5%～10%的定子繞組，且靈敏度低，只能動作于保護信號。現在國內的保護裝置已摒棄上述簡單的保護原理。

3.3 雙側3次諧波電壓保護

這種保護方法是由中性點處和機端雙側3次諧波電壓共同構成判據，即通過同時比較發(fā)電機機端和中性點側零序3次諧波電壓的大小和相位。

式中：——發(fā)電機機端三相電壓互感器剩余繞組的3次諧波分量；

——發(fā)電機中性點接地變壓器二次側的 3次諧波分量；

Kp、Kt、K'、K''、K'''——調整系數或制動系數。

以上三個判據包括了3次諧波電壓的比判據和差動判據。僅采用比判據時，在靠近中性點的較小保護范圍內具有較高的靈敏度；而僅采用差動判據時，可以實現100%接地保護，但故障位置處于繞組中部時，由于中性點和機端的3次諧波電壓的變化量很小，因此保護的靈敏度較低。將以上三個判據配合使用則具有較高的靈敏度，可動作于跳閘。

從上述分析可知，基波零序電壓保護可以保護90%范圍的定子繞組，并且在靠近機端時靈敏度較高；而3次諧波電壓保護則在靠近中性點處具有較高的靈敏度。因此，兩種方法相結合可以實現定子繞組的100%接地保護，這在國內獲得了廣泛應用。

4 外加交流電源的定子單相接地保護

4.1 基本原理

雖然單側3次諧波電壓保護并不完善，但通常會配置外加交流電源的方式來構成定子繞組單相接地的100%保護。此裝置含外加電源保護功能所需的所有附件，如方波信號發(fā)生器、帶通濾波器、專用小型電流互感器，目前國內的南瑞繼保也有產品。

在發(fā)電機中性點和地之間注入低頻率 20Hz的電壓信號，繞組任何位置發(fā)生的接地故障都將產生可測量的注入電流，引起保護動作。這種原理其實質是對定子繞組的絕緣狀況進行實時而不間斷地測量。

該方法的主要優(yōu)點是：

（1）保護100%繞組范圍，實現0～100%定子繞組單相接地保護。

（2）保護 100%工況：應用這個原理的發(fā)電機保護與發(fā)電機的運行工況無關，即使在發(fā)電機停機時保護功能依然有效。

（3）保護靈敏度高。

這種保護方法優(yōu)勢明顯，具有廣闊的應用前景，但該方法對外加電源可靠性和性能方面的要求很高，價格昂貴且調試復雜。

4.2 對接地變壓器的要求

20Hz低頻交流信號依賴于接地變壓器注入，因此接地變壓器的參數將直接影響注入信號的質量，保護裝置要求接地變壓器的二次電阻大于0.5Ω。該要求可通過改變發(fā)電機中性點接地變壓器的二次側額定電壓到350～500V來實現。

5 結論

針對發(fā)電機定子繞組單相接地保護問題，本文分析了定子單相接地時的主要故障特征，并針對定子單相接地保護方法進行了探討。分析表明：采用基本零序電壓保護和3次諧波電壓保護相結合的方法，能夠實現定子接地100%保護；配外加交流電源方式構成對定子繞組單相接地的100%保護，注入的信號由二套保護裝置檢測，要求接地變壓器的二次電阻大于0.5Ω。

[1]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.

[2]賀家李, 宋從矩. 電力系統(tǒng)繼電保護原理[M]. 北京: 水利電力出版社.

[3]張長彥, 原愛芳, 等. 發(fā)電機定子繞組接地保護整定原則[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制. 2009(7)：65-70.