摘 要：本文對(duì)西門(mén)子7UM622微機(jī)型發(fā)電機(jī)保護(hù)20 Hz電壓注入式接地保護(hù)裝置的運(yùn)行狀況進(jìn)行研究，同時(shí)，分析了西門(mén)子7UM622微機(jī)型發(fā)電機(jī)保護(hù)20 Hz電壓注入式接地保護(hù)的工作原理；研究了新型保護(hù)裝置工作原理更合理，技術(shù)性能更優(yōu)越，并且與傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)90%定子接地保護(hù)和100%定子接地保護(hù)（三次諧波）區(qū)別。

關(guān)鍵詞：定子接地 保護(hù)裝置 20Hz信號(hào)發(fā)生器

中圖分類(lèi)號(hào)：TM62 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）02（a）-0146-03

1 裝置運(yùn)行情況介紹

田集發(fā)電廠于2007年投產(chǎn)，裝機(jī)容量2×600 MW，發(fā)電機(jī)經(jīng)離相封閉母線(xiàn)送至三相雙卷、容量為720 MVA的升壓變壓器，由20 kV變到500 kV后，通過(guò)500 kV系統(tǒng)送往電網(wǎng)，我廠的500 kV系統(tǒng)采用3/2（或一個(gè)半斷路器）接線(xiàn)方式，發(fā)電機(jī)定子繞組中性點(diǎn)通過(guò)一接地變壓器接地，發(fā)變組保護(hù)裝置采用西門(mén)子生產(chǎn)的數(shù)字型繼電保護(hù)裝置，其中發(fā)電機(jī)保護(hù)采用7UM622。自投產(chǎn)以來(lái)，對(duì)定子接地20 HZ電壓注入式保護(hù)的檢驗(yàn)和實(shí)際模擬故障均能正確發(fā)信和動(dòng)作。

正常情況下，主變繞組、發(fā)電機(jī)出口母線(xiàn)、發(fā)電機(jī)定子繞組對(duì)地絕緣。當(dāng)發(fā)生定子繞組單相接地時(shí)，故障點(diǎn)電弧將使定子繞組絕緣受損，嚴(yán)重情況下發(fā)展為相間或匝間短路，同時(shí)鐵心被電弧嚴(yán)重?zé)齻?。為了避免這一現(xiàn)象的發(fā)生，我們配置了7UM62型100%定子接地保護(hù)來(lái)快速切除包括發(fā)電機(jī)定子繞組包括中性點(diǎn)在內(nèi)的單相接地故障。

2 三種定子接地保護(hù)原理的介紹

2.1 發(fā)電機(jī)90%定子接地保護(hù)

定子接地故障保護(hù)功能用于探測(cè)三相發(fā)電機(jī)定子繞組回路中發(fā)生的接地故障。在實(shí)際工程中，同步電機(jī)可能在公共母線(xiàn)下運(yùn)行（直接連接到系統(tǒng)）或者以單元組接線(xiàn)（通過(guò)發(fā)電機(jī)，變壓器單元組中的變壓器連接到系統(tǒng)）運(yùn)行。用于探測(cè)定子繞組接地故障的判據(jù)主要是看是否出現(xiàn)開(kāi)口電壓，或者對(duì)于同步電機(jī)直接連接到公共母線(xiàn)的接線(xiàn)，采用零序電流過(guò)量判據(jù)。這種原理的定子繞組接地故障保護(hù)可以探測(cè)發(fā)電機(jī)定子繞組90%～95%范圍的接地故障。

開(kāi)口電壓的測(cè)量有多種方法，可以通過(guò)連接在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的電壓互感器或中性點(diǎn)接地變壓器得到，也可以通過(guò)連接在機(jī)端的電壓互感器e-n繞組（開(kāi)口三角繞組）或者機(jī)端接地變壓器得到。由于中性點(diǎn)接地變壓器或者機(jī)端接地變壓器二次側(cè)額定電壓通常為500 V（在發(fā)生機(jī)端直接接地時(shí)），因此在其二次繞組和保護(hù)裝置之間需要串接一個(gè)500 V/100 V的電阻式分壓器。

如果不能通過(guò)直接測(cè)量的方法將開(kāi)口電壓引入保護(hù)裝置，那么保護(hù)裝置也可以通過(guò)接入的單相對(duì)地電壓測(cè)量值計(jì)算出開(kāi)口電壓。

在產(chǎn)生的開(kāi)口電壓中，包含了大量的三次諧波電壓。這是因?yàn)槿沃C波電壓存在于三相系統(tǒng)中，并且在每相中具有相同的三次諧波電壓矢量。為了獲得可靠的測(cè)量，保護(hù)裝置只會(huì)評(píng)估發(fā)生定子接地故障時(shí)開(kāi)口電壓中的基波分量。其它的諧波分量都將通過(guò)算法中的數(shù)字濾波器過(guò)濾掉。

在同步電機(jī)的單元組接線(xiàn)中，評(píng)估接地故障時(shí)的開(kāi)口電壓就己經(jīng)足夠了。保護(hù)裝置能夠達(dá)到的靈敏度高低僅僅受限制于系統(tǒng)中發(fā)生接地故障時(shí)感應(yīng)過(guò)來(lái)的電壓干擾信號(hào)。這些系統(tǒng)中的電壓干擾信號(hào)會(huì)通過(guò)單元變壓器高低壓繞組之間的耦合電容傳遞到發(fā)電機(jī)側(cè)。在必要的時(shí)候，可以考慮通過(guò)加裝負(fù)載電阻來(lái)降低這些千擾電壓。如果發(fā)電機(jī)定子繞組在某個(gè)整定的時(shí)間范圍內(nèi)存在接地故障，那么保護(hù)裝置就會(huì)發(fā)出跳閘命令斷開(kāi)發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的連接。

保護(hù)發(fā)電機(jī)定子及其引線(xiàn)的單相接地。本保護(hù)為基波零序過(guò)電壓保護(hù)，由機(jī)端三相電壓求和計(jì)算得到3U0，并經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波后的基波分量形成保護(hù)判據(jù)。

本保護(hù)由于采用三相電壓計(jì)算零序電壓，故經(jīng)電壓回路斷線(xiàn)信號(hào)閉鎖。

2.2 100%定子接地保護(hù)（三次諧波）

基于開(kāi)口電壓基波分量的測(cè)量方法只能提供90%～95%定子繞組范圍的接地故障保護(hù)。為了提供100%定子繞組范圍的接地故障保護(hù)，必須要用到其他頻率的電壓信號(hào)。在保護(hù)裝置7UM62中，評(píng)估三次諧波電壓信號(hào)就是用于這個(gè)目的。

在發(fā)電機(jī)的定子繞組中，或多或少的會(huì)出現(xiàn)較為明顯的三次諧波電壓，這個(gè)三次諧波電壓是由發(fā)電機(jī)磁極的外形產(chǎn)生的。當(dāng)發(fā)電機(jī)的定子繞組發(fā)生了接地故障時(shí)，回路中衍生電容的分布就發(fā)生了變化，這是因?yàn)榘l(fā)生接地故障時(shí)某個(gè)對(duì)地電容被短接了。在定子繞組接地的過(guò)程中，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)測(cè)量到的三次諧波電壓將降低，而發(fā)電機(jī)機(jī)端測(cè)量到的三次諧波電壓將升高（見(jiàn)圖1）。三次諧波電壓在空間形成零序系統(tǒng)，因此可以通過(guò)星形一三角形接線(xiàn)的電壓互感器側(cè)量出來(lái)，或者由測(cè)量到的單相對(duì)地電壓計(jì)算得到零序信號(hào)系統(tǒng)。

其中：電導(dǎo)標(biāo)幺值為；電納標(biāo)幺值為

此外，三次諧波電壓的含量與發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工況密切相關(guān)，也就是說(shuō)，三次諧波電壓的幅值是發(fā)電機(jī)有功出力P和無(wú)功出力Q的函數(shù)。正是基于這個(gè)原因，為了提高保護(hù)的可靠性，這個(gè)原理的定子接地故障保護(hù)有著嚴(yán)格的應(yīng)用范圍。

對(duì)于多臺(tái)發(fā)電機(jī)直接連接到公共母線(xiàn)的接線(xiàn)方式，系統(tǒng)中所有的發(fā)電機(jī)都將貢獻(xiàn)三次諧波電壓，因此用三次諧波電壓判據(jù)無(wú)法區(qū)分是哪臺(tái)發(fā)電機(jī)發(fā)生了接地故障。

保護(hù)功能使用機(jī)端零序電壓系統(tǒng)中的三次諧波電壓。在定子繞組發(fā)生接地故障時(shí)，將會(huì)引起機(jī)端三次諧波電壓升高，因此保護(hù)功能采用三次諧波過(guò)電壓判據(jù)。

在確認(rèn)保護(hù)動(dòng)作可靠后，“Trip”出口定義于全停一。保護(hù)壓板投入的邏輯應(yīng)不影響信號(hào)（接點(diǎn)輸出、和通信輸出）的發(fā)出。

三次諧波的100%定子接地保護(hù)為過(guò)電壓型。由機(jī)端三相電壓求和計(jì)算得到3U0，并經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波后得到的三次諧波分量形成保護(hù)判據(jù)基礎(chǔ)，具有以下功能。

（1）7UM62的保護(hù)定值U03.HARM>（Add.5203）為躲過(guò)發(fā)電機(jī)100%負(fù)載條件下的最大三次諧波電壓。

（2）為了保護(hù)靈敏度，裝置提供起動(dòng)修正定值U03.H.（Add.5207），以使保護(hù)特性可以隨著發(fā)電機(jī)有功出力的變化而線(xiàn)性變化。

（3）7UM6的三次諧波式保護(hù)確定了“運(yùn)行范圍”，即通過(guò)定義發(fā)電機(jī)的最小有功出力來(lái)限制其應(yīng)用范圍。因?yàn)槿沃C波的變化只有在發(fā)電機(jī)在最小有功出力以上，其變化率才呈現(xiàn)出線(xiàn)性特點(diǎn)。

2.3 100%定子接地保護(hù)（20 Hz電壓注入式）

100%定子接地故障保護(hù)探測(cè)通過(guò)發(fā)電機(jī)一變壓器組單元接線(xiàn)連接到電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)所發(fā)生的定子回路接地故障。本保護(hù)功能采用外部注入20 Hz低頗交流電源的方法，與發(fā)生接地故障時(shí)產(chǎn)生的工頻零序電壓無(wú)關(guān)，可以探測(cè)包括發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)在內(nèi)的定子繞組的全部接地故障。它所采用的測(cè)量原理完全不受發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況的影響，即使在發(fā)電機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)的情況下，測(cè)量過(guò)程依然在進(jìn)行。我們甚至可以采用兩種不同的測(cè)量原理—測(cè)量工頻零序電壓的原理和評(píng)估注入的20 Hz電氣回路的原理—從而可提供兩種互為補(bǔ)充并且可靠的定子接地保護(hù)理念。

如果沒(méi)有能夠探測(cè)到發(fā)生在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)或者靠近中性點(diǎn)的接地故障，那么發(fā)電機(jī)就運(yùn)行在“接地”狀態(tài)。如果接著發(fā)生另一次故障（如再次發(fā)生接地故障）將會(huì)形成單相短路，而由于發(fā)電機(jī)零序阻抗很小，這將導(dǎo)致產(chǎn)生極大的故障電流。

基于這個(gè)原因，100%定子接地故障保護(hù)就成為了大型機(jī)組配置的一個(gè)基本保護(hù)功能。

20 Hz注入式的定子接地保護(hù)是真正的100%保護(hù)，它的測(cè)量過(guò)程與發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程無(wú)關(guān)，范圍包括了整個(gè)20 kV連接的各個(gè)設(shè)備。是目前最好的定子接地保護(hù)方案（圖2）。

3 100%定子接地保護(hù)（20 Hz電壓注入式）的原理先進(jìn)性

3.1 通過(guò)以上的分析說(shuō)明，可以看出20 Hz電壓注入式定子接地保護(hù)的獨(dú)到之處在于

（1）測(cè)量原理獨(dú)立于發(fā)電機(jī)運(yùn)行條件。

（2）發(fā)電機(jī)停運(yùn)期間保護(hù)仍然有效。

（3）高靈敏性（消除了電容電流的影響）。

（4）相對(duì)于位移測(cè)量方法的不同和獨(dú)立的測(cè)量原則，如圖3所示。

3.2 其基本思路如圖4示

（1）在中性點(diǎn)注入電壓，一旦在接地故障時(shí)也能產(chǎn)生有效的電動(dòng)勢(shì)。

（2）同樣，在接地點(diǎn)接地故障時(shí)，有故障電流流過(guò)故障阻抗。

（3）需要下列附加設(shè)備：20 Hz發(fā)生器、20 Hz帶通濾波器、電流CT。

3.3 20 Hz電壓注入式定子接地保護(hù)的數(shù)值計(jì)算

4 100%定子接地保護(hù)（20 Hz電壓注入式）裝置實(shí)際調(diào)試步驟與注意事項(xiàng)

4.1 調(diào)試角度

首先將定值中5309，5310項(xiàng)定值設(shè)定為0。然后保證在發(fā)電機(jī)正常狀態(tài)下，合上20 Hz裝置空開(kāi)。此時(shí)可以讀到USEF，ISEF，其中USEF值大約在1.2 V左右，ISEF值大約在12 mA左右。此時(shí)的角度如果顯示為正角度，則可能是CT的極性接反了，CT極性正確后，該角度應(yīng)該在-90°左右，且穩(wěn)定。比如顯示：93°，則需要通過(guò)調(diào)整5309項(xiàng)輸入-3°，給以補(bǔ)償，使其測(cè)量到90°，改值確定后，做后面的測(cè)試時(shí)，不在需要修改。角度修正正確后，此時(shí)顯示的電阻RSEF=9999，RSEFP=99999，也就是都是無(wú)窮大。

4.2 調(diào)試直接定子直接接地狀態(tài)

在第一步調(diào)試完畢的基礎(chǔ)上，將定子，直接接地。此時(shí)測(cè)量的電阻理論上應(yīng)該為0，即RSEF=0RSEFP=0.但是，因?yàn)殡娎|也有電阻等實(shí)際情況，該兩個(gè)不為0，此時(shí)，將讀取的RSEF值寫(xiě)入定值5310項(xiàng)。更改5310后，在讀取RSEF和RSEFP就都為0了。

4.3 調(diào)試跳閘段2 k電阻

在定子和地之間串入2 k的電阻。觀察測(cè)量的電阻RSEF和RSEFP，參照我們2#機(jī)做試驗(yàn)的讀取數(shù)，知道，一定會(huì)和2 k的電阻有誤差。此時(shí)，需要重新調(diào)整5310的選項(xiàng)，增大，或者減小。嘗試幾次后，使測(cè)量的讀到的RSEFP（一次串入的電阻）接近或者等于2 k。然后將讀到的RSEF（二次電阻）寫(xiě)入5303地址，作為跳閘段的定值。

4.4 在2 k的測(cè)試完畢后，在定子和地之間串接電阻10 k做為報(bào)警段

此時(shí)測(cè)量的值可能和10 k差別很大，不用管它。將這是讀到的RSEF（二次電阻值）寫(xiě)入5302作為報(bào)警段的定值。

4.5 在以上參數(shù)確定完畢后，可以做電阻小于2 k可靠動(dòng)作，大于2 k不動(dòng)作

小于10 k報(bào)警，大于10 k不報(bào)警，以及電阻測(cè)量的線(xiàn)性度的測(cè)量等。

4.6 注意事項(xiàng)

在外面有人員操作的時(shí)候，記得切斷20 Hz發(fā)生器裝置電源，以保證外面工作人員的人身安全。

5 總結(jié)與建議

對(duì)外加20 Hz電壓注入式的100%定子接地保護(hù)而言，電源頻率和電源的可靠性對(duì)保護(hù)的正常運(yùn)行有很大影響，定檢中應(yīng)列為重點(diǎn)檢查項(xiàng)目，最好每年進(jìn)行一次電源校驗(yàn)，若頻率漂移或電壓不足應(yīng)及時(shí)處理，以保證了保護(hù)的正確動(dòng)作率。日常定檢中要注意定子接地RSEF的實(shí)時(shí)采樣值是否正常，以判斷20 Hz電壓注入式定子接地保護(hù)裝置運(yùn)行是否正常。

以上只是個(gè)人在工作中的一些心得體會(huì)，與各位同行交流一下，不當(dāng)之處敬請(qǐng)指正。

參考文獻(xiàn)

[1]李駿年.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，1992.26-35.

[2]朱聲石.高壓電網(wǎng)繼電保護(hù)原理與技術(shù)[M].北京：電力工業(yè)出版社，1981，3：20-33.

[3]韓笑.電氣工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)指南-繼電保護(hù)分冊(cè)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，208：10-70.

[4]劉天琪、邱曉燕.電力系統(tǒng)分析理論[M].北京：科學(xué)出版社，2005：20-42.

[5]卓樂(lè)友.電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè).第2冊(cè).電氣二次部分[M].北京：水利電力出版社，1991：10-63.