孫文，高瑞，馬進(jìn)，劉世勛，翟文濤

(1.遼寧出入境檢驗(yàn)檢疫局機(jī)電產(chǎn)品檢測中心，遼寧 沈陽 110141;2.中認(rèn)(沈陽)北方實(shí)驗(yàn)室有限公司，遼寧 沈陽 110141)

1 引言

近年來，我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的迅猛發(fā)展，裝機(jī)容量的逐步提高，越來越多的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備單機(jī)容量逐步增大，發(fā)電機(jī)定子繞組對地電容也相應(yīng)提高。

目前很多發(fā)電機(jī)大都采用變壓器電阻接地方式(又稱高阻接地方式)，并裝設(shè)注入式定子單相接地保護(hù)。通過實(shí)驗(yàn)證明，這種保護(hù)的靈敏度與發(fā)電機(jī)的工況無關(guān)，與接地位置無關(guān)，更具優(yōu)勢的是還可以檢測接地過渡電阻逐漸降低(絕緣漸變而不是突變)的接地故障。

另外很多電廠采用配備了大量微機(jī)發(fā)變組保護(hù)。運(yùn)行情況來看，發(fā)變組保護(hù)經(jīng)常動作，其中發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)是動作次數(shù)較多的保護(hù)。在這些微機(jī)發(fā)變組保護(hù)中，定子接地保護(hù)原理基本上是采用基波零序電壓和三次諧波電壓構(gòu)成100%的定子接地保護(hù)。

2 注入式定子接地保護(hù)原理

圖1所示為20Hz信號的等效的零序電路示意圖。圖中忽略了故障后的基波零序電壓，忽略發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的3次諧波(也是零序性質(zhì)的電壓)。

圖1 定子繞組單相接地故障等值電路

發(fā)電機(jī)在正常情況下，外加電源注入到接地變壓器一次側(cè)，生成電容性電流。當(dāng)定子繞組出現(xiàn)一點(diǎn)接地，注入電壓、電流都將發(fā)生變化，注入電流將出現(xiàn)電阻性分量。保護(hù)裝置通過檢測接地變壓器二次側(cè)的20Hz電壓、電流信號，不難得到接地過渡電阻RE的二次值 RE，sec;

注意，式中的電壓、電流需濾除基波、3次諧波，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。

通過判定RE，sec值即可判定是否發(fā)生接地故障和接地故障的嚴(yán)重程度。實(shí)際應(yīng)用時(shí)有高低2個(gè)定值，高定值用于延時(shí)報(bào)警，低定值用于延時(shí)跳闡。

3 定子接地保護(hù)的原理

現(xiàn)在微機(jī)保護(hù)中定子接地保護(hù)原理一般都是由基波零序電壓和利用三次諧波電壓構(gòu)成100%的定子接地保護(hù)。零序電壓取自發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)TV二次值，也可從消弧線圈的副邊取得。正常運(yùn)行時(shí)，不平衡電壓有基波和三次諧波，其中以三次諧波為主。

3.1 基波零序電壓所構(gòu)成的85%～95%的單相接地保護(hù)

正常情況下，發(fā)電機(jī)三相電壓中基波零序電壓3U0很小，當(dāng)定子繞組單相接地時(shí)，就會出現(xiàn)3U0。另外考慮到三次諧波的影響，保護(hù)裝置都帶有三次諧波濾過器，裝置的動作電壓一般取5～15V(發(fā)電機(jī)機(jī)端接地時(shí)開口三角電壓一般為100V)，這樣，保護(hù)范圍可達(dá)85% ～95%，死區(qū)為5% ～15%。其動作電壓方程為:UOP＞KrelUunb

式中，UOP為零序不平衡電壓;Krel為可靠系數(shù)，取1.15～1.30

因?yàn)?00MW以上發(fā)電機(jī)沒有裝設(shè)匝間保護(hù)，考慮到匝間故障極大部分伴隨接地故障，或由接地故障發(fā)展所致，為了保證發(fā)電機(jī)設(shè)備的安全，將帶有三次諧波濾過器的反應(yīng)基波零序電壓的保護(hù)作用于跳閘。

2.2 三次諧波所構(gòu)成的不小于20%的單相接地保護(hù)

利用三次諧波構(gòu)成的定子接地保護(hù)，可以消除基波零序電壓元件保護(hù)不到的死區(qū)，這2部分保護(hù)裝置的保護(hù)應(yīng)有一段重疊區(qū)，因此三次諧波構(gòu)成的定子接地保護(hù)范圍應(yīng)不小于20%(從發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)開始)，設(shè)Us3為機(jī)端三次諧波電壓，UN3為中性點(diǎn)三次諧波電壓，可利用機(jī)端三次諧波電壓為動作量，而中性點(diǎn)三次諧波電壓為制動量。保護(hù)動作的判據(jù)一般有以下幾類:

(1)|Us3|≥|UN3|，此判據(jù)調(diào)試簡單，但靈敏度低。

(2)|KUs3－UN3|≥β|UN3|，β ＜1。

(3)|PUN3－Us3|≥β|UN3|+△U

△U為極化繼電器的動作電壓，小于0.7V。正常運(yùn)行時(shí)，調(diào)整|PUN3－Us3|近似為零，并有適當(dāng)?shù)闹苿恿喀聕UN3|。當(dāng)發(fā)生單相接地故障后，|PUN3－Us3|上升，而β|UN3|下降，從而使繼電器動作。

總之，三次諧波定子接地保護(hù)的動作值必須按實(shí)際動作判據(jù)在現(xiàn)場調(diào)試，要求發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)3000電阻接地，保護(hù)可靠動作?？紤]到發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)附近接地故障時(shí)，故障電流較小，零序電壓較低，所以三次諧波電壓定子接地保護(hù)一律只投信號，不投跳閘。

4 注入式定子接地保護(hù)易出現(xiàn)的注入信號的檢測問題的分析

注入的電壓、電流信號相對較小，特別是當(dāng)中性點(diǎn)接地變壓器電壓變比比較大、負(fù)載電阻Rn很小時(shí)，注入電源近似被短路，這對信號檢測提出了很高的要求。為了避免信號受到干擾，建議電壓回路、電流回路二次線采用屏蔽線;另外，在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)中性點(diǎn)接地柜內(nèi)的電壓、電流回路二次線和接地變壓器出線銅排綁扎在一起，這也是不合適的，二次線應(yīng)單獨(dú)走線。

5 定子接地保護(hù)調(diào)試安裝及整定時(shí)出現(xiàn)問題的分析

(1)變電站，通常要求將來自電壓互感器二次星形的4根升壓站引入線和電壓互感器開口三角的2根開關(guān)場引入線必須分開，N回路不得公用。而對于發(fā)電機(jī)組，卻沒有這樣的規(guī)定，但根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)電機(jī)的二次電壓回路同樣應(yīng)該將二次回路中N回路分開，這樣對保護(hù)的抗干擾能力將大為增強(qiáng)。

(2)為防止發(fā)電機(jī)電壓互感器一次側(cè)熔斷器斷開或二次側(cè)接地短路而引起零序電壓誤動，必須用發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電壓互感器或消弧線圈的二次電壓，這樣就可以不考慮熔斷器的問題。如果一定要采用發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓互感器的二次電壓，那么必須有相應(yīng)的PT斷線閉鎖基波零序電壓定子接地保護(hù)。

(3)在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)中，消弧線圈與發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)之間不應(yīng)該裝設(shè)其他的東西，以免由于一次接地，導(dǎo)致中性點(diǎn)電位上升，對地絕緣不行，從而造成兩點(diǎn)接地的嚴(yán)重故障。在某電廠就發(fā)生過因?yàn)檠b設(shè)在線檢測裝置，在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)與消弧線圈之間加裝了一個(gè)小的電流互感器，在運(yùn)行過程中，由于發(fā)電機(jī)定子發(fā)生了單相接地故障，使中性點(diǎn)對地電位上升，而電流互感器的二次線與中性點(diǎn)挨得較近(絕緣很容易被擊穿)，并且電流互感器的二次線直接進(jìn)入在線檢測裝置(外殼接地)，從而導(dǎo)致中性點(diǎn)間接對地放電，進(jìn)一步發(fā)展成發(fā)電機(jī)機(jī)端與中性點(diǎn)直接短路的嚴(yán)重故障。

(4)應(yīng)考慮此保護(hù)與主變高壓側(cè)接地時(shí)保護(hù)的配合。當(dāng)主變高壓側(cè)發(fā)生接地故障時(shí)，高壓系統(tǒng)的零序電壓將通過變壓器高、低繞組間的電容耦合到發(fā)電機(jī)，此電壓有可能超過基波零序電壓的定值。如果高壓側(cè)為大電流接地系統(tǒng)，因其本身的接地保護(hù)將快速作用于跳閘，那么定子接地保護(hù)只需在時(shí)間上與其配合即可。如果高壓側(cè)為小電流接地系統(tǒng)，必要時(shí)還應(yīng)考慮基波零序電壓動作值的大小及時(shí)間的配合等。

(5)特別注意中性點(diǎn)消弧線圈投入后二次電壓的監(jiān)視，因?yàn)檎＿\(yùn)行時(shí)應(yīng)該有一定的值，如果中性點(diǎn)的二次電壓UN為完全零，表明回路有問題，必須查明原因。

［1］王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用［M］.北京:中國電力出版社，2002.

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