段世肖，丁燁楠

（華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 天臺 317200）

20 Hz注入式定子接地保護(hù)在蓄能電站中的應(yīng)用

段世肖，丁燁楠

（華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 天臺 317200）

從發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變的二次側(cè)注入20 Hz交流電源構(gòu)成發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)，該保護(hù)無工作死區(qū)，不受機(jī)組運(yùn)行狀況影響；不受接地故障點(diǎn)位置的影響，實(shí)現(xiàn)了對發(fā)電機(jī)定子100%接地保護(hù)；能監(jiān)測發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣性能下降，并對發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣老化起到監(jiān)視作用。

20 Hz電源；注入式；定子接地保護(hù)

0　引言

發(fā)電機(jī)定子單相接地故障是發(fā)電機(jī)常見故障中的一種，由于發(fā)電機(jī)定子單相接地故障容易衍變成危害更大的發(fā)電機(jī)定子繞組相間或匝間短路，因此發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)在大型發(fā)電機(jī)機(jī)組保護(hù)中具有重要作用，它對于發(fā)電機(jī)定子嚴(yán)重短路故障的預(yù)防具有重要意義。傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)主要是由基波零序電壓式定子接地保護(hù)與三次諧波電壓配合組成的發(fā)電機(jī)定子100%接地保護(hù)。其中基波零序電壓式定子接地保護(hù)在發(fā)電機(jī)定子電壓升高至一定水平才會動作，且接地故障點(diǎn)發(fā)生在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)附近的話存在死區(qū)。而三次諧波電壓有多種實(shí)現(xiàn)方法，但都受發(fā)電機(jī)定子及其相聯(lián)設(shè)備的參數(shù)和運(yùn)行方式的影響，或者由于動作判據(jù)穩(wěn)定性差而使運(yùn)行的可靠性不易實(shí)現(xiàn)。

而20Hz注入式定子接地保護(hù)是在發(fā)電機(jī)定子回路與大地之間加入一個(gè)20Hz的信號源，通過回采的20 Hz電壓、電流來計(jì)算發(fā)電機(jī)定子對地阻抗，從而判斷接地故障。該保護(hù)能夠獨(dú)立實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子100%接地保護(hù)，且基本不受系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響。它還能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)定子的絕緣水平下降起到監(jiān)測作用，是較好的發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)方案。此外它還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在機(jī)組的啟停機(jī)過程中依然能夠起到保護(hù)作用。

20 Hz注入式定子接地保護(hù)拓寬了保護(hù)方案的靈活性，提高了發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行，因此在大型發(fā)電機(jī)機(jī)組保護(hù)中得到越來越多地應(yīng)用。

1　發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)的介紹

1.1發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)的定義

發(fā)電機(jī)定子發(fā)生單相接地故障后，產(chǎn)生的接地電流經(jīng)故障點(diǎn)、三相對地電容、三相定子繞組而構(gòu)成通路。當(dāng)產(chǎn)生的接地電流增大至在故障點(diǎn)引起電弧時(shí)，將使發(fā)電機(jī)定子繞組的絕緣和定子鐵芯燒壞，也容易衍變成危害更大的發(fā)電機(jī)定子繞組相間或匝間短路，而能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)定子發(fā)生接地故障時(shí)進(jìn)行無死區(qū)的保護(hù)就稱為發(fā)電機(jī)定子100%接地保護(hù)。

1.2發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)的主要方式

發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)根據(jù)保護(hù)原理的不同可分為非注入式和注入式兩大類，而目前應(yīng)用最廣泛的是非注入式保護(hù)。此類保護(hù)最大的一個(gè)不足之處就是只能動作于發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，而當(dāng)發(fā)電機(jī)在啟停機(jī)階段時(shí)發(fā)電機(jī)定子發(fā)生接地故障，該保護(hù)則無法正常起到保護(hù)作用。而注入式保護(hù)無論發(fā)電機(jī)處于正常運(yùn)行還是啟停機(jī)階段都能監(jiān)測發(fā)電機(jī)定子對地的絕緣情況，恰恰彌補(bǔ)了非注入式保護(hù)的不足。

目前應(yīng)用比較廣泛的發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)方案主要為基波零序電壓式定子接地保護(hù)、三次諧波電壓式接地保護(hù)等非注入式接地保護(hù)以及低頻注入式定子接地保護(hù)等注入式接地保護(hù)。

1.2.1采用了基波零序電壓式定子接地保護(hù)與三次

諧波電壓組成的雙頻式發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)

基波零序電壓式定子接地保護(hù)原理比較簡單，接地保護(hù)簡便易實(shí)現(xiàn)，但其監(jiān)測范圍在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)處存在5%～10%的死區(qū)，并且該死區(qū)會隨著發(fā)電機(jī)定子繞組對地電容的增大以及不對稱度的增大以致接地保護(hù)靈敏度降低而不斷擴(kuò)大，這個(gè)是其重要缺點(diǎn)。三次諧波電壓式定子接地保護(hù)彌補(bǔ)了當(dāng)接地故障點(diǎn)發(fā)生在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)附近時(shí)基波零序電壓式定子接地保護(hù)的不足，因此由它們兩個(gè)組成的雙頻式發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)得以被廣泛應(yīng)用在大型發(fā)電機(jī)機(jī)組保護(hù)中。但三次諧波電壓式定子接地保護(hù)受機(jī)組運(yùn)行方式的影響較大，經(jīng)常誤動；并且由它們組成的雙頻式發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)依然不能夠保護(hù)處于啟停階段的發(fā)電機(jī)機(jī)組。

1.2.2低頻注入式定子接地保護(hù)

在發(fā)動機(jī)中性點(diǎn)處加裝接地變壓器，也就是發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)二次側(cè)帶接電阻的變壓器接地，在接地變二次側(cè)注入一個(gè)方波電源，并采集注入電源的電壓和注入電流，正常與運(yùn)行時(shí)，注入電流經(jīng)接地變耦合到發(fā)電機(jī)定子，流過的電流為電容電流，當(dāng)發(fā)電機(jī)定子發(fā)生接地故障時(shí)，電流增大，耦合到二次側(cè)的電流也增大，采集注入電流隨之增大，由此反應(yīng)發(fā)電機(jī)定子發(fā)生接地故障。該保護(hù)能夠獨(dú)立實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子繞組100%接地保護(hù)，并能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)定子的絕緣老化情況進(jìn)行監(jiān)視。因此低頻注入式定子接地保護(hù)以其簡便的原理和優(yōu)越的性能，代表了發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)日后的發(fā)展方向。

由基波零序電壓式定子接地保護(hù)和三次諧波電壓構(gòu)成的雙頻式發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)應(yīng)用于國內(nèi)大多數(shù)發(fā)電廠的機(jī)組中，是目前發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)方案中應(yīng)用最為廣泛的。而低頻注入式定子接地保護(hù)作為新型的發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)，也在逐漸被各大型發(fā)電廠接受并使用。在低頻注入式定子接地保護(hù)領(lǐng)域中，最具影響力的是德國西門子和瑞士ABB兩家公司。

2　桐柏電站定子接地保護(hù)的介紹

在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)處注入一個(gè)20 Hz的電壓以用來監(jiān)測接地故障已被證實(shí)是一個(gè)可靠而且安全的方法。與三次諧波電壓式定子接地保護(hù)動作判據(jù)相反，它獨(dú)立于發(fā)電機(jī)的特性以及運(yùn)行方式，簡單來講就是指即使在系統(tǒng)停頓期間，保護(hù)的測量過程仍然可以繼續(xù)進(jìn)行。桐柏電站低頻注入式定子接地保護(hù)的外加電源采用的是20 Hz電源，其在發(fā)電機(jī)靜止、啟停機(jī)和并網(wǎng)運(yùn)行等各種工況下都能夠發(fā)揮良好的保護(hù)作用。這個(gè)保護(hù)的功能范圍可以覆蓋整個(gè)發(fā)電機(jī)及其所有與之相連的電氣設(shè)備。

20 Hz注入式定子接地保護(hù)通過保護(hù)裝置采集已注入的20 Hz電壓以及流過的20 Hz電流來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)測，該保護(hù)有一個(gè)報(bào)警、跳閘段。并且其測量回路始終被保護(hù)裝置所監(jiān)視，就算是20Hz發(fā)生器本體的故障也能被測量出來。

2.1 20 Hz注入式定子接地保護(hù)工作原理

20 Hz注入式定子接地保護(hù)的工作原理為從發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)二次側(cè)注入一個(gè)低頻（20 Hz）交流電壓源，其電壓幅值最大約為發(fā)電機(jī)額定電壓的1%（桐柏電站發(fā)電機(jī)額定電壓為18 kV）。如果發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)處發(fā)生了接地故障，20 Hz交流電壓信號通過接地電阻R將產(chǎn)生電流（如圖1）。保護(hù)裝置將采集回路中的20Hz電壓和故障電流，從而計(jì)算出回路的對地阻抗。這種工作原理同時(shí)也可用于監(jiān)測發(fā)電機(jī)機(jī)端的接地故障，包括與發(fā)電機(jī)機(jī)端相連接的其他電氣設(shè)備，如電制動刀、電壓互感器等。

上述工作原理主要靠加裝的外部附加設(shè)備：7XT33（20 Hz電源發(fā)生器）和7XT34（20 Hz帶通濾波器）才得以實(shí)現(xiàn)，該保護(hù)投入運(yùn)行時(shí)，由7XT33裝置產(chǎn)生一個(gè)方波電壓，幅值約為25 V。通過7XT34裝置，將產(chǎn)生的方波信號注入到中性點(diǎn)接地變二次側(cè)的負(fù)載電阻R，并經(jīng)過變壓器繞組耦合到中性點(diǎn)接地變一次側(cè)。其中帶通濾波器7XT34的作用主要是將方波信號轉(zhuǎn)變成正弦波信號。當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)端發(fā)生接地故障時(shí)，發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置（DRS-MODULAR裝置）將引入的20 Hz電壓信號和20 Hz交流電流信號加以處理計(jì)算來判斷接地故障，其中20 Hz交流電流信號通過外接小型CT來測量，而20 Hz電壓信號直接取自負(fù)載電阻R。

圖1中，我廠保護(hù)裝置采用ELIN生產(chǎn)的DRS-MODULAR裝置；20 Hz電源發(fā)生器為西門子的7XT33；20 Hz帶通濾波器為西門子的7XT34；R為接地負(fù)載電阻。

2.2有關(guān)保護(hù)動作邏輯

2.3有關(guān)保護(hù)整定計(jì)算

2.3.1實(shí)測數(shù)據(jù)

經(jīng)過不同阻抗接地時(shí)測得的接地電阻如表1：

說明：該測量數(shù)據(jù)為加入直流電阻進(jìn)行測試的結(jié)果，實(shí)際負(fù)載為感性。

2.3.2動作整定值計(jì)算

權(quán)衡正常時(shí)的可靠性和故障時(shí)的靈敏性兩者矛盾，通過計(jì)算選取不同工況下的定子接地保護(hù)動作整定值。

（1）發(fā)電機(jī)工況/抽水工況動作電阻整定值取：

可靠系數(shù)?。?/p>

靈敏系數(shù)?。?/p>

（2）拖動工況時(shí)動作電阻整定值取：

為保證接地時(shí)可靠動作，整定值?。?/p>

可靠系數(shù)?。?/p>

靈敏系數(shù)取：

2.4有關(guān)保護(hù)注意問題

2.4.1有關(guān)保護(hù)跳閘矩陣

2.4.2有關(guān)保護(hù)閉鎖矩陣

目前大型水電廠的水輪發(fā)電機(jī)一般采用電制動方式與機(jī)械制動方式相結(jié)合的混合制動方式停機(jī)。為了防止停機(jī)過程中在電制動刀合閘期間，發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)的誤測量以及誤動，發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)的保護(hù)裝置應(yīng)接入電制動刀的輔助常開接點(diǎn)。即當(dāng)電制動刀合閘后，該接點(diǎn)閉合，此時(shí)應(yīng)閉鎖20Hz注入式定子接地保護(hù)動作（見表4）。

此外在兩機(jī)組背靠背拖動過程中處于被拖動工況或拖動工況時(shí)，保護(hù)范圍延伸到有聯(lián)系的機(jī)組。針對保護(hù)范圍的擴(kuò)大，為了提高保護(hù)的可靠性及保證保護(hù)的靈敏度，防止外加20 Hz電源回路形成環(huán)流，故在機(jī)組背靠背啟動時(shí)打開拖動機(jī)組的中性點(diǎn)閘刀，該定子接地保護(hù)由被拖動機(jī)實(shí)現(xiàn)（見表4）。

3　結(jié)束語

發(fā)電機(jī)作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，其安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行在很大程度上決定了電力系統(tǒng)是否能夠穩(wěn)定運(yùn)行。在發(fā)電機(jī)易發(fā)常見故障中，發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障在發(fā)電機(jī)各類故障中所占比例很高。雖然發(fā)電機(jī)定子繞組發(fā)生單相接地故障不會產(chǎn)生很大的故障電流，但容易衍變成危害更大的發(fā)電機(jī)定子繞組相間或匝間短路，因此完善的發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)對發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。所以，發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)是大型發(fā)電機(jī)組保護(hù)配置中十分重要的一項(xiàng)保護(hù)。與雙頻式發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)相比較，20 Hz注入式定子接地保護(hù)原理新穎，能夠獨(dú)立實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子100%接地保護(hù)，且對發(fā)電機(jī)定子的絕緣水平下降起到監(jiān)測作用，因而得到廣泛應(yīng)用。本文介紹的20Hz注入式定子接地保護(hù)，以其簡便的原理和優(yōu)越的性能，代表著發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)日后的發(fā)展方向。隨著20 Hz注入式定子接地保護(hù)在大容量機(jī)組中被逐漸廣泛應(yīng)用，其保護(hù)裝置的可靠性、速動性、選擇性和靈敏性也將經(jīng)受考驗(yàn)。

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段世肖（1988-），男，工程師，從事抽水蓄能電站運(yùn)維工作。

TM774

B

1672-5387（2015）11-0032-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2015.11.012

2015-07-31