陳佳勝，張琦雪，郭自剛，王 光，陳 俊

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

根據(jù)中電聯(lián)發(fā)布的《2014年上半年全國電力供需形勢分析預(yù)測報告》，截至2014年6月底，我國核電機組裝機容量1.778×104MW、裝機容量不超過全國總裝機容量的2%，與世界上核電發(fā)達國家的裝機容量平均水平17%相差甚遠；近年來隨著環(huán)境惡化，霧霾頻發(fā)，核能發(fā)電作為一種成熟可靠的清潔能源，也迎來了加速發(fā)展的契機。

當(dāng)前1000 MW級特大型機組已成為核電站的主流機型，其具有單機容量大、造價昂貴、定轉(zhuǎn)子額定電壓高、軸向長度與直徑之比增大、電機設(shè)計參數(shù)裕度小等特點，要求繼電保護更靈敏快速地切除故障，以保障核電機組的安全穩(wěn)定運行。

注入式定子接地保護可在未加勵磁或靜止?fàn)顟B(tài)下提供對發(fā)電機定子繞組的絕緣監(jiān)測；定子繞組任意位置接地時具有一致的高靈敏度，保護范圍為100%定子繞組；注入信號頻率為低頻，與工頻及3次諧波頻率有明顯差異，不受發(fā)電機本體電氣頻率的影響［1-3］；因此，注入式原理的定子接地保護在大型核電機組上得到了廣泛應(yīng)用。

近年來在特大型核電機組上也出現(xiàn)了一些特殊情況，需要對注入式定子接地保護進行適應(yīng)性研究。如核電機組主變低壓側(cè)一般經(jīng)過接地變接地，在發(fā)電機并網(wǎng)前后，系統(tǒng)分別具備單個和2個接地點，導(dǎo)致常規(guī)注入式定子接地保護測量電阻值發(fā)生變化；核電機組并網(wǎng)前后，如果發(fā)電機一次系統(tǒng)3次諧波零序電壓變化較大，會導(dǎo)致注入式定子接地保護電阻測量出現(xiàn)較大偏差，嚴(yán)重時甚至?xí)咏鼒缶怠?/p>

為此，本文對核電機組應(yīng)用注入式定子接地保護的若干問題進行探討。

1 單雙接地點切換的計算模型

對于1000 MW核電機組，如浙江方家山、福建福清核電站，其一次系統(tǒng)具有2個接地點：發(fā)電機中性點經(jīng)接地變接地；考慮到核電站存在長期倒送電運行工況，為限制此運行方式下接地重燃弧過電壓，主變低壓側(cè)多經(jīng)配電變接地，副邊并聯(lián)有電阻。在發(fā)電機并網(wǎng)運行時，有2個接地點；當(dāng)發(fā)電機機端斷路器（GCB）斷開，發(fā)電機獨立運行時，只有1個接地點，具體如圖1所示。

圖1 核電機組發(fā)變組單元主接線圖Fig.1 Main wiring diagram of generator-transformer unit for nuclear power generator

常規(guī)注入式定子接地保護按照機組只有1個接地點的情況進行補償和計算，在單、雙接地點切換過程中，計算的接地電阻差異很大，可能導(dǎo)致保護誤報警。為此，本文提出建立新的注入式定子接地保護等效計算模型，該模型能夠適應(yīng)工況變化，進行多參數(shù)補償，自動切換其電阻計算模型，確保各種工況下均獲得較高的計算精度。

注入式定子接地保護等效電路圖如圖2所示。圖中，Rn1為發(fā)電機中性點接地變副邊并聯(lián)電阻，Rn2為主變低壓側(cè)接地電阻；RE為定子繞組對地電阻值；UG0為注入的20 Hz低頻電壓信號；IG0為注入的低頻電流信號；N為發(fā)電機中性點接地變的變比。在GCB斷開的情況下，注入式定子接地保護計算出的電阻只包含RE；在GCB閉合的情況下，計算出的電阻包含RE和Rn22個部分。因此注入式定子接地保護計算模型在單、雙接地點切換前后是不同的，需要根據(jù)不同工況下不同的零序回路進行切換。

圖2 單雙接地系統(tǒng)注入式定子接地保護等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit of injection-type stator grounding protection for system with single-dual point grounding

當(dāng)GCB斷開時，電阻計算公式如式（1）所示。

當(dāng)GCB閉合時，電阻計算公式如式（2）所示。

其中，R′E為根據(jù)GCB閉合時測量得到的20 Hz電壓、電流計算出的電阻測量值。

新計算模型根據(jù)GCB的通斷狀態(tài)，結(jié)合電流判據(jù)，可自動適應(yīng)大型核電機組單、雙接地系統(tǒng)的切換。

某1000 MW級核電機組，主變低壓側(cè)接地位置在廠變高壓側(cè)（單相配電變接地），并聯(lián)電阻為1.44 Ω，折算到原邊，則有：

根據(jù)上式分析不進行單、雙接地點切換時接地電阻測量值的差異，結(jié)果如表1所示。

表1 接地電阻測量值Table 1 Measured grounding resistances kΩ

由表1可見，Rn2的存在導(dǎo)致并網(wǎng)運行狀態(tài)下，接地電阻測量值出現(xiàn)明顯偏差；在RE=1 kΩ時負(fù)偏差為-0.566 kΩ，且偏差程度隨著RE的增大逐漸增大，RE=20 kΩ時負(fù)偏差達到-19.26 kΩ，嚴(yán)重影響了注入式定子接地保護的正常運行。

因此，采用單、雙接地點切換的計算模型，提高了注入式定子接地保護電阻測量的精度。

2 分段相角補償方法

2.1 注入低頻信號相角變化機理

如圖2所示，保護裝置檢測的UG0和IG0含有多種頻率分量，靜止時刻只含有20 Hz信號；發(fā)電機正常運行時，除了注入20 Hz信號外，還有發(fā)電機本體產(chǎn)生的50 Hz及150 Hz信號。某1000 MW級核電機組在并網(wǎng)前后，注入低頻信號相角發(fā)生明顯的偏移，并網(wǎng)前相角為270°，并網(wǎng)后相角突變到280°，導(dǎo)致正常情況下的電阻值大幅下降，縮小了接地電阻的測量范圍，影響保護正常運行。

根據(jù)注入式定子接地電阻計算公式，假定20 Hz電壓、電流信號的幅值不變，僅相角發(fā)生變化，電阻折算系數(shù)為5，則接地電阻測量值的變化情況見表2。

表2 不同相角下的接地電阻測量值Table 2 Measured grounding resistances for different phase angles

由表2可見，當(dāng)相角在270°附近變化時，較小的角度偏移也會導(dǎo)致接地電阻測量值的大幅度變化，如從269°變化到260°時，接地電阻測量值相差接近10倍，可能接近電阻報警定值，導(dǎo)致不正確報警。

發(fā)電機機端發(fā)生金屬性單相接地故障時，流過接地變副邊電阻上的工頻電流有幾百安培，因此其中間電流互感器的變比一般選得較大；而注入20 Hz電源功率有限，一般不超過100 V·A，短路時輸出的20Hz電流在3A左右。對于中間電流互感器而言，20Hz信號太小，僅相當(dāng)于其額定值的0.5%，落在其傳變特性的起始段，傳變誤差呈現(xiàn)出非線性的特點。中間電流互感器工作點的位置不同，20Hz信號相角誤差也不同。

前文所述的1000 MW核電機組在GCB斷開和閉合時，發(fā)電機機端電容參數(shù)發(fā)生明顯變化（由0.44 μF變化到0.70 μF），導(dǎo)致機端和中性點3次諧波電壓的分配發(fā)生變化，進而引起接地變副邊3次諧波電流的變化，中間電流互感器的工作點發(fā)生變動，其20Hz電壓、電流間的相角偏移了10°。

為驗證3次諧波電流對中間電流互感器傳變特性的影響，筆者采用若干只中間電流互感器進行試驗得出如下結(jié)論：①中間電流互感器傳變20 Hz小信號時處于其非線性區(qū)，當(dāng)流過3次諧波電流，導(dǎo)致其工作點變動后，相角和幅值誤差均發(fā)生變化，其中相角誤差明顯；②中間電流互感器的小信號傳變特性和物理安裝位置關(guān)系不大。

因此，發(fā)電機在不同工況下，因為流過不同的3次諧波電流，使得20Hz信號相角誤差不再是一個固定值。傳統(tǒng)計算模型中默認(rèn)其相角誤差固定，通過唯一的相角補償定值進行修正，在上述情況下其對地絕緣電阻計算誤差大，影響保護的正確運行。

2.2 分段相角補償方法

根據(jù)前文分析和中間電流互感器特性試驗的結(jié)果，可知中間電流互感器在不同工作點，對于固定幅值和相角的低頻信號的傳變誤差為非線性，為提高精度，可采用數(shù)學(xué)方法進行擬合［4］。

在發(fā)電機啟動前，通過靜態(tài)試驗的方法獲取中間電流互感器的相角傳變誤差值，該數(shù)據(jù)在坐標(biāo)軸上為一系列的離散點，如圖3中*點所示。

圖3 中間電流互感器相角傳變誤差及線性插值Fig.3 Phase deviation of intermediate CT and linear interpolation

常規(guī)處理方法：用一系列直線將離散的*點連接起來，如圖3中的實線所示。當(dāng)離散數(shù)據(jù)點足夠密集時，該方法得到的結(jié)果會逼近真實結(jié)果。但是工程上無法提供足夠數(shù)據(jù)，保護實現(xiàn)上也較困難。

在原始數(shù)據(jù)有限的情況下，為提高精度，可以考慮采用拉格朗日插值法。

分段拉格朗日插值的結(jié)果如圖3中的虛線所示，分成2段進行擬合。擬合曲線在全局范圍內(nèi)與離散數(shù)據(jù)點較吻合，且運算量小，便于程序?qū)崿F(xiàn)。分的段數(shù)越多，則擬合結(jié)果越接近真實值，相應(yīng)的計算量也會增大。

3 其他問題及工程應(yīng)用

3.1 注入電源回路異常監(jiān)視

工程實際中，注入電源回路可能發(fā)生異常，如電流回路斷線、電壓回路短路等，根據(jù)式（1）和式（2）可知，如果程序不進行特別處理，則計算出的對地絕緣電阻可能錯誤，從而導(dǎo)致保護不正確動作。

現(xiàn)有注入式定子接地保護均具有電源回路異常報警功能，并瞬時閉鎖接地電阻判據(jù)，電源回路恢復(fù)正常后該報警延時返回并重新開放接地電阻判據(jù)。常見注入回路異常判別邏輯有2種①南京南瑞繼保電氣有限公司.RCS-985發(fā)電機注入式定子轉(zhuǎn)子接地保護技術(shù)和使用說明書.2007.，②西門子電氣有限公司.多功能發(fā)電機／電動機／變壓器保護7UM62.2002.。

a.注入低頻電流和注入低頻電壓同時低于門檻，報注入回路異常，如式（3）所示。

其中，UG0和IG0分別為UG0和IG0的幅值；UG0set和IG0set分別為注入低頻電壓、電流門檻值。

b.注入低頻電流或注入低頻電壓低于門檻，報注入回路異常，如式（4）所示。

采用式（3）所示判別邏輯時，因電源回路異常判別過于嚴(yán)格，在注入低頻回路電流斷線或電壓短路情況下，容易出現(xiàn)誤動作，近年來的現(xiàn)場動作案例也多次驗證了這一點。

采用式（4）所示判別邏輯時，因為考慮到了注入低頻回路電流斷線或電壓短路等情況，不易因回路的故障誤動；但也存在因注入電源回路故障條件易于滿足而導(dǎo)致拒動風(fēng)險增大的問題，但是考慮到注入式定子接地保護具備接地電流后備段，即使暫時閉鎖接地電阻段，接地電流段也能正常動作。

綜上所述，注入電源回路異常判據(jù)采用式（4）的判別邏輯是合理的。

當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重的單相接地短路故障，如機端開口三角零序電壓值大于20 V時，宜自動解除注入電源回路異常閉鎖，以利于保護的快速動作。

3.2 特殊故障類型的動作行為

采用雙重化原則配置的發(fā)電機保護，一般A套配置基波零序電壓+3次諧波零序電壓原理定子接地保護，B套配置注入式定子接地保護。定子接地故障發(fā)生時，2套保護均應(yīng)動作，并可根據(jù)計算出的過渡電阻值結(jié)合基波零序電壓大小，計算出故障位置［5］；但在某些特殊故障類型下，雙重化配置的定子接地保護可能出現(xiàn)動作不一致的情況，不能一概而論。

例如某1000 MW級機組，曾經(jīng)出現(xiàn)過A套基波零序電壓動作而B套注入式定子接地電阻基本不變化的情況［6］。事故停機后對發(fā)電機定子繞組及封閉母線、機端電壓互感器等附屬設(shè)備絕緣進行檢查，均未發(fā)現(xiàn)異常。重新開機后，緩慢升壓到30%額定電壓時，發(fā)電機定子接地零序電壓持續(xù)報警，注入式定子接地保護未啟動，接地電阻測量值依然為30 kΩ。經(jīng)過逐段排查，最終發(fā)現(xiàn)GCB近發(fā)電機側(cè)C相電容器電解液泄漏，電容量和A、B相相差5倍，導(dǎo)致定子三相對地等效電容不對稱，中性點零序電壓產(chǎn)生偏移，“誤”發(fā)定子接地信號；注入式定子接地保護測量對象為定子繞組對地絕緣電阻，不受中性點零序電壓偏移影響，對地絕緣電阻沒有下降，因此注入式定子接地保護未啟動。

又如某660 MW機組在停機檢修結(jié)束，重新開機運行一段時刻后，注入式定子接地保護動作而基波零序電壓和3次諧波零序電壓無變化。原因是發(fā)電機定子繞組冷卻水臟污或配方有問題，導(dǎo)致對地絕緣降低，更換過定子冷卻水后，注入式定子接地測量對地電阻恢復(fù)正常。

因此，當(dāng)不同原理的定子接地保護出現(xiàn)動作行為不一致時，不應(yīng)簡單判定為保護誤動或拒動，應(yīng)具體問題具體分析；同時還可利用兩者動作行為的差異，為故障快速定位提供參考。

4 工程應(yīng)用情況

綜合應(yīng)用前述技術(shù)的注入式定子接地保護，在某1000 MW級核電機組上的電阻測量數(shù)據(jù)如表3所示。由表3可見，測量電阻誤差能控制在±5%以內(nèi)，保證了注入式定子接地的正?？煽窟\行。

表3 并網(wǎng)前后接地電阻測量數(shù)據(jù)Table 3 Measured grounding resistances，before and after grid-connection

5 結(jié)論

本文根據(jù)特大型核電機組特點，結(jié)合注入式定子接地保護的應(yīng)用，提出了單雙接地點切換的計算模型和分段相角補償?shù)姆椒?，提高了各種工況下注入式定子接地保護的接地電阻計算精度。應(yīng)用本文方法的核電機組注入式定子接地保護已在現(xiàn)場應(yīng)用多年，其可靠性相比常規(guī)注入式定子接地保護有較大提升。本文還簡要分析了注入電源回路異常判別的邏輯，以及特殊故障情況下注入式定子接地保護的動作行為，從完善保護功能和故障分析角度提出建議。

參考文獻：

［1］邰能靈，尹項根，胡玉峰.注入式定子單相接地保護的應(yīng)用分析［J］. 繼電器，2000，28（6）：15-17.TAI Nengling，YIN Xianggen，HU Yufeng.Analysis and application ofinjection voltage scheme againstgenerator stator ground faults［J］.Relay，2000，28（6）：15-17.

［2］兀鵬越，陳飛文，黃旭鵬，等.1036 MW機組注入式定子接地保護調(diào)試及動作分析［J］. 電力自動化設(shè)備，2011，31（3）：147-150.WU Pengyue，CHEN Feiwen，HUANG Xupeng，etal.Commissioning and operational analysis of voltage-injection stator grounding protection for 1036 MW unit［J］.Electric Power Automation Equipment，2011，31（3）：147-150.

［3］劉亞東，王增平，蘇毅，等.注入式定子接地保護的現(xiàn)場試驗，整定和分析［J］. 電力自動化設(shè)備，2012，32（10）：150-154.LIU Yadong，WANG Zengping，SU Yi，et al.Field test，setting and analysis of injecting source-based stator grounding protection［J］.Electric Power Automation Equipment，2012，32（10）：150-154.

［4］陳佳勝，張琦雪，陳俊.基于動態(tài)相角補償?shù)淖⑷胧蕉ㄗ咏拥乇Ｗo［C］∥第20屆亞太電協(xié)供電工業(yè)會議（CEPSI 2014）.韓國，濟州：亞太電協(xié)，2014：1-5.CHEN Jiasheng，ZHANG Qixue，CHEN Jun.Thestatorearth fault protection with voltage injection based on dynamic phase compensation［C］∥CEPSI 2014.Jeju，Korea：the Asia Pacific Power Association，2014：1-5.

［5］畢大強，王祥瑜，李德佳，等.發(fā)電機定子繞組單相接地故障的定位方法［J］. 電力系統(tǒng)自動化，2004，28（22）：55-57.BI Daqiang，WANG Xiangyu，LI Dejia，et al.Location detection forthe statorsingle-phase ground faultofa generator［J］.Automation of Electric Power Systems，2004，28（22）：55-57.

［6］陳飛文，兀鵬越，陳佳佳，等.發(fā)電機外部“定子接地”故障分析及處理［J］. 電氣技術(shù)，2013，14（11）：56-59.CHEN Feiwen，WU Pengyue，CHEN Jiajia，et al.Analysis and treatment of generator external “stator grounding” ［J］.Electrical Engineering，2013，14（11）：56-59.