李華忠，童 松，王 耀，徐 金，張琦雪，王 光，陳 俊，3

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇省南京市 2111021；2.國(guó)電大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川省漢源縣 625304；3.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇省南京市 210096）

0 引言

定子繞組單相接地是發(fā)電機(jī)常見的電氣故障之一，目前常用的定子接地保護(hù)原理包括基波零序電壓原理、基波零序電流原理、三次諧波電壓原理和注入式原理[1]，均已在現(xiàn)場(chǎng)得到成熟應(yīng)用。但上述原理對(duì)于擴(kuò)大單元接線方式的發(fā)電機(jī)組，均存在無(wú)選擇性或選擇性差的問題，即任一臺(tái)發(fā)電機(jī)發(fā)生定子接地故障時(shí)，所有并列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)均將動(dòng)作，存在事故范圍擴(kuò)大、無(wú)法及時(shí)故障定位、排查故障耗時(shí)長(zhǎng)等問題。

針對(duì)上述問題，文獻(xiàn)[2-3]提出了基于零序方向元件的定子接地保護(hù)原理，并在機(jī)端電纜出線方式機(jī)組上得到了很好應(yīng)用。但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，用于測(cè)量發(fā)電機(jī)機(jī)端基波零序電流的穿心型電磁式電流互感器（CT）存在以下問題：①電磁式CT選型難。對(duì)于擴(kuò)大單元接線發(fā)電機(jī)一次額定電流值一般為幾百至幾千安培，而接地零序電流一次值往往小于十安培，需在大負(fù)載電流中識(shí)別小零序電流，對(duì)于常規(guī)電磁式CT具有很大挑戰(zhàn)，存在CT繞組匝數(shù)少、漏磁通大、精度差等問題。②當(dāng)機(jī)端三相導(dǎo)體不規(guī)則排布時(shí)，如三相銅排平行出線，保護(hù)裝置會(huì)檢測(cè)到由導(dǎo)體空間磁場(chǎng)不對(duì)稱引起的“虛假”零序電流[2]，該電流越大對(duì)保護(hù)性能影響越大。③對(duì)安裝空間要求高。當(dāng)機(jī)端安裝空間較小，如機(jī)端為三相共相封閉母線時(shí)，或機(jī)端出線相間間距較大，如四川深溪溝電站機(jī)端銅排AC相間距離60cm，均存在難以或無(wú)法安裝常規(guī)電磁式CT的問題。上述問題均限制了選擇性定子接地保護(hù)推廣及應(yīng)用，亟待解決。

本文提出基于柔性光學(xué)CT的選擇性定子接地保護(hù)方案，分析定子區(qū)內(nèi)、區(qū)外接地故障時(shí)電氣量特征，形成定子基波零序方向保護(hù)判據(jù)，并總結(jié)了保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。經(jīng)靜態(tài)與現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)驗(yàn)證，該方法能準(zhǔn)確測(cè)量零序小電流，不易受三相導(dǎo)體不規(guī)則排布影響，解決傳統(tǒng)電磁式CT難以測(cè)量零序小電流、對(duì)安裝空間要求高等問題。

1 基于柔性光學(xué)CT的保護(hù)原理

1.1 保護(hù)方案

將柔性光學(xué)CT制成一次傳感光纜形式，繞制在發(fā)電機(jī)機(jī)端三相導(dǎo)體外，測(cè)量發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電流，采集單元將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后送至保護(hù)裝置，與保護(hù)裝置采集的機(jī)端零序電壓構(gòu)成零序方向元件，實(shí)現(xiàn)選擇性定子接地保護(hù)，如圖1，“兩機(jī)一變”擴(kuò)大單元接線下基于柔性光學(xué)CT的選擇性定子接地保護(hù)示意圖。

柔性全光纖電流互感器（FOCT）[4-6]采用光導(dǎo)纖維感應(yīng)被測(cè)電流信息，一次傳感部分（環(huán)）由光纖組成，具有絕緣簡(jiǎn)單可靠、體積小、重量輕、無(wú)磁飽和、暫態(tài)特性好、動(dòng)態(tài)范圍大、頻率響應(yīng)寬等特點(diǎn)。另外，由于一次傳感環(huán)可根據(jù)導(dǎo)體空間位置、形狀等特點(diǎn)，任意彎曲，且支持現(xiàn)場(chǎng)繞制，能夠在狹小空間實(shí)現(xiàn)安裝，具有安裝和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 基于柔性光學(xué)CT的選擇性定子接地保護(hù)示意圖Figure 1 Diagram of selective stator-grounding protection based on FOCT

1.2 定子接地故障電氣量特征分析

以上述保護(hù)方案為例，分析擴(kuò)大單元接線發(fā)電機(jī)定子區(qū)內(nèi)、區(qū)外單相接地故障時(shí)電氣量特征[1]。其中，區(qū)內(nèi)、區(qū)外接地故障以柔性光學(xué)CT安裝處為邊界點(diǎn)。

為便于分析，假設(shè)每臺(tái)發(fā)電機(jī)的容量、定子繞組對(duì)地電容、機(jī)端電纜對(duì)地電容、接地變壓器的變比及其二次負(fù)載電阻值均相同，發(fā)電機(jī)定子繞組每相對(duì)地電容為Cg，機(jī)端電纜或銅排每相對(duì)地電容為Cl（含并接在機(jī)端斷路器兩側(cè)抑制過電壓的電容），母線每相對(duì)地等效電容為CB，忽略主變低壓側(cè)等其他設(shè)備對(duì)地電容，接地變二次負(fù)載電阻為Rn，接地變壓器變比為N，接地變壓器二次負(fù)載電阻折算到一次側(cè)的阻值為RN=N2·Rn。

1.2.1 發(fā)電機(jī)定子區(qū)內(nèi)單相接地故障

假設(shè)圖1中G1發(fā)電機(jī)發(fā)生定子區(qū)內(nèi)單相接地故障，接地故障點(diǎn)位于定子繞組A相距中性點(diǎn)α處，接地過渡電阻為Rf，定子繞組的對(duì)地電容分布均等效地以各0.5Cg集中于發(fā)電機(jī)機(jī)端和中性點(diǎn)，其零序等值電路如圖2所示，分析過程中，忽略了接地變壓器的漏阻抗和勵(lì)磁阻抗，所有電流、電壓均為工頻分量一次值。

圖2 G1發(fā)電機(jī)區(qū)內(nèi)定子單相接地故障時(shí)的零序等值電路Figure 2 Zero-sequence equivalent circuit for stator singlephase ground fault in generator interior

（1）只有一臺(tái)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行（QF1處于合閘狀態(tài)，QF2處于斷開狀態(tài)），發(fā)電機(jī)定子區(qū)內(nèi)單相接地故障時(shí)，機(jī)端零序電流表達(dá)式為：

由式（1）可知，此時(shí)零序電流超前零序電壓90°。

（2）兩臺(tái)發(fā)電機(jī)均并網(wǎng)運(yùn)行（QF1和QF2均處于合閘狀態(tài)），G1發(fā)電機(jī)定子區(qū)內(nèi)單相接地故障時(shí)，機(jī)端零序電流表達(dá)式為：

由式（2）結(jié)合接地變壓器二次負(fù)載電阻的設(shè)計(jì)原則[1]可知，此時(shí)發(fā)電機(jī)區(qū)內(nèi)單相接地故障，零序電流超前零序電壓45°。

1.2.2 發(fā)電機(jī)定子區(qū)外單相接地故障

當(dāng)G1發(fā)電機(jī)定子區(qū)外單相接地故障，如故障點(diǎn)在機(jī)端母線或G2發(fā)電機(jī)內(nèi)部，其零序等值電路如圖3所示。

圖3 G1發(fā)電機(jī)區(qū)外定子單相接地故障時(shí)的零序等值電路Figure 3 Zero-sequence equivalent circuit for stator single-phase ground fault outside generator area

由圖3可得G1發(fā)電機(jī)定子區(qū)外單相接地故障時(shí)，流過G1發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電流的表達(dá)式為：

由式（3）可知，此時(shí)發(fā)電機(jī)定子區(qū)外單相接地故障時(shí)，零序電流滯后零序電壓135°。

1.2.3 小結(jié)

當(dāng)發(fā)電機(jī)定子區(qū)內(nèi)單相接地故障時(shí)，零序電流超前零序電壓，角度在（0°～90°）；當(dāng)發(fā)電機(jī)定子區(qū)外單相接地故障時(shí)，零序電流滯后零序電壓，角度在（90°～180°）。因此可采用機(jī)端零序電流與零序電壓的相角差用于區(qū)分定子區(qū)內(nèi)或區(qū)外接地故障。對(duì)于“三機(jī)一變”機(jī)組也可采用類似分析方法，不再贅述。

1.3 選擇性定子接地保護(hù)判據(jù)

根據(jù)上述定子單相接地故障電氣量特征分析，由機(jī)端零序電流與零序電壓構(gòu)成零序方向元件，采用其相角關(guān)系用于區(qū)分定子區(qū)內(nèi)、區(qū)外單相接地故障，保護(hù)判據(jù)如圖4所示。

圖4 基于柔性光學(xué)CT的選擇性定子接地保護(hù)邏輯圖Figure 4 Logic of selective stator ground fault protection based on FOCT

其中，θset1、θset2為邊界角度定值，U0為發(fā)電機(jī)機(jī)端或中性點(diǎn)零序電壓實(shí)測(cè)值，U0set為零序電壓定值[7-8]。條件1：當(dāng)機(jī)端零序電流與零序電壓的相角差在邊界角度定值范圍內(nèi)時(shí)，零序方向元件開放，判為定子區(qū)內(nèi)單相接地故障；條件2：當(dāng)機(jī)端或中性點(diǎn)基波零序電壓測(cè)量值大于U0set定值時(shí)，定子接地保護(hù)啟動(dòng)。當(dāng)上述條件1和條件2均滿足時(shí)，定子接地保護(hù)I時(shí)限經(jīng)延時(shí)1動(dòng)作。此外，考慮接地故障點(diǎn)發(fā)生在各發(fā)電機(jī)區(qū)外時(shí)，如機(jī)端母線，零序方向元件均不開放，有必要增加固定不經(jīng)方向閉鎖的定子接地保護(hù)II時(shí)限，經(jīng)長(zhǎng)延時(shí)2動(dòng)作，延時(shí)2定值大于延時(shí)1定值，時(shí)間級(jí)差取0.3～1s。

根據(jù)零序方向元件開放條件畫出動(dòng)作特性圖，如圖5所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 全光學(xué)CT的小電流采樣技術(shù)

柔性全光纖電流互感器基于Faraday磁光效應(yīng)原理，采用光纖反射式互易干涉等技術(shù)實(shí)現(xiàn)旋光角大小檢測(cè)，進(jìn)而測(cè)量產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流大小[9-12]，該技術(shù)已在高壓直流輸電系統(tǒng)和電網(wǎng)變電站中得到成熟應(yīng)用，但其電流測(cè)量范圍一般為幾百安培至幾萬(wàn)安培，而對(duì)于一次值僅為（0.5～10）安培的零序小電流測(cè)量，至今尚未有成熟應(yīng)用。

根據(jù)安培環(huán)路定理，法拉第旋光角φ與穿過傳感光纖環(huán)內(nèi)的電流I的關(guān)系式為[13]：

式中，V為光學(xué)介質(zhì)的Verdet常數(shù)，表示單位磁場(chǎng)產(chǎn)生的旋光角；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；l為光在介質(zhì)中傳播的距離；NL為圍繞通流導(dǎo)體閉合光路的圈數(shù)；I為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流。如式（4）可知，旋光角φ與傳感光纖中通過電流I成正比關(guān)系，當(dāng)電流I很小時(shí)，對(duì)應(yīng)旋光角也很小，檢測(cè)模塊難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量。

考慮旋光角φ與光纖Verdet常數(shù)及光纖環(huán)匝數(shù)成正比關(guān)系，在柔性光學(xué)CT設(shè)計(jì)時(shí)可通過合理設(shè)計(jì)Verdet常數(shù)和傳感光纖環(huán)匝數(shù)等環(huán)節(jié)，提高柔性光學(xué)CT的小電流測(cè)量能力，方法如下：

（1）選擇Verdet常數(shù)相對(duì)較大的傳感材料，如采用高雙折射石英光纖。

（2）考慮Verdet常數(shù)與光源波長(zhǎng)平方的倒數(shù)成正比[14]，因此可通過降低光源波長(zhǎng)方式以增加verdet常數(shù)，將波長(zhǎng)從1550nm降至850nm，可有效增加傳感材料的verdet常數(shù)。

（3）適當(dāng)增加光纖傳感環(huán)匝數(shù)，但需注意隨著光纖環(huán)匝數(shù)和長(zhǎng)度增加，光纖中的彎曲和應(yīng)力也增加，造成光纖中的線性雙折射累積，也會(huì)對(duì)光學(xué)CT測(cè)量靈敏度產(chǎn)生不利的影響。

（4）設(shè)計(jì)帶通濾波器，僅提取工頻附近頻段信號(hào)，同時(shí)將采樣點(diǎn)進(jìn)行多點(diǎn)平均后再輸出，以減少數(shù)據(jù)波動(dòng)。

采用上述措施能使得旋光角信號(hào)更加明顯，提高光學(xué)CT對(duì)小電流測(cè)量的能力。但由于光學(xué)CT檢測(cè)到的信號(hào)是旋光角的sin函數(shù)，因此需保證旋光角不超過±90°，否則會(huì)超出sin函數(shù)的單調(diào)區(qū)間，造成電流解析錯(cuò)誤，在設(shè)計(jì)時(shí)需兼顧測(cè)量精度和動(dòng)態(tài)范圍要求。

2.2 線性雙折射抑制技術(shù)

根據(jù)理論分析和試驗(yàn)表明，傳感光纖中存在的雙折射會(huì)對(duì)柔性光學(xué)CT的精度產(chǎn)生較大影響[15-16]。溫度或應(yīng)力的變化均會(huì)引起傳感光纖中的線性雙折射變化，影響柔性光學(xué)CT的測(cè)量精度。由于發(fā)電機(jī)機(jī)端柔性光學(xué)CT一般安裝在室內(nèi)，溫度相對(duì)較好，重點(diǎn)考慮現(xiàn)場(chǎng)繞制時(shí)，由傳感光纖彎曲和形變引入的線性雙折射對(duì)光纖傳感環(huán)性能產(chǎn)生的不利影響，應(yīng)采取相應(yīng)的抑制措施。

本文針對(duì)線性雙折射影響采用的抑制方法，選用旋轉(zhuǎn)高雙折射（Spun Hi-bi）光纖[17]，制作時(shí)將領(lǐng)結(jié)型（Bow-tie）或熊貓型（Panda）等高雙折射光纖預(yù)制棒在拉絲的同時(shí)進(jìn)行高速同軸旋轉(zhuǎn)，使光纖的雙折射軸有內(nèi)在的旋轉(zhuǎn)，從而將光纖變成橢圓雙折射光纖，而且需根據(jù)光纖原有的線性雙折射，選擇合適的旋轉(zhuǎn)速率，使得光纖的橢圓偏振本征模接近圓偏振本征模，最終使得光纖對(duì)磁場(chǎng)響應(yīng)與理想圓雙折射相近。旋轉(zhuǎn)高雙折射光纖能兼顧高線性雙折射光纖的偏振保持特性和圓雙折射光纖的測(cè)量靈敏度，抑制線性雙折射影響，同時(shí)大大提高對(duì)小電流信號(hào)測(cè)量能力。

2.3 數(shù)據(jù)信號(hào)同步技術(shù)

零序方向元件由光學(xué)CT零序電流信號(hào)與常規(guī)電壓互感器零序電壓信號(hào)構(gòu)成。由于采集單元采樣頻率為2～8kHz，保護(hù)裝置直采常規(guī)電壓互感器信號(hào)采樣頻率為1.2kHz，存在采樣速率不同步問題。此外，采集單元與保護(hù)裝置間數(shù)據(jù)通信也帶有時(shí)延。因此為保證保護(hù)裝置采用同一時(shí)刻數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，須對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步處理。

為保證采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及可靠性，數(shù)據(jù)同步處理基于信號(hào)采樣值精準(zhǔn)的額定時(shí)延，而不依靠外部同步時(shí)鐘。對(duì)采集單元中光學(xué)CT信號(hào)進(jìn)行重采樣，采用插值法將其采樣頻率轉(zhuǎn)換為與保護(hù)裝置相同的采樣頻率。確定采集單元數(shù)據(jù)處理時(shí)延，以及與保護(hù)裝置數(shù)據(jù)通信時(shí)延，并將額定時(shí)延告知保護(hù)裝置，并盡量保證輸出SV報(bào)文為等間隔。保護(hù)裝置根據(jù)額定時(shí)延調(diào)整光CT信號(hào)與常規(guī)電壓互感器信號(hào)時(shí)差，保證為同一時(shí)刻數(shù)據(jù)。

另外，要求采樣單元輸出數(shù)據(jù)帶有品質(zhì)標(biāo)識(shí)，當(dāng)光學(xué)CT輸出采樣值無(wú)效時(shí)，保護(hù)裝置則閉鎖零序方向元件判別，同時(shí)發(fā)出裝置報(bào)警信號(hào)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證柔性光學(xué)CT工程應(yīng)用的可行性，研制了基于柔性光學(xué)CT的選擇性定子接地保護(hù)系統(tǒng)，分別進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)模擬接地試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 靜態(tài)試驗(yàn)

搭建靜態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)，將“跑道型”柔性光學(xué)CT傳感環(huán)繞制在三相平行排布導(dǎo)體外，分別對(duì)三相導(dǎo)體進(jìn)行分散與集中布置，其中分散時(shí)AB、BC導(dǎo)體間距均為20cm，集中時(shí)AB、BC導(dǎo)體間距均為5cm。如圖6所示，采用繼保測(cè)試儀通入不同數(shù)值的電流，相位相差120°，實(shí)測(cè)零序電流大小，記錄數(shù)據(jù)如表1所示。

圖6 基于柔性光學(xué)CT的選擇性定子接地保護(hù)靜態(tài)試驗(yàn)接線圖Figure 6 Static test wiring diagram of selective stator-grounding protection based on FOCT

表1 靜態(tài)試驗(yàn)記錄Table 1 Static test record

從上述靜態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，當(dāng)三相導(dǎo)體分散或集中布置時(shí)，對(duì)柔性光學(xué)CT測(cè)量精度影響不大，測(cè)量誤差均小于2.5%，能滿足保護(hù)裝置功能要求。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在四川深溪溝電站“兩機(jī)一變”擴(kuò)大單元接線機(jī)組上安裝基于柔性光學(xué)CT的選擇性定子接地保護(hù)系統(tǒng)，并進(jìn)行模擬接地試驗(yàn)，驗(yàn)證保護(hù)性能，試驗(yàn)接線參考圖1所示。

機(jī)組設(shè)備參數(shù)：發(fā)電機(jī)G1（G2）容量為165MW，功率因數(shù)為0.9，機(jī)端額定電壓為15.75kV，發(fā)電機(jī)接地變壓器的變比：15.75kV/0.35kV，二次負(fù)載電阻Rn=0.5Ω，柔性光學(xué)CT測(cè)量機(jī)端零序電流一次值，在機(jī)端斷路器QF1與柔性光學(xué)CT之間設(shè)置A相單相接地故障點(diǎn)K1，即為定子區(qū)外接地故障。

設(shè)置定子接地零序電壓定值為5V，動(dòng)作區(qū)角度為（-45°～135°），如圖5所示。I時(shí)限整定為0.5s，II時(shí)限整定為1s，保護(hù)動(dòng)作于報(bào)警和跳閘。

（1）G1發(fā)電機(jī)處于解列狀態(tài)，零起升壓至5%發(fā)電機(jī)額定電壓，模擬G1發(fā)電機(jī)機(jī)端A相K1點(diǎn)單相金屬性接地故障，記錄試驗(yàn)波形。

由圖7可見，A相定子區(qū)外接地故障時(shí)刻，A相電壓為0V（二次值，下同），B、C相電壓為5.5V，零序電壓為5.5V，實(shí)測(cè)機(jī)端零序電流一次值為0.52A，零序電流超前零序電壓226°，處于第三象限，為定子區(qū)外接地，保護(hù)I時(shí)限正確不動(dòng)作。

（2）機(jī)組額定負(fù)載運(yùn)行工況下，實(shí)測(cè)柔性光學(xué)CT不平衡零序電流值，記錄采樣數(shù)值及波形數(shù)據(jù)。

圖7 模擬發(fā)電機(jī)機(jī)端區(qū)外A相接地故障電氣量波形Figure 7 Waveforms of voltage and current for generator terminal phase-A ground fault outside

圖8 發(fā)電機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)電氣量波形Figure 8 Waveforms of voltage and current for generator full load operation

由圖8可見，發(fā)電機(jī)滿載工況運(yùn)行（負(fù)載電流一次值6700 A）時(shí)，實(shí)測(cè)不平衡零序電流一次值為0.15A，小于零起升壓至5%發(fā)電機(jī)額定電壓時(shí)接地零序電流一次值0.52A，完全滿足保護(hù)功能要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了基于柔性光學(xué)電流互感器的選擇性定子接地保護(hù)方案，分析定子區(qū)內(nèi)、區(qū)外接地故障的電氣量特征，形成了定子基波零序方向保護(hù)判據(jù)，總結(jié)了保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了保護(hù)系統(tǒng)。根據(jù)靜態(tài)與現(xiàn)場(chǎng)模擬接地試驗(yàn)，表明該方法能準(zhǔn)確測(cè)量零序小電流信號(hào)，不受三相導(dǎo)體不規(guī)則排布影響，且方便安裝，適用于機(jī)端硬導(dǎo)體或電纜出線方式。自2019年2月起，該原理已在四川深溪溝水電站4臺(tái)165 MW機(jī)組上先后投入使用，至今運(yùn)行情況良好。