橋鞏水電站定子接地保護無選擇性的整改

潘雪梅

廣西方元電力股份有限公司橋鞏水電站分公司，廣西來賓 546119

橋鞏水電站定子接地保護無選擇性的整改

潘雪梅

廣西方元電力股份有限公司橋鞏水電站分公司，廣西來賓 546119

本文介紹了橋鞏水電站發電機組定子接地保護無無選擇性的整改方案及試驗結果。采用機端電流計算零率功率作為零序功率方向元件，實現兩機一變擴大單元接線下的定子接地保護選擇。理論計算與試驗結果實現了整改的要求

橋鞏水電站；定子接地保護；誤動；選擇性；零序電流采樣

橋鞏水電站為紅水河第九個梯級電站，共安裝8臺57MW的燈泡貫流式機組，發電機及變壓器采用兩機一變擴大單元接線，為檢測單臺發電機定子線圈及出口短路故障，要求裝設帶選擇性的定子接地保護。該保護設計采用了綜合基波零序電壓、三次諧波零序電壓、零序功率方向等各判據的工作原理。要求帶選擇性的定子接地保護動作后，選擇性的跳故障發電機開關。但2009年6月發生了一起#3機組定子出口母排發生B相接地短路故障，但發電機定子接地保護未能實現選擇性跳發電機出口開關，而是同時跳開#3及#4機組的出口開關，因此原設計的發電機組定子接地保護動作未能實現選擇性，下面就定子接地保護無選擇性動作的原因進行分析，并提出整改方案。

1 無選擇性原因分析

1.1 橋鞏水電站定子接地保護設計方案

在橋鞏水電站發電機保護招標設計討論時，針對如何實現定子接地保護的選擇性，由橋鞏水電站業主與設計院，會同國內大學的有關專家進行了研討。研討后審定，兩機一變接線的定子接地保護，實現選擇性由零序功率方向作為判別故障元件，從而實現選擇性。保護原理為在中性點不接地電網發生單相接地故障時，存在全系統均存在零序電壓，在非故障元件上的電容性無功功率方向由母線流向非故障元件，而故障元件上的電容性無功功率方向由故障元件流向母線。因此利用零序功率方向可來判定發電機內部是否發生故障，且相對于零流電流保護，零序功率方向保護的靈敏度相對較高。因此橋鞏水電站在發電機保護招標時確定了以零序功率方向來實現接地保護的選擇性。

1.2 保護要求實現的功能

要求裝設對于二機一變接線的單臺發電機內部定子接地具有選擇性的保護。投標人應結合基波零序電壓、三次諧波零序電壓、零序功率方向角等給出適用于本工程并具有一定運行經驗的帶選擇性定子接地保護方案，要求基波零序三次諧波濾過比>100。

要求保護動作情況：

1）帶選擇性的定子接地保護

延時跳發電機出口斷路器、跳磁場斷路器、停機；

發事故信號。

2）中性點三次諧波電壓保護

延時發預告信號；

3）保護的技術參數要求

零序電壓定值范圍：5～20V，誤差不超過±2.5%；

三次諧波比率定值范圍：0.5～5，定值誤差±10%；

零序電流一次定值范圍：1～10A，誤差不超過±2.5%；

零序電流二次定值范圍：5～100mA，誤差不超過±2.5%；

時間元件定值范圍：0.1～10s，誤差不超過±1%。

1.3 實際運行存在的問題及對策：

1.3.1 問題1

由于定子接地電流很小，一般采用小變比的電流互感器。由于正常情況下零序不平衡電流相對較大，而發生故障時產生的故障零序電流又較小，給零序電流采樣帶來了很大的困難。采用變比小的電流互感器（以下簡稱TA）傳變精度就難以達到保護要求。對策1：就目前的國內市場而然,生產這種變比小的電流互感器的的時間較短，能夠成功生產出傳變精度較高，滿足保護要求的廠家不多，必須在采購階段預予保證。

1.3.2 問題2

保護投運時未能根據機組實際TA的特性及機組的不平衡電流來整定機序電流與機端3UO的相位角,因此保護雖然設定了選擇性保護,但確很難保證正確性。發生區內、區外故障時，如果零序電流變化較大，零序功率方向元件的正確性不容易得到保證。對策2：零序功率方向元件的選擇比較重要。通過比較，采用復合電流作為零序功率方向元件的測量電流時，電流變化較大，對正確性影響很大，常常不能保護正確性。要保證正確性，需根據實際現場TA及機端的電壓互感器（以下簡稱TV）來整定保護各數據，即采用機端電流作為零序功率方向元件的測量電流，這時，區內、區外故障時電流變化不大，較容易實現正確性。

2 定子接地保護整改方案

2.1 原理分析

圖1為兩機一并擴大單元接線方式。

圖1 擴大單元接線示意圖

假定圖1中發電機G1發生區內定子接地故障，故障點位于定子繞組A相距中性點α處，接地故障電阻為Rf,其等值電路如圖2所示。

圖2 發電機G1發生定子接地故障時等值電路

由圖2可知，零序電壓：

機端零序電流（通過TA1的零序電流）為：

式中，RN=N2Rn

一般系統中，為抑制間歇性的單相接地故障重燃弧引起的尖峰過電壓，接地變二次電阻Rn折算到一次側應滿足要求：RN≤1/(3ω(Cg+Cl+Cb)),結合（2）式可知，發電機區內發生接地故障時，零序電流應超前零序電壓0～45o。

當發生區外故障時，等效電路圖如圖3所示。

圖3 區外單相接地時零序等效電路

機端零序電流（通過TA1電流）：

由式（3）可知，發生區外單相接地故障時，零序電流滯后零序電壓135°～180°。

由式（2）可計算發電機區內故障時，零序電流超前零序電壓的角度為：φ=arctan(3ω(2Cl+Cg+Cb)RN),定義φ為零序方向元件的靈敏角。

由以上分析可知，采用機端電流可明確判斷發電機區內區外單相接地故障，滿足擴大單元接線發電機定子接地保護動作選擇性的要求。下面以某一算例分析說明。

2.2 算例分析

參數如下：

發電機定子單相接地電容Cg=0.791uf,機端引出電纜對地電容Cl=0.1088uf，機端電壓為13.8KV，接地變變比為13.8/0.23KV,接地變二次電阻為0.25Ω，機端TA變比為20/1。

設發電機G1機端發生A相金屬性接地短路故障，α=1，所有計算都歸算到一次側。

零序電壓 U0=13.8/1.732=7.9677 KV

接地變一次電阻 Rn=0.25*(13.8/0.23)*(13.8/0.23)=900 Ω

發電機G1機端零序電流為：

I0t1=U0*(1/Rn+j*3*ω*(2Cl+Cg))

=7967.7*(1/900+j*3*2*3.14*50*(2*0.1088+0.791)*10-6)

=8.85+j*7.57 （A）=11.64∠40.54°（A）

保護裝置測得電流：11.64∠40.54°/20=0.528∠40.54°（A）

發電機G1中性點零序電流：

I0n1=U0/Rn =7967.7/900 =8.85 （A）

I01= I0t1+ I0n1=19.25∠23.15°（A）

母線發生A相接地故障時（區外故障），G1機端零序電流：

I0t2=-U0*(1/Rn+j*ω*3Cg)

=-7967.7*(1/900+j*3*2*3.14*0.791*10-6)

=-8.85-j*5.94=10.658∠213.87°（A）

中性點零序電流：

I0n2=U0/Rn =7967.4/900=8.85 （A）

I02 = I0t2+ I0n2 =5.94∠-90°（A）

基波零序電壓式定子接地保護，保護范圍為由機端至機內90%，在靠近發電機G1中性點發生A相接地短路時，取零序電壓為U0’=0.1*7967.4=796.74 V,

發電機G1零序電流為 I0t1’=1.164∠40.54°（A）

保護裝置測得電流1.164∠40.54°/20=0.0528∠40.54°（A）

中性點零序電流為I0n1’=0.885 （A）

I01’= I0t1’+ I0n1’=1.925 ∠ 23.15°（A）

在靠近發電機G2中性點發生A相接地故障時，對G1而言為區外故障，其機端零序電流為I0t2’=1.0658∠213.87°（A）

中性點零序電流為I0n2’=0.885 （A）

I02’= I0t2’+ I0n2’=0.594 ∠ -90°（A）

由表1可以看出，在發生區內單相接地故障時，采用復合零序電流來計算零序功率時，零序電流幅值稍有增加，但在區外發生單相接地故障時，零序電流幅值大為減小，這對零序功率方向的判斷是不利的。采用機端電流計算零序功率方向時，區外區內故障零序電流的幅值大小變化不大，只要保護裝置TA的選型得當，完全可以滿足選擇性定子接地方案的要求。

表1 發電機發生接地故障時，采用機端零序電流和復合零序電流計算零序功率比較

2.3 擴大單元定子接地方案

1）將3U0設為兩段，3U0(t1)未經零序功率方向閉鎖，3U0(t2)經零序方向閉鎖，要求t1=t2+?t。

2）選擇機端零序電流和機端PT開口三角3U0計算零序功率。

3）三次諧波保護不變，即采用常規三次諧波保護。

2.4 試驗方案及結果

1）為保證接地試驗對發電機和電網不構成威脅，試驗在一臺未并網的發電機上進行。

2）在停機狀態下，在發電機的定子出線端設置單相接地點，模擬發電機區內單相接地故障，啟動機組至空載，手動投勵磁，遞升勵磁電流，觀察參數顯示界面3U0，3I0，P0顯示值，直到3Uo超過整定定值，檢驗保護動作行為。

3）在停機狀態下，在機端TA與斷路器之間或在機端出口母線設置單相接地點故障，模擬發電機區外單相接地故障，啟動機組至空載，手動投勵磁，遞升勵磁電流，觀察參數顯示界面3U0，3I0，P0顯示值，直到3Uo超過整定定值，檢驗保護動作行為。

4）在開機并網帶滿負荷狀態下，觀察不平衡電流的大小，看是否對方向原件構成影響。

2010年3月初首先對#1機組按上述方案進行了試驗，表明了原保護裝置TA的選型滿足定子接地的保護要求。多次接地試驗結果表明，發生區內單相接地故障時，接地保護能正確選擇故障機組，跳開故障機組的出口開關，發生區外單相接地故障時，接地保護能可靠閉鎖。

2010年3月份對橋鞏水電站全部機組均進行了模擬接地試驗，試驗結果證明了零序方向元件動作的正確性。

5）存在的死區問題

保護的一次接線圖上述見圖1：

由于橋鞏水電站設計的機端TA安裝在發電機出口處，從TA處由共相母線接至發電機組出口開關，再接至兩臺發電機的離箱母線。在TA至QF的離箱母線下端發生單相接地故障時，保護將存在區死，無法實現選擇性切除故障，將可能同時跳開兩臺發電機出口開關。由于從TA處至發電機出口開關一次部分接線均為封閉式的共箱母線接線，發生接地故障的概率很小。因此存在的死區對整個定子接地保護影響很小。

3 結論

橋鞏水電站發電機定子接地保護，經過整改，實現保護選擇性。采用3UO作為動作判據，選擇機端零序電流和機端PT開口三角3U0計算零序功率構成零序功率方向元件。比較零序電流及機端零序電壓的相位關系，能準確地判斷區內區外故障，從而保證了擴大單元定子接地保護運作的選擇性，避免了誤跳非故障機組,解決了橋鞏水電站兩機一變接線的發電機定子接地保護無選擇性的難題。目前該保護方案已在橋鞏電站8臺機組已全部整改完成并投入運行。

TV74

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1674-6708（2010）23-0170-02

潘雪梅，工程師，從事水電建設、管理工作