零序方向元件選擇性定子接地保護的分析

談 濤 ，陳 俊， 王 翔， 徐 金

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京，211100)

式（6—8）計算時都遵循：

隨著水電技術的日益發展，很多單機容量小的機組采取擴大單元接線方式，以降低建設成本。擴大單元接線方式中，發電機中性點經配電變壓器接地，任一臺發電機發生定子接地故障，會導致并列運行的多臺發電機同時跳閘[1]，影響了機組的安全高效運行，所以必須尋找一種能夠正確區分機組區內、區外故障的定子接地保護.現有的定子接地保護一般采用基波零序電流，基波零序電壓、三次諧波和低頻注入信號等方法，雖然這些方法能有效地保護100%定子接地，但是用于擴大單元接線機組上依然不能區分區內和區外故障。業內提出過一種基于行波方向的定子接地保護，原理上能正確區分故障范圍，但是由于行波只在故障瞬時0.2～0.3 ms時間出現，現有的保護很難捕捉，目前尚處于理論研究階段[1]。

1理論分析

1.1以三機一變擴大單元接線方式為分析模型

三機一變擴大單元接線方式如圖1所示。為了計算方便，假設同一個單元機組的容量、定子繞組對地電容、機端出線電纜對地電容、變壓器低壓側母排對地電容、接地變以及二次負載的參數均相同。圖1對應的零序等值電路如圖2所示。

圖1 擴大單元接線方式

圖2 零序等效網絡圖

1.2相關理論計算和數據分析

（1）單臺機組區外故障理論計算。假設在發電機出口開關下端發生單相金屬性接地，零序網絡圖如圖3所示，不考慮接地變壓器漏阻抗和接地變壓器勵磁繞組的影響。

由式（1）、式（2）得：由式（3）得合成零序電流I0滯后機端零序電壓U090°。

（2）單臺機組試驗數據分析。以某電站5號機組試驗數據為計算模型，該機組具體技術參數為：發電機額定容量為42 MW，發電機額定功率因數為0.92，機端額定電壓為13.8 kV，機端電壓互感器（TV）變比為7.97 kV/57.74 V/33.33 V，中性點接地變變比為13.8 kV/230 V(173 V)，機端零序電流互感器（TA）變比為20 A/2 A，中性點接地變二次負載為R=0.24 Ω，中性點零序TA變比為600 A/1 A。在發電機開關柜機端斷路器下端口用銅辮子線設置短路點，手動增加勵磁，使機端電壓達到0.75 kV。計算發電機機端電壓二次值：

中性點零序電壓二次值：

計算中性點零序電流：

由式(2)計算機端零序電流：

計算出合成零序電流：

由此可見，合成零序電流滯后機端零序電壓88.52°，和式(3)分析結果基本一致。計算結果與試驗錄波圖（瞬時值錄波）數據基本一致，如圖4所示。

圖4單機區外故障錄波

1.3單臺機組區內故障理論計算

假設在發電機機端匯流母排發生單相金屬性接地，零序網絡圖如圖5所示。計算時不考慮接地變壓器漏阻抗和接地變壓器勵磁繞組的影響。

圖5單臺機組區內故障

由式（5）可得，在忽略一切感抗、容抗的影響下，中性點零序電流滯后零序電壓0°。

以某電站5號機組試驗數據為計算模型，計算分析試驗數據。在發電機出口匯流母排用銅辮子線設短路點，手動增加勵磁使機端電壓達到0.75 kV。發電機中性點零序電壓二次值為：

中性點零序電流：

合成零序電流：

由此可見，計算結果與試驗所錄采樣數據基本一致。試驗錄波數據（瞬時值錄波）如圖6所示。

圖6單機區內故障保護錄波

1.4零序方向元件的整定

（1）單臺機組區內故障：QF1 合位，QF2，QF3 分位，K1點發生單相金屬性故障（以圖2計算）。

2臺機組區內故障：QF1，QF2合位，QF3分位，K1點發生單相金屬性故障。

3臺機組區內故障：QF1，QF2，QF3 合位，K1 點發生單相金屬性故障。

式（6—8）計算時都遵循：

由式 （6—8）分別得出零序電流超前零序電壓45°， 26.6°， 33.7°。

（2）按照圖2分析，單機、2臺、3臺機組區外母線上單相接地機端零序電流的表達式均相同：

機端零序電流和中性點零序電流之和為合成零序電流：

由此可見，合成零序電流滯后零序電壓固定為90°。以式（6—8）計算出的最小角度和最大角度的中間線作為區內保護動作的最靈敏線,最靈敏線逆時針、順時針各偏一個角度θ，θ＞θ大-θ小，并且邊2界1＞270°。邊界1逆時針轉到邊界2為保護動作區，如圖7所示。

圖7 動作邊界

1.5現場保護正確閉鎖區外故障錄波

2009年1月10日17時43分06秒，國內某電站4號機組擴大單元運行，10號、12號機組運行，11號機組檢修。10號機組機端開關發生單相接地故障，12號機組 （已進行過選擇性定子接地保護改造）判為區外故障成功閉鎖定子接地保護，見圖8。

圖8 12號機組區外成功閉鎖錄波

4.5 s后保護裝置沒有出口，成功閉鎖。

2調試中存在的問題以及解決方法

2.1不平衡電流的消除

試驗過程中發現,正常情況下機端不平衡零序電流大于一定的數值后,保護裝置不能正確地判斷方向,因此怎樣將正常運行時候不平衡零序電流降到技術要求的范圍（10 mA）內是該保護能不能正常運行的關鍵。根據工程實踐中摸索的經驗,可從以下幾個方面采取措施。

（1）發電機出口電纜嚴格按照空間磁平衡方式排布；

（2）電纜必須垂直正交從TA的正中心穿過；（3）電纜與橋架底層間用絕緣墊隔離，電纜屏蔽層完好；

（4）零序TA 1.5 m空間范圍內不能布置大功率動力電纜；

（5）機端三相電流的屏蔽層接地點應該在發電機機端側；

（6）二次零序電流回路的屏蔽層嚴格單端一點接地；

（7）二次零序電流回路周圍沒有強電電纜；

（8）為工程調試方便,零序TA的支撐架設計安裝成能調節的。

2.2保護死區問題

由于該保護在原理上屬于零序電壓型保護，所以在靠近發電機中性點側故障時保護存在死區。假設在距離中性點α處發生A相金屬性故障,則故障點零序電壓通過對發電機機端TV各相對地電壓的分析可以得到機端零序電壓U˙t0=-αEA=U˙n0[4]。 當 α 接近 0 時發電機中性點和機端TV開口將感測不到零序電壓，導致方向元件失效，并且取自中性點TV的動作元件也將失效，該選擇性定子接地保護只能在發電機定子的95%范圍內實現選擇性保護，另外5%通過常規的三次諧波電壓保護來實現無選擇性保護。

3結束語

通過對國內某工程三機一變接線方式的貫流式機組選擇性定子接地保護的安裝調試，積累了豐富的經驗。通過現場試驗數據的分析計算，驗證了該保護原理的正確性和實用性。

[1]王維儉.電氣主設備繼電保護原理與應用（第2版）[M].北京：中國電力出版社，2002.

[2]陳 俊，沈全榮.擴大單元接線發電機定子接地保護方案[J].電力系統自動化，2007，31（24）：86-89.

[3]賀家李，宋從矩.電力系統繼電保護原理（第3版）[M].北京：中國電力出版社，1994.

[4]李玉海，張小慶，徐 敏.關于定子接地保護的幾個問題[J].電力系統自動化，1999，23 （11）：50-54．