20Hz電壓注入式定子接地保護在田集電廠的應用研究

摘 要：本文對西門子7UM622微機型發電機保護20 Hz電壓注入式接地保護裝置的運行狀況進行研究，同時，分析了西門子7UM622微機型發電機保護20 Hz電壓注入式接地保護的工作原理；研究了新型保護裝置工作原理更合理，技術性能更優越，并且與傳統的發電機90%定子接地保護和100%定子接地保護（三次諧波）區別。

關鍵詞：定子接地 保護裝置 20Hz信號發生器

中圖分類號：TM62 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）02（a）-0146-03

1 裝置運行情況介紹

田集發電廠于2007年投產，裝機容量2×600 MW，發電機經離相封閉母線送至三相雙卷、容量為720 MVA的升壓變壓器，由20 kV變到500 kV后，通過500 kV系統送往電網，我廠的500 kV系統采用3/2（或一個半斷路器）接線方式，發電機定子繞組中性點通過一接地變壓器接地，發變組保護裝置采用西門子生產的數字型繼電保護裝置，其中發電機保護采用7UM622。自投產以來，對定子接地20 HZ電壓注入式保護的檢驗和實際模擬故障均能正確發信和動作。

正常情況下，主變繞組、發電機出口母線、發電機定子繞組對地絕緣。當發生定子繞組單相接地時，故障點電弧將使定子繞組絕緣受損，嚴重情況下發展為相間或匝間短路，同時鐵心被電弧嚴重燒傷。為了避免這一現象的發生，我們配置了7UM62型100%定子接地保護來快速切除包括發電機定子繞組包括中性點在內的單相接地故障。

2 三種定子接地保護原理的介紹

2.1 發電機90%定子接地保護

定子接地故障保護功能用于探測三相發電機定子繞組回路中發生的接地故障。在實際工程中，同步電機可能在公共母線下運行（直接連接到系統）或者以單元組接線（通過發電機，變壓器單元組中的變壓器連接到系統）運行。用于探測定子繞組接地故障的判據主要是看是否出現開口電壓，或者對于同步電機直接連接到公共母線的接線，采用零序電流過量判據。這種原理的定子繞組接地故障保護可以探測發電機定子繞組90%～95%范圍的接地故障。

開口電壓的測量有多種方法，可以通過連接在發電機中性點的電壓互感器或中性點接地變壓器得到，也可以通過連接在機端的電壓互感器e-n繞組（開口三角繞組）或者機端接地變壓器得到。由于中性點接地變壓器或者機端接地變壓器二次側額定電壓通常為500 V（在發生機端直接接地時），因此在其二次繞組和保護裝置之間需要串接一個500 V/100 V的電阻式分壓器。

如果不能通過直接測量的方法將開口電壓引入保護裝置，那么保護裝置也可以通過接入的單相對地電壓測量值計算出開口電壓。

在產生的開口電壓中，包含了大量的三次諧波電壓。這是因為三次諧波電壓存在于三相系統中，并且在每相中具有相同的三次諧波電壓矢量。為了獲得可靠的測量，保護裝置只會評估發生定子接地故障時開口電壓中的基波分量。其它的諧波分量都將通過算法中的數字濾波器過濾掉。

在同步電機的單元組接線中，評估接地故障時的開口電壓就己經足夠了。保護裝置能夠達到的靈敏度高低僅僅受限制于系統中發生接地故障時感應過來的電壓干擾信號。這些系統中的電壓干擾信號會通過單元變壓器高低壓繞組之間的耦合電容傳遞到發電機側。在必要的時候，可以考慮通過加裝負載電阻來降低這些千擾電壓。如果發電機定子繞組在某個整定的時間范圍內存在接地故障，那么保護裝置就會發出跳閘命令斷開發電機與系統的連接。

保護發電機定子及其引線的單相接地。本保護為基波零序過電壓保護，由機端三相電壓求和計算得到3U0，并經過數字濾波后的基波分量形成保護判據。

本保護由于采用三相電壓計算零序電壓，故經電壓回路斷線信號閉鎖。

2.2 100%定子接地保護（三次諧波）

基于開口電壓基波分量的測量方法只能提供90%～95%定子繞組范圍的接地故障保護。為了提供100%定子繞組范圍的接地故障保護，必須要用到其他頻率的電壓信號。在保護裝置7UM62中，評估三次諧波電壓信號就是用于這個目的。

在發電機的定子繞組中，或多或少的會出現較為明顯的三次諧波電壓，這個三次諧波電壓是由發電機磁極的外形產生的。當發電機的定子繞組發生了接地故障時，回路中衍生電容的分布就發生了變化，這是因為發生接地故障時某個對地電容被短接了。在定子繞組接地的過程中，發電機中性點測量到的三次諧波電壓將降低，而發電機機端測量到的三次諧波電壓將升高（見圖1）。三次諧波電壓在空間形成零序系統，因此可以通過星形一三角形接線的電壓互感器側量出來，或者由測量到的單相對地電壓計算得到零序信號系統。

其中：電導標幺值為；電納標幺值為

此外，三次諧波電壓的含量與發電機的運行工況密切相關，也就是說，三次諧波電壓的幅值是發電機有功出力P和無功出力Q的函數。正是基于這個原因，為了提高保護的可靠性，這個原理的定子接地故障保護有著嚴格的應用范圍。

對于多臺發電機直接連接到公共母線的接線方式，系統中所有的發電機都將貢獻三次諧波電壓，因此用三次諧波電壓判據無法區分是哪臺發電機發生了接地故障。

保護功能使用機端零序電壓系統中的三次諧波電壓。在定子繞組發生接地故障時，將會引起機端三次諧波電壓升高，因此保護功能采用三次諧波過電壓判據。

在確認保護動作可靠后，“Trip”出口定義于全停一。保護壓板投入的邏輯應不影響信號（接點輸出、和通信輸出）的發出。

三次諧波的100%定子接地保護為過電壓型。由機端三相電壓求和計算得到3U0，并經過數字濾波后得到的三次諧波分量形成保護判據基礎，具有以下功能。

（1）7UM62的保護定值U03.HARM>（Add.5203）為躲過發電機100%負載條件下的最大三次諧波電壓。

（2）為了保護靈敏度，裝置提供起動修正定值U03.H.（Add.5207），以使保護特性可以隨著發電機有功出力的變化而線性變化。

（3）7UM6的三次諧波式保護確定了“運行范圍”，即通過定義發電機的最小有功出力來限制其應用范圍。因為三次諧波的變化只有在發電機在最小有功出力以上，其變化率才呈現出線性特點。

2.3 100%定子接地保護（20 Hz電壓注入式）

100%定子接地故障保護探測通過發電機一變壓器組單元接線連接到電網的發電機所發生的定子回路接地故障。本保護功能采用外部注入20 Hz低頗交流電源的方法，與發生接地故障時產生的工頻零序電壓無關，可以探測包括發電機中性點在內的定子繞組的全部接地故障。它所采用的測量原理完全不受發電機運行工況的影響，即使在發電機處于停機狀態的情況下，測量過程依然在進行。我們甚至可以采用兩種不同的測量原理—測量工頻零序電壓的原理和評估注入的20 Hz電氣回路的原理—從而可提供兩種互為補充并且可靠的定子接地保護理念。

如果沒有能夠探測到發生在發電機中性點或者靠近中性點的接地故障，那么發電機就運行在“接地”狀態。如果接著發生另一次故障（如再次發生接地故障）將會形成單相短路，而由于發電機零序阻抗很小，這將導致產生極大的故障電流。

基于這個原因，100%定子接地故障保護就成為了大型機組配置的一個基本保護功能。

20 Hz注入式的定子接地保護是真正的100%保護，它的測量過程與發電機運行過程無關，范圍包括了整個20 kV連接的各個設備。是目前最好的定子接地保護方案（圖2）。

3 100%定子接地保護（20 Hz電壓注入式）的原理先進性

3.1 通過以上的分析說明，可以看出20 Hz電壓注入式定子接地保護的獨到之處在于

（1）測量原理獨立于發電機運行條件。

（2）發電機停運期間保護仍然有效。

（3）高靈敏性（消除了電容電流的影響）。

（4）相對于位移測量方法的不同和獨立的測量原則，如圖3所示。

3.2 其基本思路如圖4示

（1）在中性點注入電壓，一旦在接地故障時也能產生有效的電動勢。

（2）同樣，在接地點接地故障時，有故障電流流過故障阻抗。

（3）需要下列附加設備：20 Hz發生器、20 Hz帶通濾波器、電流CT。

3.3 20 Hz電壓注入式定子接地保護的數值計算

4 100%定子接地保護（20 Hz電壓注入式）裝置實際調試步驟與注意事項

4.1 調試角度

首先將定值中5309，5310項定值設定為0。然后保證在發電機正常狀態下，合上20 Hz裝置空開。此時可以讀到USEF，ISEF，其中USEF值大約在1.2 V左右，ISEF值大約在12 mA左右。此時的角度如果顯示為正角度，則可能是CT的極性接反了，CT極性正確后，該角度應該在-90°左右，且穩定。比如顯示：93°，則需要通過調整5309項輸入-3°，給以補償，使其測量到90°，改值確定后，做后面的測試時，不在需要修改。角度修正正確后，此時顯示的電阻RSEF=9999，RSEFP=99999，也就是都是無窮大。

4.2 調試直接定子直接接地狀態

在第一步調試完畢的基礎上，將定子，直接接地。此時測量的電阻理論上應該為0，即RSEF=0RSEFP=0.但是，因為電纜也有電阻等實際情況，該兩個不為0，此時，將讀取的RSEF值寫入定值5310項。更改5310后，在讀取RSEF和RSEFP就都為0了。

4.3 調試跳閘段2 k電阻

在定子和地之間串入2 k的電阻。觀察測量的電阻RSEF和RSEFP，參照我們2#機做試驗的讀取數，知道，一定會和2 k的電阻有誤差。此時，需要重新調整5310的選項，增大，或者減小。嘗試幾次后，使測量的讀到的RSEFP（一次串入的電阻）接近或者等于2 k。然后將讀到的RSEF（二次電阻）寫入5303地址，作為跳閘段的定值。

4.4 在2 k的測試完畢后，在定子和地之間串接電阻10 k做為報警段

此時測量的值可能和10 k差別很大，不用管它。將這是讀到的RSEF（二次電阻值）寫入5302作為報警段的定值。

4.5 在以上參數確定完畢后，可以做電阻小于2 k可靠動作，大于2 k不動作

小于10 k報警，大于10 k不報警，以及電阻測量的線性度的測量等。

4.6 注意事項

在外面有人員操作的時候，記得切斷20 Hz發生器裝置電源，以保證外面工作人員的人身安全。

5 總結與建議

對外加20 Hz電壓注入式的100%定子接地保護而言，電源頻率和電源的可靠性對保護的正常運行有很大影響，定檢中應列為重點檢查項目，最好每年進行一次電源校驗，若頻率漂移或電壓不足應及時處理，以保證了保護的正確動作率。日常定檢中要注意定子接地RSEF的實時采樣值是否正常，以判斷20 Hz電壓注入式定子接地保護裝置運行是否正常。

以上只是個人在工作中的一些心得體會，與各位同行交流一下，不當之處敬請指正。

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