發電機100%雙頻定子單相接地保護研究

摘要：定子繞組單相接地保護是大型發電機繼電保護系統中十分重要的一項內容。發電機雙頻式定子單相接地保護由基波零序電壓型保護和三次諧波電壓型保護兩部分組成，二者相互配合共同構成了100%定子單相接地保護。從發電機定子繞組單相接地的電氣量特征入手，詳細分析了雙頻定子單相接地保護的基本原理，為今后的學習打下了良好的基礎。

關鍵詞：發電機；單相接地；基波零序電壓保護；三次諧波電壓保護

中圖分類號：TM31 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）29-0126-03

發電機作為電網中的重要單元，關系著整個電網的正常運行情況，如果沒有發電機的正常運行，輸電、配電和用電就無從談起。單機容量的增大使發電機從結構設計、電氣參數及運行等方面都出現了新特點。這不僅對機組保護提出了更高的要求，也進一步惡化了繼電保護的工作環境。相比于小機組而言，要求繼電保護的性能和配置要更加完善。[1]因此，發電機的保護就顯得格外重要。發電機內部故障主要包括：定子繞組的相間短路、匝間短路和單相接地短路。由于發電機容易發生繞組線棒和定子鐵芯之間絕緣的破壞，因此發生單相接地故障的比例很高，約占定子故障的70%～80%。[2]由于大型發電機組定子繞組對地電容較大，當發電機極端附近發生接地故障時，故障點的電容電流比較大，影響發電機的安全運行；同時由于接地故障的存在會引起間歇性弧光暫態過電壓，也會直接引發多點絕緣破壞，使得輕微的故障也會發展為災難性的相間或匝間短路，所以單相接地故障必須及時被檢測出并且保護動作于跳閘或信號，避免造成嚴重的后果。

一、發電機定子繞組單相接地特點

假設A相在距離發電機定子繞組中性點a處發生金屬性接地故障，如圖1所示：

由式（4）可知，經消弧線圈接地可以補償故障接地的容性電流。在大型發電機—變壓器單元接線的情況下，由于總電容為定值，一般采用欠補償運行方式，即補償的感性電流小于接地容性電流，有利于減小電力變壓器耦合電容傳遞的過電壓。

當發電機電壓網絡的接地電容電流大于允許值時，不論該網絡是否裝有消弧線圈，接地保護動作于跳閘；當接地電流小于允許值時，接地保護動作于信號，即可以不立即跳閘，值班人員請示調度中心，轉移故障發電機的負荷，平穩停機進行檢修。

3.中性點經高阻抗接地

發電機中性點采用高阻抗接地方式的主要目的是限制發電機單相接地時的暫態過電壓，防止暫態過電壓破壞定子繞組絕緣，但另一方面也人為地增大了故障電流。因此采用這種接地方式的發電機定子繞組接地保護應選擇盡快跳閘。

二、100%雙頻定子單相接地保護

目前100%雙頻定子接地保護一般由兩部分組成：一部分是基波零序電壓保護，保護定子繞組的85%以上；另一部分是基于三次諧波電壓的發電機單相接地保護。其中的基波零序電壓型保護指的是當單相接地故障發生時，通過檢測機端或者中性點位置的零序電壓來判斷接地故障，易于操作且易于實現。不過，由于發電機三相繞組的對地電容并不是完全對稱的，正常運行的時候中性點尚且存在位移電壓。該方案在中性點附近存在保護死區，而且保護區內經過渡電阻接地時靈敏度較低，高壓側系統或高壓廠用變的低壓系統發生單相接地故障時有可能會導致誤動。三次諧波電壓型定子接地保護是利用單相接地故障前后發電機的中性點與機端處三次諧波電壓變化特點不同構成的。正常運行情況下，機端三次諧波電壓比中性點的三次諧波電壓小；而當中性點附近發生接地故障的時候，機端三次諧波電壓增加，中性點三次諧波電壓減小。[3]

基于穩態量的三次諧波電壓型保護主要是為了消除基波零序電壓型接地保護在中性點附近的保護死區。二者相配合就構成了100%雙頻式定子接地保護。

1.基波零序電壓保護

由第1節分析可知，越靠近機端，故障點的零序電壓就越高，可以利用基波零序電壓構成定子單相接地保護。由于整定值不能設為0V，因此在中性點附近有死區。

零序電壓保護常用于發電機—變壓器組的接地保護。如果機端發生金屬性單相接地故障，從機端或者中性點電壓互感器得到的基波零序電壓二次值為U0。距離中性點a處發生單相金屬性接地故障時，基波零序電壓二次值為a×U0。

零序電壓可取自發電機機端TV的開口三角繞組或中性點TV二次側（也可從發電機中性點接地消弧線圈或者配電變壓器二次繞組取得）。當保護動作于跳閘且零序電壓取自發電機機端TV開口三角繞組時需要有TV一次側斷線的閉鎖措施。

影響不平衡零序電壓3U0的因素主要有：發電機的三次諧波電勢、機端三相TV各相間的變比誤差（主要是TV一次繞組對開口三角繞組之間的變比誤差）、發電機電壓系統中三相對地絕緣不一致及主變壓器高壓側發生接地故障時由變壓器高壓側傳遞到發電機系統的零序電壓。

由于發電機正常運行時，相電壓中含有三次諧波，因此，在機端電壓互感器接成開口三角的一側也有三次諧波電壓輸出。因此為了提高靈敏度，保護需有三次諧波濾除功能。[4]

2.利用三次諧波電壓構成的發電機定子繞組單相接地保護

由于發電機氣隙磁通密度的非正弦分布和鐵磁飽和的影響，在定子繞組中感應的電動勢除基波分量外，還含有高次諧波分量。其中三次諧波分量是零序性質的分量，雖然在線電動勢中被消除，但是在相電動勢中依然存在。基于穩態量的三次諧波電壓型保護主要是為了消除基波零序電壓型接地保護在中性點附近的保護死區。

（1）中性點不接地。如果把發電機的對地電容等效地看做集中在發電機的中性點N和機端S，且每相的電容大小都是0.5Cf，并將發電機端引出線、升壓變壓器、廠用變壓器以及電壓互感器等設備的每相對地電容Cw也等效在機端，并設三次諧波電動勢為E3，那么當發電機中性點不接地時，其等值電路如圖4所示。

中性點電壓UN3和機端電壓US3的比值隨故障點a的變化而變化。因此，如果利用機端三次諧波電壓US3作為動作量，而用中性點三次諧波電壓UN3作為制動量來構成接地保護，且當時作為保護的動作條件，則在正常運行時保護不可能動作，而當中性點附近發生接地時，則具有很高的靈敏性。利用此原理構成的接地保護可以反應距中性點約50%范圍內的接地故障。

3.小結

利用基波零序電壓構成的接地保護，則可以反應a>0.15范圍內的單相接地故障，且當故障點越靠近發電機機端時，保護的靈敏性就越高；利用三次諧波構成的發電機定子單相接地保護可以反應發電機定子繞組中a<0.5范圍內的單相接地故障，并且當故障點越靠近中性點時，保護的靈敏性就越高。因此，利用三次諧波電壓比值和基波零序電壓的組合可以構成100%的定子繞組單相接地保護。

三、結論

定子繞組單相接地故障雖然是發電機運行過程中最為常見的一種故障，卻往往能成為更為嚴重的繞組內部短路故障發生的前兆。定子繞組單相接地保護的可靠與靈敏動作可以大大降低內部短路故障的發生幾率，減少故障造成的損失。雙頻式定子單相接地保護包括基波零序電壓型保護和三次諧波電壓型保護，二者相互配合構成了100%定子單相接地保護。

參考文獻：

[1]王增平.電力主設備保護研究的幾個熱點問題[J].華北電力大學學報，2008，35（6）：27-31.

[2]張保會，尹項根.電力系統繼電保護[M].北京：中國電力出版社，

2005.

[3]邵宇，肖仕武，魯春燕，等.發電機定子單相接地故障仿真及其保護綜述[J].現代電力，2004，21（6）：46-50.

[4]王增平，張舉，焦彥軍，等.發電機保護中的三次諧波濾過器和濾波器算法[J].華北電力大學學報，2001，28（3）：6-9.

（責任編輯：王祝萍）