淺談20Hz注入式100%定子接地保護在瀑布溝水電站機組上的應用

蔣立偉 賀增良

（國電大渡河瀑布溝水力發電總廠 四川 雅安 625304）

大型發電機特別是水內冷發電機，由于機械損傷或發生漏水等原因，導致中性點附近的定子繞組發生接地故障是完全可能的。如果這種故障不能及時發現并處理，將造成匝間短路、相間短路或兩點接地短路，甚至造成發電機嚴重損壞。因此，對這種發電機和大容量的發電機必須裝設定子100%接地保護。發電機定子接地保護通常采用基波零序電壓與三次諧波電壓判據組合實現定子繞組100%保護，但基波零序電壓保護在中性點附近存在死區，三次諧波電壓判據在高阻情況下靈敏度不高[1]。注入式定子接地保護的特點：①在發電機停運、啟停、運行的全過程中，都可以提供靈敏的定子接地保護，可檢測定子絕緣的緩慢老化；②保護范圍不僅包括整個定子繞組，還包括發電機中性點、保護的靈敏度一致，不受接地位置影響，可以準確測量接地電阻的大小。隨著發電機對定子接地保護要求的不斷提高，從發電機中性點經接地變壓器注入20Hz電壓檢測整個發電機及相關電氣接連設備的絕緣，不受發電機特性、運行工況、故障位置的影響，在起停機過程中也能起到一定保護作用的20Hz注入式100%定子接地保護方案得到廣泛地應用。

圖1 通常外加20Hz注入式100%定子接地保護原理圖

圖2 20Hz注入式接地保護原理圖

圖3 20Hz注入式接地保護等效電路

1 瀑布溝機組20Hz注入式定子接地保護介紹

通常成熟的外加20Hz注入式100%定子接地保護方案，保護原理圖如圖1所示。

定子中性點為接地變壓器接地方式。20Hz電源經帶通濾波器加于接地變壓器的二次側，通過變壓器傳到定子回路。正常運行時，經發電機三相對地電容流回中性點有小量的20Hz零序電流，此電流反映到中間電流互感器的一次，最后經低通濾波器濾波和整流器整流后成為比較元件的不平衡動作電流Imeas，為了補償這個電流，20Hz電源又經電阻Ra整流并得到一個反方向的補償電流Icomp，調整Ra使發電機正常運行時比較元件中的電流等于或近于零，保護不動作。但發電機發生單相接地故障時，定子回路零序阻抗大大減小，20Hz的零序電流驟增，使動作電流增大，此時右側的反向補償電流卻不變，使保護動作。

瀑布溝水電站6臺600MW水輪發電機組20Hz注入式100%定子接地保護采用上海AREVA（阿海琺）電力自動化有限公司的P345型微機發電機保護裝置，注入電源為Siemens公司的7XT33型、濾波器為7XT34型，注入頻率為20Hz，原理圖如圖2所示。

信號發生器7XT33輸出20Hz方波信號，注入電壓的幅值為25V，通過帶通濾波器7XT34對該信號進行平滑處理形成20Hz正弦波信號，20Hz電壓在發電機接地變負載電阻RL上產生壓降，負載電阻RL上的壓降通過接地變副邊耦合至一次側；P345保護裝置采集20Hz注入電壓和電流，其中20Hz電流通過變比為400/5的電流互感器引入，20Hz電壓通過五分之二分壓器引入，保護裝置根據故障模型來確定故障電阻阻值Rg，動作于發信或跳閘。1.1 20Hz注入式接地保護原理[2]

表1 機組的相位補償角的調整數據

圖4 接地電阻計算模型

圖5 20Hz注入式接地保護動作邏輯框圖

20Hz注入式接地保護等效電路如圖3所示。R'1，X'1是接地變壓器一次側繞組漏阻抗；R2、X2是接地變壓器二次側繞組漏阻抗；R'm，X'm是接地變壓器激磁阻抗；各參數均為20Hz下折算到二次側的值。二次側計算的定子對地導納為，折算到一次側的接地過渡電阻值為，ku為電壓分壓器變比 2/5，k1為電流互感器變比400/5，nv為接地變壓器變比，接地變壓器的參數可以通過測量或者計算得到。

2 調試過程應注意的事項

上面分析了20Hz注入式接地保護的原理，從中可知接地變壓器的激磁阻抗、漏抗以及電流互感器對接地電阻的計算結果會產生影響，進而會影響保護裝置的靈敏度。瀑布溝發電機保護P345注入式接地保護對接地過度電阻有精確的計算模型如圖4，同時可根據現場實際，通過保護裝置依次對電流相位進行補償、對串聯、并聯電阻進行設置，使接地電阻測量結果更加精確，保護更加靈敏。

（1）磁性變化都要落后于電流瞬時值變化，因此電流互感器測量電流會產生相位誤差。相位補償是為了消除電流互感器測量電流產生的相位誤差，使相位更加精確。由于發電機對地的電容比較大，拆除發電機的并聯接地點（如機組出口電壓互感器），機組在靜止時，測量到的電流是電容電流，此時采集到的電流應該超前于電壓90°。如果電流超前于電壓角度小于90°，應增加相位補償角度，直至相位差接近90°。下面是一次機組的相位補償角的調整數據，如表1。

（2）對串并聯電阻進行設置。設置串聯電阻Rs通常被稱作接地變壓器的泄漏電阻，相位補償完成后，同時串聯電阻Rs的默認值為零，用短接線將發電機中性點接地，此時保護裝置接地電阻讀數即為串聯電阻Rs需要設置的值，設置后此時保護裝置接地電阻的讀數為零。以上設置完成后，拆除發電機中性點接地的短接線，接上發電機的并聯接地點（如機組出口電壓互感器），此時保護裝置的讀數即為并聯電阻RP的設置值。

3 實際運行過程中應注意的事項

（1）當發電機退出運行時，20Hz注入電壓并沒有被停運，在發電機端會有危險的電壓，應防止工作人員觸電。

（2）當保護裝置電阻低定值報警時，表明設備絕緣下降，需要檢查發電機定子、機組出口電壓互感器、機組接地變的絕緣；如果設備絕緣沒問題，需對發電機遞升加壓；如果加壓正常，則對保護裝置進行檢查處理。

（3）20Hz信號發生器正常輸出25V，當保護裝置電壓、電流采樣均小于報警值時，檢查回路有無斷線、短路；如果回路正常且注入源未運行，保護裝置采集的電壓幾乎為零，則初步判斷為注入源故障。

4 一起保護誤動作分析及防范措施

瀑布溝4號水輪發電機組在運行過程中定子注入式接地保護動作，安排人員檢查發電機定子、機組電壓互感器、接地變壓器絕緣均正常，在對注入式定子接地保護注入二次回路檢查時發現，濾波器7XT34本體端子接觸不良，注入20Hz電壓波動，導致保護裝置誤動。

為防范類似事件的發生，對注入式定子接地保護動作邏輯進行優化，增加了電壓、電流閉鎖保護裝置出口邏輯如圖5，有效的避免了保護裝置誤動或拒動問題。當接地故障電阻計算值低于電阻的高整定值且電壓、電流滿足要求時，保護發告警信號，當接地故障電阻計算值低于電阻的低整定值或者故障電流大于電流跳閘定值且電壓、電流滿足要求時，保護動作于跳閘。同時20Hz電流、電壓小于監視電流、電壓定值時，保護裝置發出報警，反映了電壓互感器或電流互感器回路出現短路、斷路，包括注入電源裝置輸出異常、濾波器故障等情況，提早進行處理。

5 結語

瀑布溝水電站發電機20Hz注入式100%定子接地保護運行狀況良好，不受發電機特性、運行工況、故障位置的影響，在起停機過程中也能起到一定的保護作用。同時可通過P345保護裝置設置相位補償以及串并聯電阻，使測量結果更加精確，保護動作更加靈敏。對20Hz注入式100%定子接地保護而言，外加注入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，以確保發電機20Hz注入式100%定子接地保護裝置的正確動作率。陜西水利

[1]王維儉.電氣主設備繼電保護原理與應用[M].北京.中國電力出版社,1998.

[2]畢大強,王祥珩,余高旺,等．高準確度外加20 Hz電源定子單相接地保護的研制 [J]．電力系統自動化,2004,28(16)：75-78.