發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)研究

郭濤

摘要：發(fā)電機(jī)最常見的故障是定子繞組的單相接地，由于發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)是不接地或經(jīng)高阻抗接地的，定子單相接地故障并不引起大的故障電流，定子接地保護(hù)動(dòng)作后發(fā)信號(hào)而不跳閘。但如果不及時(shí)處理，將發(fā)展成相間短路而嚴(yán)重?zé)龤Оl(fā)電機(jī)。文章對(duì)定子接地保護(hù)裝置進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)；定子接地保護(hù)；三次諧波；靈敏度；死區(qū) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM31 文章編號(hào)：1009-2374（2015）25-0025-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.25.012

發(fā)電機(jī)定子繞組是全絕緣的，而中性點(diǎn)經(jīng)常運(yùn)行在低電壓工況，因此接地故障不會(huì)在發(fā)電機(jī)附近。運(yùn)行實(shí)踐證明，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)附近可能由于機(jī)械的原因或水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)的定子漏水而發(fā)生單相接地故障，也可能故障初始是由位于中性點(diǎn)附近的定子多匝線圈中發(fā)生部分匝間短路，由于短路匝數(shù)少，橫差保護(hù)不能反映，故障繼續(xù)發(fā)展，最終中性點(diǎn)附近繞組對(duì)鐵芯擊穿，形成單相接地故障，如果定子接地保護(hù)因存在死區(qū)而不能反應(yīng)，將繼續(xù)擴(kuò)展成相間或?qū)娱g短路，因此不能以中性點(diǎn)運(yùn)行電壓低為理由降低定子接地保護(hù)無死區(qū)的要求。

定子接地保護(hù)應(yīng)具有100%的保護(hù)區(qū)，故障點(diǎn)電流不應(yīng)超過安全電流，并且在定子繞組任一點(diǎn)發(fā)生接地故障時(shí)，保護(hù)應(yīng)有足夠高的靈敏度。如果保護(hù)裝置靈敏度很低，當(dāng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)附近某一點(diǎn)經(jīng)一定大小的電弧電阻接地時(shí)，保護(hù)不能反應(yīng)，當(dāng)機(jī)端附近再發(fā)生接地故障時(shí)，中性點(diǎn)電位升高，形成兩點(diǎn)接地故障，發(fā)電機(jī)將發(fā)生災(zāi)難性后果。

1 基波零序電壓定子接地保護(hù)

大型發(fā)電機(jī)不應(yīng)該人為增大單相接地電流，定子接地保護(hù)宜采用零序電壓方案，包括基波零序電壓和三次諧波零序電壓。在發(fā)電機(jī)定子回路中某一點(diǎn)發(fā)生單相接地時(shí)，定子接地各點(diǎn)均有零序電壓為αEx，因此作為保護(hù)動(dòng)作參量的基波零序電壓可以是發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)單相電壓互感器或消弧線圈的二次電壓，也可取機(jī)端三相電壓互感器的開口三角接線的電壓。

擴(kuò)大這種保護(hù)裝置的保護(hù)動(dòng)作區(qū)（降低其動(dòng)作電壓），應(yīng)解決以下三個(gè)方面的問題：（1）努力降低正常運(yùn)行時(shí)的不平衡零序電壓，注意的問題是防止高壓系統(tǒng)或廠用系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)誤動(dòng)作；（2）如果高壓系統(tǒng)中性點(diǎn)直接接地，當(dāng)高壓系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，若直接傳遞給發(fā)電機(jī)的零序電壓超過定子接地保護(hù)的動(dòng)作電壓，則必須使定子接地保護(hù)的時(shí)限大于系統(tǒng)接地保護(hù)的時(shí)限，也可引入高壓側(cè)零序電壓作為制動(dòng)量，以防誤動(dòng)，但考慮到定子接地保護(hù)僅作用于信號(hào)，而系統(tǒng)接地保護(hù)是快速跳閘的，所以這個(gè)制動(dòng)作用并非十分必要；（3）如果高壓系統(tǒng)中性點(diǎn)不直接接地，當(dāng)高壓系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，若通過耦合電容傳遞發(fā)電機(jī)的零序電壓超過定子接地保護(hù)的動(dòng)作電壓，則必須裝設(shè)以高壓側(cè)零序電壓為制動(dòng)量、以發(fā)電機(jī)零序電壓為動(dòng)作量的基波零序電壓型定子接地保護(hù)，電容C與繼電器動(dòng)作繞組電感構(gòu)成50Hz串聯(lián)，目的是減少三次及其他高次諧波的電壓的影響。

綜上所述，基波零序電壓型定子接地保護(hù)可以在發(fā)電機(jī)單相接點(diǎn)電流很小的情況下采用，這是它的突出優(yōu)點(diǎn)。沒有制動(dòng)作用的基波零序電壓型定子接點(diǎn)保護(hù)，如果高壓側(cè)中性點(diǎn)不接點(diǎn)，則保護(hù)區(qū)一般不會(huì)超過90%～95%。如果有制動(dòng)作用，則保護(hù)區(qū)可以超過95%，但也不是100%，而且在保護(hù)區(qū)內(nèi)經(jīng)過渡電阻接地時(shí)靈敏度也不高（特別是故障發(fā)生在中性點(diǎn)附近）。

2 三次諧波電壓型定子接地保護(hù)

實(shí)踐表明，發(fā)電機(jī)三次諧波電勢(shì)不可能完全等于零，因此不可能通過設(shè)計(jì)和工藝上的改進(jìn)同時(shí)把三、五、七次等諧波都消除，實(shí)際上總是把消除五、七次諧波作為首要任務(wù)。發(fā)電機(jī)三次諧波電勢(shì)不是常數(shù)，它隨負(fù)荷的大小和功率因素而變，在正常運(yùn)行時(shí)和發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)附近接地故障時(shí)，單從機(jī)端三次諧波電壓的大小，并不能區(qū)分發(fā)電機(jī)是否發(fā)生接地故障。

三次諧波電壓型定子接地保護(hù)不能單純采用機(jī)端三次諧波電壓│?s│，但單純采用中性點(diǎn)三次諧波電壓│?n│構(gòu)成低電壓接地保護(hù)是可能的而且是最簡單的，因?yàn)槿魏握＿\(yùn)行情況下均有│?n│≠0，而中性點(diǎn)附近發(fā)生接地故障時(shí)，│?n│將趨向于零，因此可以采用│?n│<а動(dòng)作判據(jù)來構(gòu)成三次諧波定子接地保護(hù)。其中а應(yīng)小于一切正常運(yùn)行是發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的最小三次諧波電壓│?no。min│，其值通過實(shí)測(cè)，這種三次諧波定子接地保護(hù)區(qū)域大約在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)附近5%～10%的定子繞組內(nèi)，因此它能起到消除基波接地保護(hù)死區(qū)的作用，但這種保護(hù)的動(dòng)作區(qū)重迭區(qū)不大們、靈敏度低，我們需要采用具有較高靈敏度的三次諧波電壓型定子接地保護(hù)。

2.1 以│?s│>│?n│為動(dòng)作條件的定子接地保護(hù)

一切中性點(diǎn)不接地或經(jīng)高阻抗接地的發(fā)電機(jī)，在正常運(yùn)行時(shí)恒有│?s│/│?n│<1，此時(shí)保護(hù)裝置處于制動(dòng)狀態(tài)。

2.1.1 這種保護(hù)的靈敏度與三次諧波電勢(shì)?3的大小無關(guān)，所以也與發(fā)電機(jī)的負(fù)荷狀態(tài)無關(guān)。

2.1.2 靈敏度與接地故障點(diǎn)的位置有關(guān)，即與角Φ的大小有關(guān)。當(dāng)定子繞組中部接地時(shí)Φ=45?，此時(shí)gmin=∞，Rmdx=0，即過渡電阻為0時(shí)保護(hù)裝置處于動(dòng)作邊界。當(dāng)接地發(fā)生在機(jī)端時(shí)Φ=0?，gmin為虛數(shù)（因bs>bn），即保護(hù)不能動(dòng)作。當(dāng)接地發(fā)生在中性點(diǎn)時(shí)，Φ=90?，gmin=（b2s-b2n）1/2，此時(shí)有Rmdx的最大值，即這種保護(hù)裝置在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地時(shí)有最高的靈敏度。

2.1.3 在一定的接地故障點(diǎn)（Φ為定值），（bs+bn）越大，gmin就越大，Rmdx就越小，所以發(fā)電機(jī)的對(duì)地電容越大，保護(hù)裝置的靈敏度就越低。消弧線圈接地的發(fā)電機(jī)由于電容被補(bǔ)償，所以靈敏度就要高些。

2.1.4 最高靈敏度（中性點(diǎn)發(fā)生接地故障Φ=90?）以Rmdx表示，即Rmdx=1/（b2s-b2n）1/2=1/[（bs+bn）（bs-bn）]1/2，所以最高靈敏度不僅隨（bs+bn）增大而降低，而且（bs-bn）越大，靈敏度也越低，即發(fā)電機(jī)首末兩端電容差別越大，靈敏度越低。由此可見，從定子接地保護(hù)的靈敏度來說，極端外接電容Cf越小越好。中性點(diǎn)接消弧線圈時(shí)，也使（bs-bn）增大，相應(yīng)的保護(hù)靈敏度也將降低。

大型發(fā)電機(jī)有消弧線圈和中小型發(fā)電機(jī)不用消弧線圈相比，發(fā)電機(jī)的定子接地保護(hù)靈敏度相差特別大，主要原因是大型發(fā)電機(jī)外接了過電壓保護(hù)用的沖擊波吸收電容器，而且由消弧線圈，使bn-bs的數(shù)值比中小型機(jī)組的大得多，造成Rmdx的減小，機(jī)端電容大使發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)│?s│遠(yuǎn)小于│?n│，比較絕對(duì)值的三次諧波電壓型定子接地保護(hù)裝置中，│?s│是動(dòng)作量，│?n│是制動(dòng)量，大型發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)的制動(dòng)量過大就是靈敏度低的基本原因，因此以│?s│>│?n│為動(dòng)作判據(jù)的定子接地保護(hù)方案不適宜用于大型機(jī)組。

2.2 以KZ│?n│<│?s│為動(dòng)作條件的定子接地保護(hù)

為了在滿足正常運(yùn)行時(shí)不誤動(dòng)的前提下盡量提高靈敏度，保護(hù)裝置在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的制動(dòng)量不應(yīng)過大（當(dāng)然也不能過小，否則會(huì)誤動(dòng)），為此不直接用│?n│作為保護(hù)裝置的制動(dòng)量，而以修改后的KZ│?n│為制動(dòng)量。KZ的大小應(yīng)以正常運(yùn)行時(shí)不誤動(dòng)為條件，即KZ?n0>?s0，有：

KZ=KK?s0/?n0=KKbn/bs

式中：KK為可靠系數(shù)，一般可取1.3。

在引入KZ系數(shù)后，按KZ│?n│<│?s│為判據(jù)的定子接地保護(hù)，動(dòng)作邊界的過渡電導(dǎo)gmin=1/2[B±（B2+4C）1/2]

其中B=（K2Zbs+bn）sin2Φ/（sin2Φ-K2Zcos2Φ）

C=（K2Zb2s-b2n）/（sin2Φ-K2Zcos2Φ）

當(dāng)接地故障發(fā)生在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)（Φ=90?）時(shí)有最高的靈敏度，相應(yīng)的Rmdx最大值為Rmdx=1/gmin=1/（K2Zb2s-b2n）1/2

當(dāng)接地故障發(fā)生在繞組中部（Φ=45?）時(shí)，有RΦ=45?=1/[D±（D2+2E）1/2]

式中D=（K2Zbs+bn）/0.5（1-K2Z）

E=（K2Zbs-b2n）/0.5（1-K2Z）

由上式可知：當(dāng)采用KZ│?n│<│?s│判據(jù)后，在繞組中部接地時(shí)，一般情況下Rmdx≠0，所以這種保護(hù)方案的保護(hù)區(qū)有可能超過繞組的一半。

當(dāng)引入KZ后的保護(hù)方案，使（bs-bn）對(duì)靈敏度的影響大大減小了，對(duì)大型機(jī)組而言，（bs-bn）較大，KZ使制動(dòng)量減少，從而提高了靈敏度。對(duì)中小型機(jī)組，（bs-bn）較小，KZ使制動(dòng)量增大，這就提高了正常運(yùn)行的可靠性，當(dāng)然靈敏度相應(yīng)降低了。

很明顯，在以│?n│<│?s│為判據(jù)時(shí)，定子接地保護(hù)的動(dòng)作區(qū)以а=0.5為極限，在以KZ│?n│<│?s│為判據(jù)時(shí)，若（bs-bn）較小，則>1.0，這樣勢(shì)必進(jìn)一步縮小保護(hù)動(dòng)作區(qū)域。

2.3 以KZ│?n│<│?n-?s│為動(dòng)作條件的定子接地保護(hù)

為了進(jìn)一步提高靈敏度，應(yīng)盡量降低制動(dòng)量，但是這必須在保證正常運(yùn)行不誤動(dòng)的可靠性前提下進(jìn)行，也就是說要降低正常運(yùn)行時(shí)的制動(dòng)量，就必須尋找在正常運(yùn)行時(shí)數(shù)值也很小的動(dòng)作量。對(duì)于中小型機(jī)組，bs和bn的數(shù)值相近，正常運(yùn)行的│?no│和│?so│也十分相近，所以若取制動(dòng)量│?n-?s│，則制動(dòng)量KZ│?n│中的KZ一定很小，可見，這種方案的靈敏度（對(duì)中小型機(jī)組）一定很高。

可見這一方案的靈敏度大大提高了，而且最靈敏度不在Φ=90?的發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)，特別值得注意的是，三次諧波電壓型定子接地保護(hù)已經(jīng)不再只能保護(hù)靠近中性點(diǎn)的一部分繞組，而是能單獨(dú)完成100%定子繞組的接地故障保護(hù)，而且還允許相當(dāng)大的過渡電阻，所以這一方案對(duì)中小機(jī)組是十分理想的。如果不希望靈敏度太高，不防將KZ人為地抬高些（計(jì)算中取Kk=1.3，為降低靈敏度，Kk可取再大些）。

通常，基波零序電壓型定子接地保護(hù)繼電器J1是直接接在YH1的開口三角三次諧波繞組上或YH0的二次繞組上，這時(shí)為了提高這種保護(hù)的靈敏度，就必須增加三次諧波的阻抗電路。

通過以上三個(gè)方案的分析，筆者認(rèn)為最后一種方案比較理想，而且被廣泛應(yīng)用。

定子接地保護(hù)裝置在投入運(yùn)行前，必須在所運(yùn)行的發(fā)電機(jī)上進(jìn)行實(shí)際調(diào)試，為了防止高壓側(cè)發(fā)生接地故障，造成定子接地保護(hù)裝置誤動(dòng)作，可以增加延時(shí)或把基波整定調(diào)整到10伏以上來防止裝置的誤動(dòng)。

定子接地保護(hù)裝置采用雙頻分離式構(gòu)成的保護(hù)，由基波零序電壓保護(hù)定子繞組靠近機(jī)端側(cè)的85%～90%，由三次諧波電壓保護(hù)靠近中性點(diǎn)側(cè)的20%～25%，這樣三次諧波電壓接地保護(hù)不僅可以幫助消滅基波零序電壓定子接地保護(hù)的死區(qū)，它與基波零序電壓定子接地保護(hù)結(jié)合起來完成了發(fā)電機(jī)的100%定子接地保護(hù)。

參考文獻(xiàn)

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[2] 袁季修.發(fā)電機(jī)三次諧波電勢(shì)分布及其等值電路[J].中國電力，1984，（9）.

（責(zé)任編輯：周 瓊）