西門子注入式定子接地保護監視電壓低分析及處理

陳鳳華 吳昊

摘 要：本文介紹了西門子20 Hz注入式100%定子接地保護原理，針對注入式保護接地變壓器二次監視電壓低的原因、對保護靈敏度的影響，及其改進措施，均作了詳細的介紹。

關鍵詞：100%定子接地保護；監視電壓；接地變壓器；傳變電阻

1 概述

西門子20Hz注入式保護是應用廣泛的100%定子接地保護裝置。該保護原理為利用外部20Hz的電源施加在發電機接地變壓器的二次側，20Hz電壓通過接地變壓器傳導至發電機定子，通過對地負載而產生回路電流，保護裝置通過檢測二次側的20Hz電壓電流值，計算其二次阻抗的大小，進而折算出一次側接地電阻的大小，以確定保護的動作行為。二次回路連接圖如下圖1、圖2所示，發電機中性點接地方式為經接地變壓器高阻接地，20Hz脈沖電源發生器7XT33經帶通濾波器7XT34，將電壓加于接地變壓器的二次側，通過接地變傳導至定子回路。AREVA保護裝置P345通過測量回路電壓V64S和電流I64S，用來計算對地電阻R64S，同時監視回路電壓V64S和電流I64S檢查電源裝置是否輸出異常、回路是否開路，當電壓、電流都低于某一監視門檻時，為避免100%定子接地保護誤動或誤動，則需要閉鎖100%定子接地保護，以免保護誤動跳機。

2 監視電壓低故障

惠蓄電廠#4機組100%定子接地保護曾在停機穩態時出現電壓低閉鎖保護告警信號。閉鎖電壓定值為1V，閉鎖電流定值為10mA。

回路的電壓是經過2/5分壓電阻進行采樣的（采樣后電壓為V64S′），即P345采樣電壓為1V時，實際加到接地變壓器二次側的回路電壓為：

現場測量#4機組的監視電壓V64S確實小于2.5V。而外部回路的阻抗近似為0.52Ω負載電阻RL與保護盤柜到接地變壓器盤柜的電纜電阻串聯后的阻抗之和，實際加到接地變二次電壓甚至更低（0.33Ω為電纜電阻）。

如果盲目調低閉鎖電壓定值作為解決辦法，不僅沒有解決接地變壓器二次負載電阻電壓U20低的問題，甚至還降低了保護的靈敏度。

3 原因分析

電壓U20實際為接地變二次綜合負載電阻與帶通濾波器等值電阻Ri的分壓，當頻率一定時，回路電壓U20與接地變二次綜合負載電阻之間基本呈正比關系，因此監視電壓變低的可能有以下四個原因：

1）20Hz電源發生器7XT33輸出頻率降低，導致帶通濾波器的等值阻抗隨頻率降低而增大，使其電阻分壓增大[ 1 ]，U20變低；

2）20Hz電源發生器輸出方波電壓幅值降低，U20變低；

3）20Hz帶通濾波器等值電阻Ri變大，U20變低；

4）溫度下降，導致接地變壓器二次負載電阻RL電阻值變低，U20變低；

通過測量及更換電源、濾波器備件等方法，仍不能使監視電壓提高，電壓低閉鎖保護告警依然存在。

對比我廠其他機組的監視電壓值，A廠其它機組V64S均略大于2.5V小于2.6V，B廠機組的電壓V64S略大于2.7V。

由于監視電壓值均比較接近告警定值，我們認為是由于接地變壓器二次負載電阻設置過低造成。根據ANSI.IEEE C37.101—1985《發電機接地保護導則》的要求，發電機中性點經接地變壓器高阻接地時，接地變壓器二次負載電阻折算至發電機側時，其阻值RL應該接近或略小于發電機三相對地容抗[ 2 ]（RL是發電機設計階段根據定子對地負載而設計，過大容易導致產生過電壓、過小容易導致過大的接地電弧電流），可以起到限制暫態過電壓的作用。

惠蓄電廠的發電機定子三相對地容抗為：

而接地變壓器二次負載電阻歸算至定子繞組側的電阻值為：

RL=0.52×（）2 =674Ω

理論上可以通過增大接地變壓器二次負載電阻的方法來提高100%定子接地保護監視電壓。

但是，增大接地變壓器二次負載電阻后，需重新核算相關接地保護定值，而且需要重新采購負載電阻RL，工作量較大，另外考慮到定子對地電容參數的變化誤差所引起暫態過電壓，在接地變壓器變比不變的情況下，建議保持RL阻值不變。而接地變壓器變比為18kV/0.5kV。保護裝置P345說明：“對于接地變壓器來說，為了避免出現飽和，變壓器一次額定電壓應選擇為發電機額定線電壓18kV，與此同時，為了避免接地變壓器二次側負載電阻RL過小（應大于0.5Ω），接地變壓器變比不能選擇過大，例如變壓器二次額定電壓可以選擇為500V”。而實際上，接地變壓器的二次額定電壓可以選擇更大一點，譬如700V或以上，這樣便可以選擇阻值更大的二次負載電阻RL，從而提高二次負載電阻RL電阻電壓U20。

綜上所述，監視電壓低的根本原因是接地變壓器的二次負載電阻過低造成，接地變二次負載電阻低又是由于接地變變比選取不合適造成，實際選取變比大，接地變壓器的二次負載電阻RL小，那么對于20Hz帶通濾波器在20Hz的等值電阻8Ω來說，接地變壓器二次回路電壓為（考慮電纜電阻）。

考慮20Hz脈沖發生器輸出電壓可能達不到25V、20Hz帶通濾波器等值電阻大于8Ω等因素，監視電壓值很可能小于2.5V，這樣的后果不僅容易閉鎖定子100%接地保護，而且降低了定子100%接地保護的靈敏度，對于高阻接地有可能發生拒動。

4 解決方案及建議

如果發電機中性點的設計是采用經接地變壓器高阻接地的話，需要注意接地變壓器變比選擇，建議選擇Un/700V（Un為發電機額定線電壓）。但是對于已投運電廠，需要更換一次設備，成本投入很大，下面我們提出一種通過增加中間變壓器的簡單有效而且成本低的方法，實現提高監視電壓的目的。

參考西門子標準方案[ 3 ]，如圖3。在20Hz帶通濾波器之后，增加一個10/2.785的降壓變壓器，假設發電機對地電阻視為∞，那么接地變壓器二次綜合電阻約0.52Ω，歸算至降壓變壓器高壓側，電阻值為0.52*（10/2.785）2=6.704Ω，從而增大了分壓。

從而增大了加到定子繞組的20Hz電壓值。這種方法的優點既提高了定子100%接地保護靈敏度，也沒有變更保護裝置接地電阻的測量計算方法，甚至理論上連傳變電阻參數、發電機負載參數、電流互感器電流偏移角等調試參數都不用變更（若忽略電纜電阻的話），只需要增加一個降壓變壓器的成本即可，可執行性高。

5 結論

20Hz注入式100%定子接地保護而言，加在定子上的20Hz電壓幅值大小對保護的靈敏度和可靠性有很大影響，定檢中應列為重點檢查項目，若電壓不足應及時處理。對于已投運的發電機來說，通過增加降壓變壓器可以有效提高從20Hz電源發生器往發電機看過去的二次負載電阻，明顯提高加其上的20Hz電壓幅值，使100%接地保護靈敏度與可靠性兩個指標得到有效的改善，可以為其它具有類似問題的電廠提供參考。

參考文獻：

[1] 賀儒飛.外加電源方式100%定子接地保護的拒動與誤動問題[J].四川電力技術，2005，？28（1）：29-31.

[2] 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，1996.

[3] 20Hz SEF 100% Solution__20Hz 定子100%接地故障處理方案[Z].西門子電力自動化有限公司，2009.

[4] 伍利，彭金寧，姚李孝，等.大型發電機組注入式定子接地保護調試與整定[J].中國電力，2013，46（9）：92-95.

[5] 宋建軍，高迪軍.西門子20Hz電壓注入式100%定子接地保護原理及調試[J].電力科學與工程，2011，27（8）：38-41.

作者簡介：

陳鳳華（1989-），女，廣東廣州人，本科，技師，主要從事蓄能機組機變保護和勵磁等系統的維護、研究與故障處理工作。