亭子口水電站定子接地保護(hù)配置及原理介紹

易　帥，胡　威，莫星福

（嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司，四川 蒼溪 628400）

亭子口水電站定子接地保護(hù)配置及原理介紹

易帥，胡威，莫星福

（嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司，四川 蒼溪 628400）

簡述了亭子口水電站大型發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)的基本配置情況，并詳細(xì)介紹了20 Hz低頻注入式、基波零序電壓和三次諧波電壓定子接地保護(hù)的原理以及它們在亭子口水電站的具體運(yùn)用。

亭子口水電站；定子接地保護(hù)；低頻注入式；基波零序電壓；三次諧波電壓

0　前言

嘉陵江亭子口水利樞紐位于四川省廣元市蒼溪縣境內(nèi)的嘉陵江干流中游河段的上段，電站總裝機(jī)容量1100MW，主廠房安裝4臺(tái)單機(jī)容量為275MW的混流式水輪發(fā)電機(jī),是川東北地區(qū)規(guī)模最大具有年調(diào)節(jié)的水電電源。

發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地是比較常見的故障，如果沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除可能引發(fā)發(fā)電機(jī)內(nèi)部的相間或者匝間短路，造成更嚴(yán)重的后果，因此，擁有及時(shí)檢測到發(fā)電機(jī)定子繞組接地故障的保護(hù)裝置顯得尤為重要。目前，基波零序電壓加三次諧波電壓構(gòu)成的100%定子接地保護(hù)得到廣泛的應(yīng)用，但基波零序電壓保護(hù)在中性點(diǎn)存在死區(qū)和傳統(tǒng)的三次諧波電壓保護(hù)容易誤動(dòng)且靈敏度不高的缺陷很難對定子繞組進(jìn)行長期有效、可靠的保護(hù)。采用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)三次諧波原理的定子接地保護(hù)的性能有所提高，但仍需改進(jìn)和完善[1]。

從發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)接地變壓器注入20Hz附加電壓，極大的提高了定子接地保護(hù)的可靠性，它不僅不受發(fā)電機(jī)故障位置和運(yùn)行狀態(tài)的影響，而且還能單獨(dú)實(shí)現(xiàn)對整個(gè)定子繞組絕緣的保護(hù)，保護(hù)無死區(qū)。采用注入信號電壓和電流大小的方法，其整定值受發(fā)電機(jī)絕緣水平的影響較小，保護(hù)比較穩(wěn)定、完善，是一種比較理想的定子接地保護(hù)[2]。

1　亭子口水電站定子接地保護(hù)的配置

亭子口水電站發(fā)電機(jī)保護(hù)采用的是許繼WFB-801A微機(jī)保護(hù)裝置，采用A、B屏雙套配置，實(shí)現(xiàn)雙套主保護(hù)，雙套后備保護(hù)，A屏的定子接地保護(hù)是外加20Hz低頻交流電源，而B屏的定子接地保護(hù)是由基波加三次諧波構(gòu)成。由于基波零序電壓原理定子接地保護(hù)在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)存在死區(qū)，三次諧波電壓原理定子接地保護(hù)在運(yùn)行中容易誤動(dòng)，且在對地電容增加的情況下靈敏度不高，為保證發(fā)電機(jī)能夠及時(shí)檢測到定子接地故障，保護(hù)A柜采用20Hz注入式定子接地保護(hù)[3]。

2　20 Hz注入式定子接地保護(hù)

發(fā)電機(jī)外加20Hz電源定子單相接地保護(hù)可以保護(hù)包括發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)在內(nèi)的整個(gè)定子繞組，保護(hù)靈敏度高，不受接地位置影響，保護(hù)無死區(qū)，可檢測定子絕緣的緩慢老化，且在機(jī)組起停、空載和并網(wǎng)運(yùn)行等各種工況下都能可靠監(jiān)視定子繞組的絕緣情況[3]。

如圖1所示，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)過配電變壓器接地，配電變副邊并聯(lián)一接地電阻。外加20Hz低頻電源疊加在電阻上，通過配電變副邊耦合至一次側(cè)[3]。發(fā)電機(jī)定子繞組側(cè)絕緣正常時(shí)，計(jì)算出接地電阻為無窮大，一旦發(fā)生定子繞組單相接地故障或絕緣下降，電壓U、電流I均發(fā)生變化，從而可計(jì)算得到接地電阻值，動(dòng)作于信號或者跳閘。

發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)配電變接地，考慮配電變壓器參數(shù)的等效電路圖如圖2

圖1　20Hz注入式定子接地保護(hù)接線圖

圖2　考慮配電變壓器參數(shù)的T型等效電路

R'1，X'1，R2，X2分別是一、二次側(cè)繞組漏阻抗；R'm，X'm是激磁阻抗；各參數(shù)為20Hz下折算到二次側(cè)的值，其中漏阻抗R'1=R2=Rk/2，X'1=X2=Xk/2；Rk，Xk是配電變壓器的短路阻抗。圖2中，U˙為注入電源電勢在Rn上的分壓；I˙為流過配電變副邊繞組的電流；Rn為中性點(diǎn)配電變副邊并聯(lián)電阻；-jX'C為三相定子繞組側(cè)對地總的容抗，R'C為三相定子繞組側(cè)對地電容的等效串聯(lián)電阻，它是由發(fā)電機(jī)制造材料引起的一種介質(zhì)損耗；Rg為一次接地電阻[4]。

由圖2可以得到下面的一組方程：

由式（1）及圖2可得

保護(hù)測得的發(fā)電機(jī)電壓系統(tǒng)對地的電阻（即單相接地的過渡電阻）R 為：

其中，nv為配電變壓器的變比。

發(fā)電機(jī)20 Hz注入式定子接地保護(hù)的邏輯框圖如圖3所示。

當(dāng)接地故障電阻計(jì)算值低于電阻的高整定值時(shí)保護(hù)發(fā)告警信號，當(dāng)接地故障電阻計(jì)算值低于電阻的低整定值時(shí)保護(hù)動(dòng)作于跳閘。另外設(shè)有工頻零序過流定子接地保護(hù)作為外加交流20Hz電源發(fā)電機(jī)定子單相接地保護(hù)的補(bǔ)充[5]。

由于保護(hù)測量阻抗對電流、電壓大小及相位比較敏感，接地阻抗越大，裝置阻抗越大，裝置電流采樣值越小，當(dāng)電流、電壓大小及相位發(fā)生微小波動(dòng)時(shí)，將導(dǎo)致測量阻抗波動(dòng)比較大。

圖3　20Hz注入式定子接地保護(hù)邏輯框圖

3　100%定子接地保護(hù)

基波零序電壓和三次諧波電壓共同完成100%定子接地故障的保護(hù)任務(wù)。由基波零序電壓保護(hù)發(fā)電機(jī)距機(jī)端95%范圍內(nèi)定子繞組單相接地故障（中性點(diǎn)附近有5%的死區(qū)）；三次諧波電壓保護(hù)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)附近定子繞組的單相接地。當(dāng)發(fā)電機(jī)定子繞組任一點(diǎn)發(fā)生單相接地時(shí)，該保護(hù)按要求的時(shí)限動(dòng)作于跳閘或者信號。

3.1基波零序過電壓保護(hù)

基波零序電壓設(shè)高定值、低定值兩段保護(hù)。

低定值零序電壓原則上按躲過正常運(yùn)行時(shí)中性點(diǎn)單相電壓互感器或者機(jī)端互感器開口三角繞組的最大不平衡基波零序電壓整定，工程應(yīng)用中整定值須躲過系統(tǒng)高壓側(cè)和廠變低壓側(cè)接地短路時(shí)傳遞到發(fā)電機(jī)側(cè)的最大零序不平衡電壓。保護(hù)經(jīng)延時(shí)動(dòng)作于跳閘或者信號，延時(shí)時(shí)間大于高壓側(cè)接地后備保護(hù)最大延時(shí)時(shí)間。

高定值零序電壓一般整定為20～30 V，保護(hù)經(jīng)短延時(shí)動(dòng)作于跳閘或者信號，延時(shí)時(shí)間一般整定0.5s。

3.2三次諧波定子接地保護(hù)

三次諧波動(dòng)作判據(jù)為：

其中U˙3s和U˙3n分別為機(jī)端電壓互感器開口三角繞組和中性點(diǎn)電壓互感器輸出中的三次諧波分量；K'P為機(jī)端和中性點(diǎn)電壓互感器的變比調(diào)整系數(shù)，由用戶輸入的電壓互感器設(shè)備參數(shù)后保護(hù)裝置自動(dòng)計(jì)算。K'、K"分別是方案1、2的諧波比系數(shù)，K˙P為向量系數(shù)。方案1分并網(wǎng)前、后兩套定值，根據(jù)機(jī)組并網(wǎng)前后裝置實(shí)測到的最大三次諧波電壓比分別整定，采用斷路器輔助接點(diǎn)自動(dòng)切換定值，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)全程投入，方案2僅在機(jī)組并網(wǎng)后投入[6]。

3.3接地電阻值整定

接地電阻低定值整定按在距發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的20%以內(nèi)發(fā)生一點(diǎn)接地，接地故障點(diǎn)電流3I0不大于安全接地電流IS（大小為1 A）為原則。即：

式中Rg為接地過渡電阻，RN為中性點(diǎn)一次接地電阻值，Xco為每相對地的容抗。Ugn為發(fā)電機(jī)機(jī)端額定線電壓，Rg.set為接地電阻的整定值。

按照上式可計(jì)算出Rg.set。此處應(yīng)考慮發(fā)電機(jī)、主變低壓側(cè)、廠高變高壓側(cè)、機(jī)端電壓互感器以及封閉母線的絕緣水平。一般高定值取2 kΩ～10 kΩ；低定值一般取0.5 kΩ～5 kΩ。

低定值電阻接地延時(shí)，一般取0.5 s～2 s；高定值一般取2 s～5 s。

3.4基波零序電流整定

一般取保護(hù)范圍為發(fā)電機(jī)定子繞組的80%～90%，則當(dāng)偏移電壓達(dá)到全偏移電壓的α（10%～20%）時(shí)，保護(hù)必須動(dòng)作，整定值為：

式中α一般可取為20%；K1為可靠系數(shù)，一般取1.1。

按上式算出的I50.set整定值，還需校驗(yàn)I50.set值應(yīng)大于正常運(yùn)行時(shí)中性點(diǎn)點(diǎn)位偏移引起的I50值，保證基波零序過流保護(hù)不誤動(dòng)。

3.5基波零序電壓型定子接地啟動(dòng)條件

當(dāng)機(jī)端或中性點(diǎn)基波零序電壓大于基波零序電壓低值（或高值）整定值時(shí)，啟動(dòng)元件動(dòng)作[6]。

3.6定子接地保護(hù)邏輯框圖[7]

圖4　定子接地保護(hù)邏輯框圖

4　結(jié)語

亭子口水電站發(fā)電機(jī)采用“基波零序電壓加三次諧波電壓”和20Hz注入式的定子接地保護(hù)構(gòu)成雙重化的100%定子接地保護(hù)，大大提高了定子接地保護(hù)的可靠性，兩種保護(hù)互相配合，其保護(hù)范圍可以覆蓋整個(gè)定子繞組，不受故障位置的影響，且不易誤動(dòng)，靈敏度高，能夠有效的保護(hù)發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣，自投產(chǎn)發(fā)電3年來良好的運(yùn)行結(jié)果證明了該保護(hù)已成功應(yīng)用于亭子口電站。

[1]季克勤，房鑫炎.用外加電源式定子接地保護(hù)提高保護(hù)靈敏度的研究[J].繼電保護(hù)，2007，35（9）.

[2]王李東，陳偉，董鐘明.三峽右岸電站國產(chǎn)定子接地保護(hù)的應(yīng)用[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2008，31（6）.

[3]駱佳勇，李光耀.溪洛渡水電站發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)配置及原理介紹[J].水電廠自動(dòng)化，2012，33（4）.

[4]郭寶甫，陳海龍，畢大強(qiáng)，等.外加20Hz電源定子接地保護(hù)在三峽右岸水電機(jī)組上的應(yīng)用[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測，2011，35（2）.

[5]弓小亮.積石峽水電站外加20Hz定子接地保護(hù)應(yīng)用的分析研究[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2014（2）.

[6]劉海燕，劉向磊，陳贊.柬埔寨達(dá)岱水電站定子接地保護(hù)動(dòng)作分析[J].水電與新能源，2015（2）.

[7]許繼電氣股份有限公司.WFB-800A系列微機(jī)型發(fā)電機(jī)變壓器組成套保護(hù)裝置技術(shù)說明書（V1.0）[Z]，2010.

TM862

B

1672-5387（2016）11-0025-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.11.008

2016-05-04

易帥（1991-），男，助理工程師，從事發(fā)電廠運(yùn)行工作。