小灣電廠發電機定子改接線對定子接地保護整定值的影響

鄭智燊+++邢志江

摘 要：本文分析了小灣電廠發電機定子改接線對定子接地保護整定值的影響，介紹了發電機定子接地保護定值現場整定方法。通過單相接地的整定試驗證實了定子改接線對定子接地保護整定值的影響。

關鍵詞：三次諧波；定子接地保護、阻抗補償。

0 引言

小灣水電站位于瀾滄江中下游河段大理州南澗縣和臨滄市風慶縣交界處，是“西電東送”的標志性工程；總裝機容量420萬千瓦（6×700MW）。

小灣發電機采用整數槽（q=4）波繞組（定子繞組節距為y1=13、y2=11），40極，定子槽數為480，每相8分支，每分支20個線圈。電站投產后，發電機線棒陸續出現電暈現象，阿爾斯通水電設備（中國）有限公司通過改進發電機定子繞組接線方式對線棒進行防暈處理。

發電機定子改接線不會改變發電機單相接地時的零序電壓分布規律，因此不會對利用零序電壓原理構成的定子接地保護造成影響，但發電機定子改接線改變了定子對地分布電容，會影響三次諧波定子接地保護及注入式定子接地保護的整定值。

1 發電機定子改接線簡介

小灣電廠發電機原繞組繞線方式中，所有繞組的走線方向都是相同的，這就造成相鄰的不同相別的線棒（定子端部每8根線棒）之間的電勢差逐漸從零（中性點端）變大到18kV（出口段），繼而造成定子繞組電場分布不均，局部電勢差過高，加重了電暈。為解決電暈問題，小灣電廠對發電機定子進行改接線，改變部分支路繞組的走線方向，使相鄰的不同相別繞組的走線方向相反，這樣就使得它們之間的電勢差始終保持在10.4kV左右，從而降低繞組間的局部電勢差、改善線棒間的電場分布，進而減少、減弱電暈的發生[1]。

2 發電機定子改接線對三次諧波定子接地保護定值的影響

發電機三次諧波定子接地保護是通過比較發電機機端和中性點的三次諧波電壓的比值，來判斷發電機是否滿足定子接地相關動作條件，以達到檢測距中性點5%～15%范圍內定子接地故障的目的。三次諧波定子接地保護的動作判據為：U3T/U3N >K3wzd，式中： U3T、U3N為機端和中性點三次諧波電壓值，K3wzd為三次諧波電壓比定值。機組在并網后，受變壓器對地容抗的影響，機端等值容抗會發生較大的變化，三次諧波電壓比值也會隨之變化，因此微機保護在機組并網前后各設置一個三次諧波電壓比值整定值，根據機組出口斷路器位置接點變化自動切換。

根據實際運行情況，正常運行時機端和中性點三次諧波電壓比值并不是一個固定的值，隨著機組有功負荷變化而變化。這是因為：隨著發電機運行工況的改變，定子繞組各點溫升有差異，不同程度改變著定子繞組各點對地電導的大??；隨著發電機運行工況的改變，發電機沿磁極表面各部位飽和程度不一致，發電機磁場是不均勻分布的，由此造成三次諧波電動勢的不均勻；隨著發電機運行工況的改變，升壓變壓器的鐵芯飽和程度不同，變壓器產生的三次諧波電動勢也不同[3]。

發電機定子改接線后，改變了發電機定子繞組對地電容分布，將對機端和中性點三次諧波電壓比值U3T/U3N造成影響，同時比值U3T/U3N又隨著機組有功負荷變化而變化。因此需要實際測量定子改接線后，機組不同運行工況下機端和中性點三次諧波電壓比值的最大值，以此為依據對三次諧波電壓定子接地保護定值進行整定。

小灣電廠1、2、3號機組定子改接線前后三次諧波現場試驗測量數據如下表。

通過現場試驗測量可以看出，定子改接線后U3T/U3N的實測最大值比改接線前增大了，根據理論計算可以得出，發電機定子單相接地故障時：

（1）

（2）

U3T/U3N增大，則 就減小，所以小灣電站發電機定子改接線縮小了三次諧波定子接地保護的保護范圍。

3 發電機定子改接線對注入式接地保護定值的影響

3.1 注入式定子接地保護簡介

小灣電廠發變組B套定子接地保護使用的是20Hz電源注入式保護，其原理是在發電機定子回路對地之間外加一個20Hz交流電源，保護的動作判據為：RE﹤RE.SET﹠IG0﹥ISAFE，即發電機定子繞組接地電阻小于接地電阻跳閘定值且流過發電機接地設備的零序電流大于安全接地電流定值時，保護動作跳閘。發電機正常運行時，三相定子繞組對地是絕緣的，20Hz電源回路檢測到的定子繞組接地電阻很大。而發生定子接地故障時，20Hz電源回路將檢測到定子繞組的接地過渡電阻值，該值小于接地電阻跳閘定值，同時發電機接地設備將流過較大的零序電流，使保護滿足動作條件跳閘。保護具體接線方式為：發電機中性點接地變壓器副邊接負載電阻，20Hz注入式電源疊加在負載電阻上，通過接地變壓器副邊耦合至一次側。

注入式接地保護的整定值主要有：接地電阻定值、安全接地電流定值、相角補償值、電阻補償值、電抗補償值、電阻折算系數、電壓回路監視定值、電流回路監視定值。

3.2 接地電阻定值

發電機中性點經接地變壓器高阻接地，當定子繞組發生單相接地故障時，其等效的基波零序回路電路如圖2所示。圖中，E為發電機相電壓；RE為故障點的接地過渡電阻；α為接地故障位置至中性點的匝數占定子繞組一相串聯總匝數的百分比；Rn為中性點接地電阻；Xc為三相定子繞組側系統對地總電容的容抗； U0為基波零序電壓；IE為流過故障點的基波零序電流。

考慮發生嚴重的機端接地故障，根據規程允許的接地故障電流值，通過等效電路求出接地過渡電阻值，此電阻值作為保護接地電阻報警值和調整值的整定依據。

根據等效電路可得出

（3）

式中RN為接地變壓器等效至發電機一次側的電阻值。

根據公式（3）可以計算出機端接地故障時在規定接地故障電流下的過渡電阻值。接地過渡電阻值由兩部分組成：可以看出第一部分是一個固定值（機端接地時α=1，IE取規程允許的接地故障電流值）；第二部分在定子改接線后變化很小，這是因為發電機定子繞組對地總電容的容抗Xc比RN大得多，定子改接線后Xc發生了一定的變化，但Xc仍然比RN大得多，RN/（-jXc）的值變化很小。

綜上所述，定子改接線前后，機端接地故障時在規定接地故障電流下的過渡電阻計算值變化很小，所以注入式定子接地保護的接地電阻定值受發電機定子改接線的影響很小。

3.3 安全接地電流定值

發電機停機時，機端金屬性接地，串接一電流表，發電機零起升壓，當電流表顯示接地故障電流到達安全電流時，讀取保護裝置檢測到的流過接地變壓器電流IG0，作為安全接地電流的定值。這是比較準確的安全接地電流的整定方法[7]。

如圖2在定子繞組對地總電容和接地變壓器構成的并聯回路中，流經接地變壓器的接地故障電流為：

（4）

由于發電機定子繞組對地總電容的容抗Xc比RN大得多，所以流經接地變壓器的電流占發電機接地故障電流的很大一部分。發電機定子改接線雖然改變了定子繞組對地總電容的容抗Xc，但Xc仍比RN大得多，定子繞組對地總電容和接地變壓器構成的并聯回路的總阻抗變化很小，流經接地變壓器的接地故障電流的變化也很小，所以對安全接地電流定值不會有太大的影響。

3.4 相角補償值

發電機在正常絕緣情況下，注入電流表現為電容電流，注入電壓滯后注入電流90°，由于電壓、電流回路硬件檢測通道相位存在延遲差異，會使電壓、電流相位發生偏移。因此須查看正常狀態下保護裝置顯示的相角，然后通過修改相角補償值進行相角補償，使補償后的相角為270°[8]。

發電機定子改接線后改變了定子繞組對地總電容容抗Xc的大小，但不會改變注入電流、電壓的相角關系，因此發電機定子改接線對注入式定子接地保護的相角補償值沒有影響。

3.5 電阻、電抗補償值

電阻補償值、電抗補償值的整定方法為：發電機停機狀態下，接地變壓器高壓側對地短路，投入“補償試驗狀態投入”控制字，讀取測量電阻二次值作為電阻補償值，讀取測量電抗二次值作為電抗補償值。經補償后裝置測量的電阻值應該接近為零[8]。

20Hz注入式電源的等效電路如圖3所示，圖中， 、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，、是接地變壓器激磁阻抗，EZ是注入式電源電動勢，各參數均為20Hz下折算到接地變壓器二次側的值?？梢钥闯?，接地變壓器高壓側對地短路時，所測量出來的電阻二次值、電抗二次值，實際上就是接地變壓器的電阻、電抗值，因此發電機定子改接線對注入式定子接地保護的電阻補償值、電抗補償值沒有影響。

3.6 電阻折算系數

理論上電阻折算系數，但實際的接地變壓器電壓變比nt、分壓器分壓比、中間電流互感器變比與設計值之間有偏差，因此需按現場模擬接地故障試驗調整該系數。發電機停機狀態下，中性點對地經過電阻接地，將實際電阻值與裝置中測量的接地電阻值進行比較，電阻折算系數，其中RE為實際接地故障電阻的阻值（一次值），為裝置測量到的接地電阻的二次值。調整折算系數后，裝置測量結果（一次值）應與實際電阻阻值相對應。由上述可見，電阻折算系數與電壓、電流回路變比有關，發電機定子改接線對注入式定子接地保護的電阻折算系數沒有影響。

3.7 電壓回路監視定值

在發電機停機狀態下，發電機中性點做金屬性短路試驗，實測低頻零序電壓為，則電壓回路監視定值，其中Krel為可靠系數，取0.4～0.6。根據T型等效電路圖（圖3）可以看出，發電機中性點金屬性短路時，其實測低頻零序電壓的大小與定子繞組對地總電容的容抗Xc無關，因此發電機定子改接線對注入式定子接地保護的電壓回路監視定值沒有影響。

3.8 電流回路監視定值

在發電機停機狀態下，無接地故障時，保護裝置實測低頻零序電流為IG0.min，則電流回路監視定值，其中Krel為可靠系數，取0.4～0.6。

無故障時保護裝置檢測到的低頻零序電流主要為發電機對地低頻電容電流，其大小與定子繞組對地總電容的容抗Xc有很大關系，因此發電機定子改接線對注入式定子接地保護的電流回路監視定值有較大影響。

3.9 注入式定子接地保護現場試驗情況

小灣電廠1、2、3號機組定子改接線前后注入式定子接地保護現場試驗整定數據如下表。

從表中數據可以看出，小灣電站發電機定子改接線前后，通過現場試驗方法整定的注入式定子接地保護的相角補償值、電阻補償值、電抗補償值、電阻折算系數、電壓回路監視定值變化很小，只有電流回路監視定值發生了比較明顯的變化。

4 結束語

小灣電站發電機定子改接線后，定子繞組對地總電容的容抗Xc發生了變化，改變了正常運行時機端和中性點三次諧波電壓比值，使三次諧波定子接地保護的保護范圍縮小。對于注入式定子接地保護，定子改接線后改變了發電機對地低頻電容電流的大小，從而影響了電流回路監視定值，對注入式定子接地保護的其他定值影響很小或者沒有影響。綜上所述，發電機定子接線結構發生變化后，會對三次諧波定子接地保護定值及注入式定子接地保護的部分定值造成影響，需要對這兩種定子接地保護的定值重新進行現場試驗整定。