一起注入式定子接地保護誤動分析與改進措施

王 林

（向家壩電廠，四川 宜賓644612）

0 引言

發電機定子是發電站的核心設備，保障其安全可靠的運行極為重要。運行經驗表明定子單相接地故障是發電機定子繞組絕緣破壞最常見的故障，又往往是破壞嚴重的相間/匝間短路發生的先兆，所以100%定子接地保護動作的靈敏性和可靠性顯得尤為重要，可以大大降低內部故障發生的幾率。基于保護發電機主設備考慮，發電機定子接地除設有基波零序電壓和3次諧波構成的100%定子接地保護外，還設一套注入式定子接地保護，以實現發電機靜止、啟停、正常運行等各種工況下100%定子接地保護。隨著電站發電機運行管理經驗的積累，人們對發電機注入式定子接地保護有了較全面系統的認識，但是注入式定子接地保護整定的難度較基波零序電壓和3次諧波原理復雜許多。因此發電機在某種異常工況運行時，注入式定子接地保護誤動作依然時有發生。本文對發生在某大型水力發電站的一起注入式定子接地保護誤動作案例進行了介紹及深入分析，并給出了一些可行的改進措施。

1 注入式定子接地保護的設計與原理

注入式定子接地保護的二次接線如圖1所示。發電機中性點經過接地變壓器接地，接地變副邊并聯負載電阻Rn，輔助電源裝置（RCS-985 U）將低頻電壓加在負載電阻Rn上，并通過接地變壓器，將低頻電壓信號注入到發電機定子繞組對地的零序回路中。

圖1 注入式定子接地保護二次接線圖

注入式定子接地保護的實現原理如圖2所示。正常情況下，注入的低頻電流主要是流過對地電容的電容電流。若對地絕緣受到破壞，注入電流出現電阻性電流。保護裝置（RCS-985）檢測注入的電壓、電流信號，通過導納法可計算出接地過渡電阻阻值，可以反映發電機100%的定子繞組單相接地。

電阻判據分為高、低定值段，高定值段（靈敏段）動作于報警，低定值段動作于跳閘。

圖2 注入式定子接地保護實現原理圖

2 保護誤動作情況與分析

2.1 保護動作情況簡介

2019年 1月 24日 22：27：29：270某電站 1號機組減功率到零，正常停機至GCB分閘時，因開關機械故障發生了非全相運行。后來檢查發現開關A、B相已斷開，C相依然處于合位。此時發電機啟動逆變滅磁，主變高壓側開關處于合位。22：27：35：469發電機A套保護發出“注入式定子接地靈敏段”動作；22：38：59：679，GCB 和主變低壓側間的隔離刀閘分開，切斷發電機和系統側聯系后，“注入式定子接地靈敏段”動作復歸。

2.2 保護動作的邏輯分析

發電機保護裝置注入式定子接地保護邏輯原理如圖3所示。

圖3 發電機保護裝置注入式定子接地保護邏輯原理

RE為發電機定子繞組接地電阻，發電機定子繞組的高定值（靈敏段定值）RE.SET.H為5 kΩ，報警延時定值5 s；發電機定子繞組的低定值（跳閘定值）RE.SET.L為1 kΩ，跳閘延時定值0.5 s；查看發電機保護A套裝置定子接地保護故障波形報文，見圖4。定子接地電阻（Rs）為2.04 kΩ，低于發電機定子繞組靈敏段定值，高于定子繞組低定值，故發電機A套保護裝置注入式定子接地靈敏段動作與邏輯原理一致。

圖4 1 FB發電機A套保護裝置異常報文

2.3 保護動作（誤動）的原因分析

根據以上邏輯分析，看似本次動作為正確動作。但實際根據故障錄波分析以及后來停電檢查，均未發現發電機定子及主變低壓側有接地的情況，對注入式定子接地保護相關回路及元器件進行檢查未見異常。因此著手從影響注入式定子接地保護的外部因素查找原因：

2.3.1 發電機中性點3次諧波對注入式定子接地保護的影響

發電機中性點3次諧波電壓會耦合到發電機中性點接地變壓器低壓側，對注入式定子接地保護的采樣產生影響。如表1所示，隨著發電機中性點3次諧波增大，低頻電壓基本無變化、低頻電流略微增大、低頻電壓電流間相角增大較明顯。低頻電壓、電流的細微變化對接地電阻計算影響可以忽略，但相角對接地電阻計算影響較大。經計算，如果相角受3次諧波影響，偏差超過10°左右，注入式定子接地保護可能誤報警，偏差超過25°左右，注入式定子接地保護可能誤出口跳閘。

由表1數據可知，發電機在各種機端電壓運行時，中性點3次諧波會影響注入式定子接地保護的信號采集，從而影響接地電阻的計算結果。從表中數據可知，低頻電壓、電流間相角在發電機停機狀態和額定電壓空載狀態下偏差最大，達到了12.5°，此時注入式定子接地保護的計算電阻值仍大于5 kΩ，不會造成注入式定子接地保護誤動作。因此，注入式定子接地保護采用相角補償1（340.5°）、相角補償2（349°）兩段式補償（以 80%Un為分界點），可以確保發電機在各種機端電壓下運行正常。由以上分析可知，1 F注入式定子接地保護各項定值及參數設置正確，本次注入式定子接地保護（靈敏段）誤動與中性點3次諧波無關。

表1 1 F各試驗工況下注入式定子接地保護運行情況

2.3.2 發電機中性點基波零序分量對注入式定子接地保護的影響

發電機中性點基波零序分量會耦合到發電機中性點接地變壓器低壓側，對注入式定子接地保護的采樣產生影響。如表2所示，在發電機機端單相接地試驗時，隨著發電機中性點零序電流增大（此時發電機中性點3次諧波較小，影響不大），低頻電壓略微減小、低頻電流略微增大、低頻電壓電流間相角增大較明顯。在發電機單相金屬性接地時，該變化對接地電阻的計算影響有限，可以忽略。但在發電機不接地或高阻接地或其他會產生零序分量的異常工況（例如三相不一致）時，該變化可能引起注入式定子接地保護誤動作。因為發電機中性點零序分量較大，對發電機注入式定子接地保護的信號采集產生了影響，尤其是對低頻、電壓電流間相角的影響較大，導致發電機注入式定子接地保護靈敏段（定值為5 kΩ）動作。但在發電機正常運行工況下，不存在零序分量，可以忽略零序分量的影響。

表2 1 F發電機機端單相接地試驗注入式定子接地保護運行情況

由表2數據可知：發電機中性點零序電流會影響注入式定子接地保護的信號采集，從而影響接地電阻的計算結果，因為發電機正常運行時不存在零序電流，因此不會影響注入式定子接地保護的運行。但是，在發電機非全相運行等異常工況下，會產生零序電流，可能導致注入式定子接地保護（靈敏段）誤動作。

本次注入式定子接地保護誤動就是由于發電機GCB開關分閘時，因開關C相機械故障未分開，發生了非全相運行，此時的發電機中性點零序電流為0.04 A（二次值），如圖5所示，而發電機正常運行時接近為0 A。0.04 A的發電機中性點零序電流對發電機注入式定子接地保護的信號采集產生了影響，尤其是對低頻、電壓電流間相角的影響較大，使發電機注入式定子接地保護計算值低于靈敏段定值（5 kΩ），從而導致該保護誤動作。

圖5 1 F發電機中性點零序電流異常報文

3 改進措施

根據發電機保護裝置注入式定子接地保護邏輯，如圖3所示，注入式定子接地保護（靈敏段）僅判斷接地電阻值是否低于某個值，從以上分析可知，在某種異常工況時（例如非全相運行）注入式定子接地保護（靈敏段）可能會誤動作，對事故處理產生嚴重影響。因此建議在該邏輯判斷中增加電流判據，如圖6所示，增加發電機中性點零序電流I中性點＞Iset，根據規程規定，本水電站最大允許的接地故障電流值為0.08 A（二次值），因此可將發電機中性點零序電流I中性點＞0.08 A做為注入式定子接地保護（靈敏段）的必要條件。本次發電機異常運行時，中性點零序電流僅為0.04 A（二次值），注入式定子接地保護（靈敏段）不可能動作。

4 結語

發電機安全穩定運行是電網穩定的前提，因此發電機保護的可靠性及靈敏度均至關重要，但本文提到的發電機在某種異常運行工況時，發電機中性點零序電流對注入式定子接地保護接地阻值的計算產生干擾，進而導致誤動是客觀存在的。本文提出的改進措施在一定程度上避免了發電機在非全相運行這種異常工況時注入式定子接地保護（靈敏段）的誤動作，同時也未調整注入式定子接地保護靈敏段的定值，對該保護的靈敏度未產生影響，在發電機實際發生定子接地時能夠較靈敏的發出有效的預警，對其他電站同類型結構發電機組的運維有較好的借鑒意義。