長沙樞紐蔡家洲水電站發電機定子100%接地保護淺析

鄧朝君

（長沙市湘江綜合樞紐工程辦公室，湖南 長沙410200）

1 概述

湘江長沙樞紐工程為湘江干流9級開發的最下游一級，蔡家洲電站為河床式電站，廠房內裝設6臺單機容量為9.5 MW的燈泡貫流式水輪發電機組，總裝機容量57 MW，年平均發電量2.315億kW·h，年利用小時數4061 h。發電機-變壓器采用擴大單元接線方式，2臺主變壓器的容量均為40000 kVA，每3臺發電機與1臺主變壓器組成單母線分段接線形式；高壓側110 kV系統采用單母線接線，2進1出，接至威靈220 kV變電所。發電機電壓等級為10.5 kV，中性點連接方式為星形，經單相變壓器接地。6臺機組保護系統均采用國電南京自動化股份有限公司SDG801D數字式保護裝置，發電機100%定子接地保護由基波零序電壓（3U0）式定子接地保護和三次諧波（3ω）式定子接地保護構成。

2 保護原理

基波零序電壓（3U0）式定子接地保護范圍為由機端至機內90%左右的定子繞組單相接地故障，保護接入電壓3U0取自發電機機端電壓互感器TV開口三角繞組兩端。零序電壓（3U0）值隨著接地故障點位置的不同而改變，接地點距離中性點越遠，零序電壓越高；當接地點在中性點附近時，零序電壓接近為零。該保護設置有三次諧波濾波環節，主要反映基波零序電壓，從而降低了保護整定值，有效地提高了保護的靈敏度。由于發電機三相繞組對地電容不完全對稱，正常運行時，中性點存在位移電壓；且在中性點接地時，其零序電壓（3U0）為零，因此基波零序電壓（3U0）式定子接地保護在中性點附近存在保護死區。

三次諧波（3ω）式定子接地保護原理是利用單相接地故障前后發電機中性點與機端三次諧波電壓變化特點不同構成的。正常運行時，中性點三次諧波電壓U3ωN幅值比機端三次諧波電壓U3ωT幅值大；當靠近中性點附近定子接地時，機端三次諧波電壓U3ωT幅值大于中性點三次諧波電壓U3ωN幅值。該保護設置有較高的基波分量濾過比，保護定值采用自動整定方法，通過調試軟件確定動作系數和制動系數。三次諧波式定子接地保護主要是為了消除基波零序電壓式定子接地保護在中性點附近的保護死區，二者共同構成了100%定子接地保護。

2.1 基波零序電壓（3U0）式定子接地保護

2.1.1 保護原理

本站機組零序電壓保護接入電壓3U0取自發電機機端電壓互感器（TV）開口三角繞組兩端，其交流輸入回路如圖1所示。

保護動作方程如下：

式中，3U0—機端TV開口三角繞組二次側電壓；

3U0g—動作電壓整定值

圖1 基波零序電壓（3U0）式定子接地保護交流接入回路

2.1.2 邏輯框圖

為確保TV一次斷線時保護不誤動，引入TV斷線閉鎖。其保護邏輯框圖如圖2所示。

圖2 基波零序電壓（3U0）式定子接地保護邏輯框圖

2.1.3 定值清單

發電機基波零序電壓（3U0）式定子接地保護整定值如表1。

表1

基波零序電壓式接地保護設置有性能良好的三次諧波濾過器，其動作電壓3U0g按躲過正常運行時機端三相電壓互感器TV開口三角繞組二次側可能出現的最大不平衡電壓來整定；同時校核高壓側110 kV系統和廠變低壓側400 V系統發生單相接地時通過耦合電容傳遞到發電機側的零序電壓大小，主要從動作電壓整定值和動作延時兩方面來考慮該保護與系統接地保護之間的配合問題，以確保發電機零序電壓保護的可靠性。

2.2 三次諧波（3ω）式定子接地保護

2.2.1 保護原理

三次諧波電壓（3ω）式定子接地保護按比較發電機中性點及機端三次諧波電壓的大小和相位構成。其保護范圍是：發電機中性點向機內20%左右定子繞組的接地故障，與零序基波電壓（3U0）式定子接地保護聯合構成100%定子接地保護。正常運行時，發電機中性點側的三次諧波電壓大于發電機機端的三次諧波電壓（即U3ωN＞U3ωT），此時保護不會動作；而在中性點附近發生接地故障時，機端三次諧波電壓大于中性點側的三次諧波電壓（即U3ωT＞U3ωN），該保護正確動作。

為了提高該保護的靈敏度，本站三次諧波電壓（3ω）式定子接地保護需采集兩組電壓互感器TV電壓值，即發電機中性點TV和機端TV開口三角繞組二次側電壓，其交流接入回路如圖3所示。

圖3 三次諧波電壓（3ω）式定子接地保護交流接入回路

本站發電機三次諧波定子接地保護，采用矢量比較式（大小和相位）原理，其動作方程如下：

在實際應用中，對以上方程式做如下處理：

則動作量Udz和制動量Uzd分別為：

最終動作方程為：

式中，k1、k2、k3——三次諧波式定子接地保護調整系數定值；

U3ωN、α——發電機中性點三次諧波電壓及其相角；

U3ωT、β——發電機機端三次諧波電壓及其相角；

N——三次諧波通道折算系數。

2.2.2 邏輯框圖

三次諧波電壓（3ω）式定子接地保護邏輯框圖如圖4所示。

圖4 三次諧波電壓（3ω）式定子接地保護邏輯框圖

2.2.3 定值清單

發電機三次諧波電壓（3ω）式定子接地保護整定值如表2所示：

表2

幅值、相位、制動系數k1、k2、k3的整定，利用保護裝置SDG801 D數字式繼電保護調試軟件在發電機并網帶20%～30%額定負荷下進行自整定和調整。

3 運行初期存在的問題及處理

運行初期，3號機組在并網帶負荷運行時經常出現三次諧波電壓（3ω）式定子接地保護動作，導致機組被迫停運。

3.1 問題描述

3號機組空載運行正常，當并網帶上一定的負荷后，便發“三次諧波電壓（3ω）式定子接地保護動作”。本站最初設計是將保護裝置的出口信號“基波零序電壓式定子接地保護”和“三次諧波電壓式定子接地保護”作為一個DI數據送至計算機監控系統，即“發電機定子接地保護動作”，啟動出口動作流程，其動作后果均為“跳發電機出口開關，滅磁，停機，發事故信號”。這樣，在運行初期，3號機組并網帶負荷后經常出現三次諧波電壓（3ω）式定子接地保護動作，致使3號機組被迫停運。檢查保護動作相關信息，顯示動作量（Udz）大于制動量（Uzd），即Udz＞Uzd；查看故障錄波圖，發電機三相電壓均正常，沒有發現明顯的問題。

3.2 檢查及處理

運行初期因多次出現3號機組在并網帶負荷運行時三次諧波電壓（3ω）式定子接地保護動作出口，導致機組非停。相關技術人員對3號機組進行了全面檢查，測量發電機定子絕緣正常，檢查發電機中性點刀閘合上正常，逐一檢查發電機相關設備均未發現明顯問題。后經零起升壓檢查正常并網帶負荷運行，沒過幾分鐘該保護又動作出口，機組停機。

針對這一現象，維護人員認真比對6臺機組發電機三次諧波電壓（3ω）式定子接地保護整定值，并將相關情況與保護設備廠家試驗人員進行充分交流，確定出現該現象的原因是發電機三次諧波電壓（3ω）式定子接地保護調整系數k1、k2、k3整定值不合理，從而導致3號機組該保護誤動作；其他幾臺機組因調整系數k1、k2、k3整定值不合理，存在發電機三次諧波定子接地保護永遠不動作的情況。

后來保護設備廠家試驗人員來現場對所有機組的發電機三次諧波電壓（3ω）式定子接地保護整定值按要求進行了重新整定。通過保護調試軟件，當機組帶20%額定負荷，中性點不接電阻，待整定三次諧波動作量接近于0時，整定并固化此時的k1和k2值；同時在該工況下，在發電機中性點和地之間接入一電阻（2 kΩ左右），調節3ω保護的動作量及制動量，使動作量略大于制動量，整定并固化k3值。按照要求，k1、k2、k3整定并固化后，要進行真機接地試驗來校驗保護動作的靈敏度。即在發電機電壓為零時，在中性點接入一接地電阻（2 kΩ左右），發電機零起升壓至3ω保護動作。若發電機升至額定電壓保護還未動作，需將中性點電阻減少之后，再重復試驗，直到3ω保護動作。

3.3 采取措施

鑒于本站發電機三次諧波電壓（3ω）式定子接地保護存在誤動作的情況，導致機組非停，經生產負責領導同意，將6臺機組發電機保護裝置出口信號“3U0定子接地保護”和“3ω定子接地保護”送至計算機監控系統時分開，在計算機監護系統設置2個獨立的DI數據點，并完善相關二次回路的布線等工作，分別執行不同的動作程序，即“3U0定子接地保護”的動作后果是“跳發電機出口開關，滅磁，停機，發事故信號”；“3ω定子接地保護”僅發告警信號。

4 結語

基波零序電壓式定子接地保護原理簡單，動作可靠，但其存在保護死區，當從中性點向機內10%左右的定子繞組發生接地故障時，該保護不動作。與基波零序電壓式定子接地保護配合共同完成100%定子接地保護的三次諧波式定子接地保護存在誤動的風險，且目前難以進行很好地改進。在今后的運行維護工作中，技術人員還需不斷摸索和總結，積極探索新技術，確保蔡家洲水電站100%定子接地保護的可靠性和靈敏性。