一起注入式定子接地保護(hù)誤動分析與改進(jìn)措施

王 林

（向家壩電廠，四川 宜賓644612）

0 引言

發(fā)電機(jī)定子是發(fā)電站的核心設(shè)備，保障其安全可靠的運(yùn)行極為重要。運(yùn)行經(jīng)驗表明定子單相接地故障是發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣破壞最常見的故障，又往往是破壞嚴(yán)重的相間/匝間短路發(fā)生的先兆，所以100%定子接地保護(hù)動作的靈敏性和可靠性顯得尤為重要，可以大大降低內(nèi)部故障發(fā)生的幾率。基于保護(hù)發(fā)電機(jī)主設(shè)備考慮，發(fā)電機(jī)定子接地除設(shè)有基波零序電壓和3次諧波構(gòu)成的100%定子接地保護(hù)外，還設(shè)一套注入式定子接地保護(hù)，以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)靜止、啟停、正常運(yùn)行等各種工況下100%定子接地保護(hù)。隨著電站發(fā)電機(jī)運(yùn)行管理經(jīng)驗的積累，人們對發(fā)電機(jī)注入式定子接地保護(hù)有了較全面系統(tǒng)的認(rèn)識，但是注入式定子接地保護(hù)整定的難度較基波零序電壓和3次諧波原理復(fù)雜許多。因此發(fā)電機(jī)在某種異常工況運(yùn)行時，注入式定子接地保護(hù)誤動作依然時有發(fā)生。本文對發(fā)生在某大型水力發(fā)電站的一起注入式定子接地保護(hù)誤動作案例進(jìn)行了介紹及深入分析，并給出了一些可行的改進(jìn)措施。

1 注入式定子接地保護(hù)的設(shè)計與原理

注入式定子接地保護(hù)的二次接線如圖1所示。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)過接地變壓器接地，接地變副邊并聯(lián)負(fù)載電阻Rn，輔助電源裝置（RCS-985 U）將低頻電壓加在負(fù)載電阻Rn上，并通過接地變壓器，將低頻電壓信號注入到發(fā)電機(jī)定子繞組對地的零序回路中。

圖1 注入式定子接地保護(hù)二次接線圖

注入式定子接地保護(hù)的實(shí)現(xiàn)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(xiàn)電阻性電流。保護(hù)裝置（RCS-985）檢測注入的電壓、電流信號，通過導(dǎo)納法可計算出接地過渡電阻阻值，可以反映發(fā)電機(jī)100%的定子繞組單相接地。

電阻判據(jù)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(hù)實(shí)現(xiàn)原理圖

2 保護(hù)誤動作情況與分析

2.1 保護(hù)動作情況簡介

2019年 1月 24日 22：27：29：270某電站 1號機(jī)組減功率到零，正常停機(jī)至GCB分閘時，因開關(guān)機(jī)械故障發(fā)生了非全相運(yùn)行。后來檢查發(fā)現(xiàn)開關(guān)A、B相已斷開，C相依然處于合位。此時發(fā)電機(jī)啟動逆變滅磁，主變高壓側(cè)開關(guān)處于合位。22：27：35：469發(fā)電機(jī)A套保護(hù)發(fā)出“注入式定子接地靈敏段”動作；22：38：59：679，GCB 和主變低壓側(cè)間的隔離刀閘分開，切斷發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)側(cè)聯(lián)系后，“注入式定子接地靈敏段”動作復(fù)歸。

2.2 保護(hù)動作的邏輯分析

發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置注入式定子接地保護(hù)邏輯原理如圖3所示。

圖3 發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置注入式定子接地保護(hù)邏輯原理

RE為發(fā)電機(jī)定子繞組接地電阻，發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)保護(hù)A套裝置定子接地保護(hù)故障波形報文，見圖4。定子接地電阻（Rs）為2.04 kΩ，低于發(fā)電機(jī)定子繞組靈敏段定值，高于定子繞組低定值，故發(fā)電機(jī)A套保護(hù)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(fā)電機(jī)A套保護(hù)裝置異常報文

2.3 保護(hù)動作（誤動）的原因分析

根據(jù)以上邏輯分析，看似本次動作為正確動作。但實(shí)際根據(jù)故障錄波分析以及后來停電檢查，均未發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子及主變低壓側(cè)有接地的情況，對注入式定子接地保護(hù)相關(guān)回路及元器件進(jìn)行檢查未見異常。因此著手從影響注入式定子接地保護(hù)的外部因素查找原因：

2.3.1 發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)3次諧波對注入式定子接地保護(hù)的影響

發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)3次諧波電壓會耦合到發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器低壓側(cè)，對注入式定子接地保護(hù)的采樣產(chǎn)生影響。如表1所示，隨著發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)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(xì)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(jīng)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(hù)可能誤報警，偏差超過25°左右，注入式定子接地保護(hù)可能誤出口跳閘。

由表1數(shù)據(jù)可知，發(fā)電機(jī)在各種機(jī)端電壓運(yùn)行時，中性點(diǎn)3次諧波會影響注入式定子接地保護(hù)的信號采集，從而影響接地電阻的計算結(jié)果。從表中數(shù)據(jù)可知，低頻電壓、電流間相角在發(fā)電機(jī)停機(jī)狀態(tài)和額定電壓空載狀態(tài)下偏差最大，達(dá)到了12.5°，此時注入式定子接地保護(hù)的計算電阻值仍大于5 kΩ，不會造成注入式定子接地保護(hù)誤動作。因此，注入式定子接地保護(hù)采用相角補(bǔ)償1（340.5°）、相角補(bǔ)償2（349°）兩段式補(bǔ)償（以 80%Un為分界點(diǎn)），可以確保發(fā)電機(jī)在各種機(jī)端電壓下運(yùn)行正常。由以上分析可知，1 F注入式定子接地保護(hù)各項定值及參數(shù)設(shè)置正確，本次注入式定子接地保護(hù)（靈敏段）誤動與中性點(diǎn)3次諧波無關(guān)。

表1 1 F各試驗工況下注入式定子接地保護(hù)運(yùn)行情況

2.3.2 發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)基波零序分量對注入式定子接地保護(hù)的影響

發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)基波零序分量會耦合到發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器低壓側(cè)，對注入式定子接地保護(hù)的采樣產(chǎn)生影響。如表2所示，在發(fā)電機(jī)機(jī)端單相接地試驗時，隨著發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)零序電流增大（此時發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)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(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)不接地或高阻接地或其他會產(chǎn)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(hù)誤動作。因為發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)零序分量較大，對發(fā)電機(jī)注入式定子接地保護(hù)的信號采集產(chǎn)生了影響，尤其是對低頻、電壓電流間相角的影響較大，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)注入式定子接地保護(hù)靈敏段（定值為5 kΩ）動作。但在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)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(fā)電機(jī)機(jī)端單相接地試驗注入式定子接地保護(hù)運(yùn)行情況

由表2數(shù)據(jù)可知：發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)零序電流會影響注入式定子接地保護(hù)的信號采集，從而影響接地電阻的計算結(jié)果，因為發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時不存在零序電流，因此不會影響注入式定子接地保護(hù)的運(yùn)行。但是，在發(fā)電機(jī)非全相運(yùn)行等異常工況下，會產(chǎn)生零序電流，可能導(dǎo)致注入式定子接地保護(hù)（靈敏段）誤動作。

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

圖5 1 F發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)零序電流異常報文

3 改進(jìn)措施

根據(jù)發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置注入式定子接地保護(hù)邏輯，如圖3所示，注入式定子接地保護(hù)（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(yùn)行）注入式定子接地保護(hù)（靈敏段）可能會誤動作，對事故處理產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此建議在該邏輯判斷中增加電流判據(jù)，如圖6所示，增加發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)零序電流I中性點(diǎn)＞Iset，根據(jù)規(guī)程規(guī)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(fā)電機(jī)中性點(diǎn)零序電流I中性點(diǎn)＞0.08 A做為注入式定子接地保護(hù)（靈敏段）的必要條件。本次發(fā)電機(jī)異常運(yùn)行時，中性點(diǎn)零序電流僅為0.04 A（二次值），注入式定子接地保護(hù)（靈敏段）不可能動作。

4 結(jié)語

發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行是電網(wǎng)穩(wěn)定的前提，因此發(fā)電機(jī)保護(hù)的可靠性及靈敏度均至關(guān)重要，但本文提到的發(fā)電機(jī)在某種異常運(yùn)行工況時，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)零序電流對注入式定子接地保護(hù)接地阻值的計算產(chǎn)生干擾，進(jìn)而導(dǎo)致誤動是客觀存在的。本文提出的改進(jìn)措施在一定程度上避免了發(fā)電機(jī)在非全相運(yùn)行這種異常工況時注入式定子接地保護(hù)（靈敏段）的誤動作，同時也未調(diào)整注入式定子接地保護(hù)靈敏段的定值，對該保護(hù)的靈敏度未產(chǎn)生影響，在發(fā)電機(jī)實(shí)際發(fā)生定子接地時能夠較靈敏的發(fā)出有效的預(yù)警，對其他電站同類型結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)維有較好的借鑒意義。