基波零序電壓定子接地保護跳閘分析

鄭福民，陳 華，唐明武，劉俊紅，張發強

(國家電投云南國際電力投資有限公司小其培發電分公司，云南 保山 678099)

0 前言

國家電投云南國際電力投資有限公司建設的小其培電站位于緬甸克欽邦境內，原設計由中緬伊洛瓦底江水電開發工程提供施工電源，電站于2011年9月投入運行，后因緬北“4·26”武裝沖突而停運。2013年，應緬甸政府請求，云南國際修復電站并重新投運。

電站裝設3臺立式沖擊式水輪發電機，容量3×33 MW，主接線為發電機—變壓器單元接線，其中3號發電機出口直接向近區周邊緬甸城鎮供電。投運后經常發生3號機基波零序電壓定子接地保護動作報警及出口跳閘故障。

從2013年10月恢復發電生產到2017年10月，電站基波零序電壓定子接地保護動作出口斷路器跳閘有11次，損失大量電量，造成緬北停電。

1 故障特點

運行記錄表明，全部基波零序電壓定子接地保護動作均發生在3號機組，事后經檢查和試驗證明，基波零序電壓定子接地保護啟動和動作出口跳閘均非機組定子本體絕緣或附屬設備問題所致。進一步分析發現，3號機日常運行時機端自產零序電壓1.419 V，機端開口三角電壓0.607 V，相比1號機的正常值(0.755 V，0.187 V)，分別偏高了1倍和3倍左右，即日常運行時3號機基波零序電壓定子接地保護有一個高于正常值的零序電壓值。

2 接地保護原理

2.1 定子繞組單相接地保護原理

發電機出口不平衡電壓通?？煞纸獬龌ê腿沃C波。當主變壓器高壓側發生單相接地時，高壓側零序電壓會通過主變壓器高、低繞組間的電場耦合傳給發電機，引起定子接地保護的誤動作。

發電機定子繞組單相接地保護由兩部分構成。

(1) 基波零序電壓元件。裝設以主變壓器高壓側零序電壓為制動量、發電機零序電壓為動作量的基波零序電壓型定子接地保護，電壓一般取15 V (發電機機端接地時，機端TV開口三角電壓為100 V)，其保護范圍不少于定子繞組的85 % (從發電機端開始)，保護作用于跳閘。

(2) 利用三次諧波電壓構成的定子接地保護。用以消除基波零序電壓元件保護不到的死區，其保護范圍應不小于定子繞組的20 % (從發電機中性點端開始)。

保護原理以機端三次諧波電壓US3作為動作量，中性點三次諧波電壓UN3作為制動量，且當US3/UN3≥Kset(按規定整定的動作值)時保護動作發信號，二者結合構成了100 %發電機定子繞組單相接地保護。

該電站定子接地保護零序電壓取自發電機中性點消弧線圈的二次電壓和機端三相TV的開口三角繞組電壓。

2.2 基波零序電壓定子接地保護定值

電站基波零序電壓定子接地保護高值動作電壓按發電機機端單相接地時零序電壓的15 %整定，取15 V；動作時間大于變壓器高壓側接地保護動作時間，取1.0 s，作用于跳閘；低值零序電壓整定5 V，延時3 s，動作用于信號。

定子接地保護定值見表1。

表1 定子接地保護定值

3 接地保護動作原因分析

3.1 現場檢查

在發生的各個基波零序電壓定子接地保護動作事件中，每次動作后值班運行人員均對發電機本體、互感器(TV，CT)、保護裝置、控制盤柜等進行檢查，均未見異常；同時對發電機三相絕緣進行測量，數值均在數百MΩ的正常范圍內；吸收比也顯示正常；未發現機組定子或其他一次回路存在問題。

查看2015-03-17的故障錄波情況，發現3號機組基波零序電壓定子接地保護動作跳閘，機端開口三角電壓為105.7 V，且3號機組零序電壓遠高于其他機組。

3.2 專業檢測

由于引發基波零序電壓定子接地保護跳閘的真正原因尚未找到，電站采取的措施是加強日常運行監盤、觀察和應急處理。同時，聘請專業技術公司進行檢測分析，結論是建議調高保護定值，避免誤發信號。但真正原因依舊未找到，統計顯示基波零序電壓定子接地保護動作更多是報警信號。

3.3 持續分析排查

分析基波零序電壓定子接地保護跳閘，均由3號機引發，之后的檢查和測量均未發現機組內部及其附屬設備有問題。于是，從這一特征入手，將查找方向轉移到3號機外部連接。從主接線來看，3號機有不同于其他機組的外部接線，其特點是發電機出線031斷路器出口還經032斷路器通過線路直接向近區周邊其培市、南塢等區域的民眾供電，如圖1所示。

圖1 3號機組一次接線

查看歷次定子接地保護跳閘事件原因記錄可知，2015-03-17，3號機組定子接地跳閘，值班運行人員接到緬甸三菱公司電管人員電話報告，當地有人砍竹子，竹子倒在10 kV源其線上。運行人員斷開10 kV線路開關，3號機組隨即恢復與緬電電網正常并網。

當報告竹子已清理，申請線路試送電時，3號機組定子接地保護再次動作，出口斷路器031跳閘，檢查發現10 kV跌落保險B，C相熔斷。更換處理后，測量線路絕緣合格，恢復對10 kV近區正常供電。初步判斷10 kV線路問題是導致機組定子接地保護動作的重要原因。

查10 kV源其線044開關保護設置有低壓過流、零序過流及過負荷保護，除過流I段外，其他保護均有較長延時，即在線路發生單相(瞬時)絕緣下降(接地)的擾動下，上述線路保護靈敏度不夠，達不到動作條件，但接地故障的擾動可直接傳導到3號機組，從而引發定子接地保護動作而切除故障。

2015-06-08T02：39，3號機組定子接地保護動作跳閘(事后經技術公司試驗判斷是線路碰上搖擺的竹木而出現短時絕緣下降)。17：56，經檢查和測量，3號機組絕緣正常，零起升壓并觀察機端電壓平衡后，并網運行。

再聯系其他定子接地保護跳閘事件原因大多與近區10 kV線路絕緣下降有關，可見3號機組定子接地與其出口10 kV母線上的近區供電線路故障密切相關。而10 kV線路經過的區段植被茂盛，雨季竹林生長較快很容易靠近或搭上線路，引發10 kV線路瞬時擊穿放電或接地故障。

4 故障電流特點

電站發電機定子繞組中性點都是經消弧線圈接地并采用過補償方式。3號發電機出口經2條線路為近區用戶供電系統，當發電機內部單相接地時，流經接地點的電流仍為發電機所在電壓網絡(即與發電機有直接電聯系的各元件)對地電容電流之和，不同之處在于故障點的零序電壓將隨發電機內部接地點的位置而改變。

發電機內部單相接地的三相網絡、零序等效網絡及發電機外部單相接地的零序等效網絡分別如圖2～4所示。

圖2 發電機內部單相接地的三相網絡

圖3 發電機內部單相接地的零序等效網絡

圖2 ～4中，C0G為發電機每相的對地電容，C0I為發電機以外電壓網絡每相對地的等效電容，由此可得出故障點總的接地電流為：

故障點位于發電機出線端子附近時，α=1；而當發電機外部單相接地時，圖4中流過TA0的零序電流為發電機本身的對地電容電流。經分析得出經消弧線圈接地的電網中故障電流分布特點如下。

圖4 發電機外部單相接地的零序等效網絡

(1) 在發生外部單相接地故障時，故障相對地電壓為零，非故障相對地電壓為線電壓，在故障點產生一個與故障相故障前相電壓Uφ大小相等、方向相反的零序電壓U0，從而全系統都將出現零序電壓。消弧線圈兩端電壓為零序電壓U0，機端TV開口三角將輸出3U0。該電站基波零序電壓取自機端TV，根據TV變比在機端及外部線路接地時，3U0=100 V。

(2) 外部單相接地時，消弧線圈兩端電壓為零序電壓，其電流IL經過故障點與故障相，故障點零序電壓隨著故障位置不同而不同，越靠近機端零序電壓就越高。保護裝置的零序電壓取自消弧線圈副繞組，日常相電壓的三次諧波會在機端電壓互感器開口三角產生電壓輸出，故需濾除三次諧波。故障點的零序電壓為：

接地處故障電流為：

其中：Ic∑為全系統的對地電容電流，二者方向相反；L為消弧線圈電感，C0∑為全系統每相對地電容的總和。

(3) 當發電機內部單相接地時，流經發電機零序電流互感器TA0一次側的零序電流為發電機以外電壓網絡的對地電容電流3ωC01αU相。機端的零序電壓和故障點的零序電壓Uk0相等。而當發電機外部單相接地時，流過TA0的零序電流為發電機本身的對地電容電流。

(4) 為避免線路發生串連諧振過電壓問題，消弧線圈采用過補償方式，即調節消弧線圈使IL＞Ic∑，用過補償度P表示：

補償后流過故障點的殘余電流Ik是感性的，數值較小，比沒有消弧線圈補償時小得多，故采用這種補償方式不可能發生串聯諧振過電壓問題。

(5) 保護整定時，要避開正常運行的不平衡電壓，以及在主變高壓側接地故障時在機端產生的零序電壓。

因此，采用過補償方式的線路單相接地時，選線裝置將無法選出故障線路；常規的穩態零序電流保護以及零序功率方向保護都無法判別故障線路。但此時發電機零序電壓較高，采用基波零序電壓構成的電站定子接地保護能靈敏地動作。

5 發電機故障的影響因素

5.1 發電機近區供電線路的影響

3號機直供的近區10 kV源其線和源壩線同桿架設，該接線特點使線路單相接地時零序電流直接進入到定子線圈形成回路，產生零序電壓。當所含的基波零序電壓值達到定子基波零序電壓保護整定值時，便啟動基波零序電壓定子接地保護報警或定子接地保護動作跳閘。

同時，由于發電機中性點經消弧線圈接地并采用過補償方式運行，近區供電線路單相接地時，線路保護裝置采集的線路零序電流很小，一般原理的零序電流保護不會動作，故每次線路單相接地時，均由發電機基波零序電壓保護報警或出口跳閘。這就是電站直供出線單相接地時會引起發電機定子接地保護動作跳閘的原因。

5.2 近區環境及管理維護的影響

3號機所接載的近區10 kV線路是穿越竹木茂盛的山區和其培市居民區，當地雷雨季節長達半年以上，統計顯示因該區段竹林雨季生長茂盛，經常引發線路對竹木瞬時放電或瞬間接地(雨季)現象，產生瞬時基波零序電壓又直接進入發電機引發基波零序電壓定子接地保護啟動。

此外，地方三霖(電力)公司對配電系統設備設施維護管理不到位，線路砍青不及時，低壓配電系統維護落后，民眾安全用電知識缺乏，私拉亂接現象嚴重，導致漏電、絕緣下降現象多，經常引發短時線路接地傳導至電站機組，導致電站10 kV出口開關032三相電壓經常不平衡，產生零序電壓。

根據故障處置歷史記錄，電站的處置一般是斷開032開關，三相電壓才逐漸平衡，同時觀察3號機的機端自產零序電壓、機端開口三角電壓值，均大幅下降，同其他機組相比大致一致?？梢娊鼌^供電線路上的故障是引發機組定子接地基波零序電壓保護啟動報警或跳閘的根本原因。

6 解決策略

綜合上述分析可知，3號機組出口母線直接接載近區10 kV線路供電，而該線路又經常發生單相接地引發短時基波零序電壓和電流，這些不正常的瞬時接地、絕緣下降等擾動直接傳導到發電機，從而經常造成電站機組基波零序電壓定子接地保護報警或動作跳閘。因此，阻斷近區線路雜波、瞬時接地等故障侵擾發電機組同時又不致影響電站對近區供電就是解決問題的主要思路，而加裝隔離變壓器成為最佳選項。

隔離變壓器原理是原邊輸入繞組與副邊輸出繞組進行電氣隔離，即對兩個或多個耦合關系的電路進行電隔離，變壓不是主要任務。

在結構上，原、副邊繞組間設置隔離層并與原邊接地端連接，副邊采用不接地方式，因而輸出端與大地不構成回路，當人體或木竹與線路單相距離過短發生放電(或設備絕緣降低漏電)時，會因電流難以形成回路而得到安全保護。

另外，隔離變壓器鐵芯有高頻損耗較大的特性，可阻止高頻雜波反饋到控制回路，非常適用于電站機組出口端阻隔和過濾線路上的各種雜波、瞬時接地等侵擾發電機定子線圈，避免引發基波零序電壓定子接地保護動作。

7 結束語

加裝隔離變改造工程于2017年月11月竣工投入運行，至今未發現3號機發生基波零序電壓定子接地保護動作報警和跳閘斷電的現象；檢查近區10 kV出口開關032的電壓抄表，未再發現三相電壓不平衡的記錄，從而解決了該電站3號機組基波零序電壓定子接地保護跳閘給穩定發電和保供電帶來的多年困擾。