650 MW發電機組定子繞組接地保護整定與調試

沈曉暉

(中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300)

0 引言

發電機定子繞組的單相接地是發電機最常見的一種故障，由于大型發電機定子繞組對地電容較大，當發生接地故障時會產生較大的接地電流，將嚴重危及對地絕緣，甚至可能造成非接地相相繼發生接地故障，從而造成相間接地短路，損害發電機，造成巨大的經濟損失。所以發電機保護必須配置定子接地保護，在接地故障發生時迅速發出報警信號或跳閘信號，進而實現機組和電網的穩定運行[1-2]。

大型發電機組對定子接地保護的可靠性和靈敏度要求較高，一般采用一套注入式定子接地保護和一套雙頻式定子接地保護，從而實現大機組定子接地保護不同原理保護的雙重化配置，避免大型機組突然跳閘沖擊電網的穩定，進而實現電網穩定和經濟運行[3-4]。

下面基于某650 MW 汽輪發電機組的參數，介紹了因發電機中性點接地變壓器柜更換引起的定子接地保護定值重新整定的過程，并通過現場調試，驗證了整定值的準確性和保護裝置的可靠性，為同類型保護整定計算、發電機相關設備選型等研究提供工程借鑒。

1 定子接地保護的配置方案

該發電機組采用許繼WFB800A 系列發變組保護，發電機保護A 柜配置一套外加20 Hz 電源定子接地保護，發電機保護B 柜配置一套基波零序電壓和三次諧波電壓組成的雙頻式定子(100 %)接地保護，構成雙重化配置。

發電機中性點采用接地變壓器高阻接地方式，注入式定子接地保護在發電機中性點接地變壓器的二次側繞組兩端注入低頻電源信號。正常運行時，低頻注入回路對地開路，只有微弱的定子對地電容電流；當發生定子接地故障時，保護裝置通過檢測注入的低頻電壓和電流信號，可準確計算出接地故障電阻的阻值。

定子接地保護接線如圖1 所示。機組以發電機-變壓器單元接線接入500 kV 線路，發電機經出口斷路器與主變、高廠變相連，發電機中性點采用經接地變壓器的高阻接地方式。

圖1 定子接地保護配置

2 定子接地保護的整定計算

發電機中性點接地變壓器變比nTV為20/0.866/0.173 kV；出口斷路器每相對地電容Cbak為0.392 μF；發電機定子繞組每相對地電容Cg為0.244 μF；主變低壓側繞組每相對地電容Ct為0.003 96 μF；高廠變高壓繞組每相對地電容Ce為0.001 75 μF；機端其他附件每相對地電容Cf為0.001 μF，主變高低壓繞組每相耦合電容CM為0.009 41 μF。

2.1 發電機中性點接地電阻計算

為限制單相接地故障切斷后產生弧光接地過電壓，接地電阻(一次值)的取值要滿足[5]：

式中，R'N為接地變原邊電阻；ω=2πf，為角速度；CgΣ為發電機及機端外接元件每相對地總電容：CgΣ=Cbak+Cg+Ct+Ce+Cf=0.642 71 μF。

則：

由變壓器原理，可計算接地變副邊電阻大小Rn：

現場電阻選型阻值為2.48 Ω，滿足要求。

按照機端發生金屬性單相接地故障，接地變TN 中流過工頻電流計算副邊電阻功率：

式中，Krel為可靠系數，取1.1；PR為中性點接地電阻功率；Ue為發電機額定電壓。

2.2 外加電流互感器更換

現有發電機中性點接地變二次側接地電阻為6.5 Ω，接地故障產生中性點電壓全偏移時，流過接地電阻的工頻電流約為77 A；15 %電壓偏移時流過的工頻電流約12 A。更換發電機出口斷路器后，因對地電容增加，發電機中性點二次側接地電阻調整為2.48 Ω，100 %電壓偏移時流過接地電阻的工頻電流約202 A，15 %電壓偏移時流過接地電阻的工頻電流約30 A。發電機中性點接地變0.866 kV 側配置電流互感器，接地故障產生中性點電壓全偏移時，接地變壓器二次側約為500 V，該電流互感器在保護中用于測量20 Hz 電流和工頻電流。原工程電流互感器二次側采用5 A，為適用于寬頻范圍，選擇較大尺寸的電流互感器，利于降低磁密；因為次級采用5 A，而電流互感器距離發電機保護柜有一定距離，為滿足全偏移約202 A 時的電流采集精度，適當加大電流互感器的額定伏安負載。

經與發電機繼電保護廠家對保護和測量精度的確認，電流互感器采用200/5 A，50 VA，0.5 級的測量級CT。

2.3 外加20 Hz 定子接地保護整定計算

2.3.1 接地電阻一次高定值(報警段)整定

根據現場運行經驗，20 Hz 接地電阻高定值取RE.h.set=30 kΩ。高定值段一般延時1～5 s 發告警信號，這里取延時5 s 動作于信號。

2.3.2 接地電阻一次低定值(跳閘段)整定

按距發電機中性點20 %發生一點接地，接地電流不大于安全接地電流Isafe=1 A 整定。

接地電阻按式(6)求解，α=0.2：

一般接地電阻定值可取1 ～5 kΩ。考慮保護測量精度，這里取RE.l.set=2 kΩ。

低定值段一般延時0.3～1.0 s，動作于停機，這里取延時1 s 動作于停機。

2.3.3 零序電流動作值整定

零序電流動作值I0.set按距發電機中性點10 %～20 %范圍的定子繞組接地故障電流整定。

式中，α一般取10 %～20 %；Zn為發電機中性點接地變二次側負載電阻。

這里取α=0.15，則：I0.set=0.76 A。

定子接地零序電流動作時限取0.3 ～1.0 s，這里取0.3 s，動作于停機。

2.4 100 %定子接地保護整定計算

2.4.1 基波零序電壓低定值

基波零序電壓低定值動作電壓U0.L.op按照躲過主變高壓側耦合到發電機中性點變二次側的電壓整定，延時可取0.3～1 s。

式中，U0n為機端單相金屬性接地時中性點或機端的零序電壓(二次值)。

基波零序電壓低定值U0.L.op取10 V，高于主變高壓側接地故障耦合到機端的零序電壓，從而保證高壓側接地短路不會引起基波零序過電壓保護誤動作；延時t0.L.op=1 s，動作于停機。

2.4.2 基波零序電壓高定值

由于基波零序電壓低定值動作于跳機，所以基波零序電壓高定值實際上沒有作用，可選擇退出。高定值段的動作電壓，應可靠躲過高壓側接地短路零序電壓傳遞至發電機中性點變二次側的電壓，可取(15 %～25 %)U0n，延時可取0.3～1.0 s。

按躲過傳遞過電壓，取U0.H.op=15 V，延時t0.H.op=1 s，動作于停機。

2.4.3 三次諧波電壓單相接地保護三次諧波電壓接地保護動作判據為：

諧波比系數：

三次諧波比系數按照發電機并網前后的電壓比值來計算整定，并網后諧波比系數應大于并網前諧波比系數，并有一定的裕度，保證并網前該元件不誤動作[6]。

3 定子接地保護的現場調試

3.1 外加20 Hz 電源定子接地保護參數實測

由于在中性點接地變壓器、發電機出口斷路器兩側增加了較大的電容，使整個系統的參數發生了很大的變化，為充分考慮接地變壓器漏阻抗、系統電容對測量誤差的影響，需要實際測量接地變壓器的漏阻抗、接地變壓器的激磁阻抗、帶發電機空載測電容的阻抗并重新整定。

CT 變比為nTA=200/5，接地變壓器變比為23.12，分壓器變比nV=2，20 Hz 電源輸出26 V。啟動電壓整定為0.002 V，啟動電流整為0.001 A。

3.1.1 測接地變壓器的激磁阻抗

接地變空載(不帶發電機)。給20 Hz電源送電，讀取保護裝置中U˙20，I˙20，如表1 所示。

表1 接地變激磁阻抗測試數據

實測電壓與電流夾角大約為52°。根據式(14)將二次激磁阻抗測試數據折算至一次，計算接地變壓器的激磁阻抗(一次值，不帶發電機)平均值。

將計算結果的實部和虛部分別整定進參數Rm和Xm。

3.1.2 測接地變壓器的漏阻抗

把接地變壓器與發電機相連的刀閘斷開，在刀閘下端(接地變進端)用接地線接地(接地變一次側短路)。給20 Hz 電源送電，讀取保護裝置中數據如表2 所示。

表2 接地變漏阻抗測試數據

實測電壓與電流夾角大約為44°。根據式(15)將二次漏阻抗測試數據折算至一次，計算接地變壓器的漏阻抗(一次值)平均值。

將計算結果的實部和虛部分別整定進參數Rk和Xk。

3.1.3 帶發電機空載測電容的容抗

將Rk，Xk，Rm，Xm的參數整定完畢以后，把接地變刀閘合上，發電機空載。給20 Hz 電源送電，讀取保護裝置中電壓與電流夾角大約為(-90°～-85°)，實測電壓與電流角度-98°，讀取6 次發電機容抗平均值，測試數據表3 所示。

表3 發電機容抗測試數據

根據實測值整定后，實測接地電阻誤差較大，分析可能是由于接地變壓器漏阻抗、激磁阻抗誤差，模擬量相角的誤差與發電機對地電容疊加放大造成的。將Rc，Xc按經驗重新調整后實測電阻誤差降低。

3.1.4 模擬定子接地測試保護裝置測量準確性

將上述參數整定完畢后，把接地變壓器與發電機相連的刀閘合上，在刀閘的下端加入一個已知的電阻接地，帶發電機靜止工況下模擬接地故障，以此驗證保護裝置測量的準確性。在不同接地電阻下測量的實際電阻值如表4 所示。

表4 定子模擬接地故障測試結果

測試結果表明：接地電阻越小，保護測量精度越好，在20 Hz 接地電阻低定值2 kΩ 以下，保護測量精度較高，能夠準確判斷出定子繞組是否接地并準確動作。同時在高定值30 kΩ 區域，由于測量精度影響，整定延時5 s 能有效避免誤發報警。

3.2 三次諧波電壓比系數實測

在并網前從保護裝置上讀得實時讀數U3N=0.728 V，U3S=0.874 V。根據式(13)，Krel取值為1.3，得到并網后諧波電壓比系數：

并網后從發電機保護裝置上讀得電壓實時讀數，U3N=1.169 V，U3S=0.900 V。Krel取值為1.3，得到并網后諧波比系數K'=1。這同時也符合發電機在正常運行時，其中性點部位的三次諧波電壓UN3要比機端部位的三次諧波電壓US3大的實際運行工況。

4 結束語

對于大型汽輪發電機組，合理選擇中性點接地電阻值、接地變二次側電流互感器參數，并按整定導則正確整定定子接地保護動作定值和延時定值，對于保護發電機具有極其重要的意義。以上介紹了某650 MW 汽輪發電機組由于發電機出口斷路器改造，發電機中性點接地變壓器柜整體更換，而引起的中性點變壓器接地電阻、接地變二次側電流互感器參數發生變化，探討了對定子接地保護的重新整定過程以及在現場的調試方法，試驗結果表明該套保護定值能夠準確測量一定阻值范圍內的接地過渡電阻，完全滿足工程需要。