高压发电机新型高灵敏度定子单相接地保护

【摘 要】发电机定子绕组单相接地是发电机最常见的一种故障形式。高压发电机是一种电缆绕制的新型发电机，其造价昂贵，定子电压高，而且在电网中处于重要的位置，要求其接地故障保护能够覆盖定子绕组的全部。本章首先对传统发电机定子绕组单相接地保护方案进行简单的说明，介绍了一种新型的基于高灵敏度的定子单相接地保护方案。

【关键词】发电机 定子 接地 灵敏度

一、引言

发电机定子绕组单相接地是发电机最常见的一种故障形式，大型发电机中性点不接地或经高阻接地，当故障电流不大时，定子绕组单相接地保护通常只动作于发信号而不跳闸。但定子单相接地故障往往是相间或匝间短路的先兆，因此定子接地保护是大型机组保护中十分重要的保护，对于预防定子绕组严重短路故障具有重要意义。

二、传统发电机定子绕组单相接地保护方案

传统发电机定子绕组单相接地保护方案主要基于三种保护原理：基波零序电压原理、三次谐波电压原理和外加电源原理。以下分别对这三种原理的实现方法和特点进行介绍。

（一）基波零序电压型定子接地保护

发电机中性点在正常情况下的对地电压为三相不平衡电压，一般小于发电机额定电压的1-2%，只有在单相接地短路时，才出现高电压并产生较大电流。在取较低的动作电压时，通过主变和厂用变的高、低压绕组间耦合电容的传递，在发电机机端可能达到的传递电压。如果传递电压大于定子接地保护的动作电压，表明高压系统或厂用系统接地故障时，发电机定子单相接地保护必将误动，为此需要根据实际情况和现场条件，采取切实有效的防误动措施。

（二）三次谐波电压型定子接地保护

电机三次谐波电动势在正常运行时不可能完全等于零，因为无法通过设计和工艺上的改进同时把三、五、七次等谐波都消除掉，实际上人们总是把消除五、七次谐波作为首要任务。当然，大型发电机三次谐波电动势要相对减小些，这对定子接地保护带来一点不利条件，但随着静态继电器的广泛采用和继电保护技术的发展，目前三次谐波电压型定子接地保护的最小动作电压已经达到额定电压的0.3%左右，对静态继电器来说，进一步减小最小动作电压也是完全可能的。

（三）外加电源式定子接地保护

定子接地保护是利用发电机本身固有的电量，在定子接地故障时所产生的相应频率的电流和电压作为保护动作参量。通常，外加电源式定子接地保护，应在发电机正常运行时使三相定子绕组电容电流尽量小。

三、高压发电机新型高灵敏度定子单相接地保护

（一）零序瞬时复合功率

零序功率的方向可以指示单相接地故障位于高压发电机内部或外部，对于工频分量和高频分量而言，其方向指示是一致的。然而，在某些故障情况下，基波零序电流或电压的量值太小，使用起来比较困难。因此，通过与更高频率的电流和电压相结合，将使零序功率方向信息更为明显。

（二）新型保护方案的原理

1.系统型模。为了形成可行的保护判据，以下将对发电机内部故障和外部故障下的零序瞬时复合功率进行分析。如图1 所示，高压发电机通过输电线与无穷大母线相连，高压发电机的中性点通过高阻R接地。

图 1系统模型

2.内部故障情况

图2给出了内部单相接地故障发生在K1点的情况，相应的零序等效电路。Le10和Le20是高压发电机的零序等值电感，被故障点分隔成两部分。Rep0和Ce0分别是高压发电机的零序等值电阻和零序等值分布电容。Le0和Re0分别是所连系统和输电线路的零序等值电感和零序等值电阻。

图2 内部故障示意图

3.外部故障情况

图3给出了外部单相接地故障发生在K2点的情况，相应的零序等效电路见图4。为了与内部故障情况下的零序电流相区别，外部故障时的零序电流用i0表示。

图3 外部故障示意图

图4 外部故障情况下系统的等效电路

四、 结论

本文首先简略介绍了传统发电机定子单相接地保护方案及高压发电机内部故障仿真模型的建立思路；在分析含高压发电机的仿真系统发生单相接地故障时所体现出的新的故障特性的基础上，给了一种基于零序瞬时复合功率的新型高压发电机定子单相接地保护方案。分析表明该方案优于基波零序电压保护。

参考文献：

[1]王维俭.电气主设备继电保护原理与应用（第二版），北京：中国电力出版社，2002.

[2]王维俭，刘俊宏.大型发电机内部短路主保护的发展新动向.电力自动化设备，1994，（1）：1-4

[3]刘俊宏，王维俭.发电机不完全纵差保护.中国电力，1997，30（4）：34-37

作者简介：罗艳：（1980.07-）女，大学本科，从事火电厂自动化保护班组，及大型高压发电机故障保护的研究