大型发电机定子接地保护的讨论

摘要：龙滩水电厂定子接地保护中传统的双频式定子接地保护和外加电源注入式定子接地保护分析。

关键词：双频式定子接地保护、外加电源注入式定子接地保护。

Abstract: the stator ground fault protection of longtan hydropower station in traditional dual-band type stator ground fault protection and plus power injection stator ground fault protection is analyzed.

Keywords: dual-band type stator ground fault protection, plus the power injection stator ground fault protection

中图分类号：TM31文献标识码：A

引言

定子接地保护是发电机继电保护系统中重要的组成部分之一。发电机中性点在正常情况下，对地电压小于发电机的额定电压的1%-2%。当发电机发生单相接地故障时，发电机相电压会发生变化，对地电容电流矢量和不再为零。当电流超出允许值时，将烧坏定子铁芯，进而损坏定子绕组的绝缘，引起匝间或相间短路，扩大事故的范围。如果单相接地故障位于发电机外部，当电容电流大于一定值时，故障点电弧同样不能自行熄灭，往往伴随着间歇性电弧，使健全相产生过电压，从而造成电气设备的绝缘损坏。

在发电机定子绕组单相接地保护方面，目前广泛应用的较为成熟的方案为双频式定子接地保护和外加电源注入式定子接地保护。

1 传统的双频式定子接地保护原理

双频式定子接地保护构成：基波零序电压式原理定子接地保护+三次谐波电压式原理定子接地保护构成100％定子接地保护。

1.1基波零序电压定子接地保护

基波零序电压型保护是在发生单相接地时, 通过检测机端或中性点处零序电压来判别接地故障。假设A 相接地发生在定子绕组距中性点α处, α表示由中性点到故障点的绕组占全部绕组匝数的百分数(如图1所示)。

图1 定子单相接地电路图

上式表明, 故障点的零序电压将随着故障点位置的不同而改变。由于电压互感器二次开口三角侧的输出电压在机端金属性接地时为100V, 故障点的零序电压可以表示为：

Udo（α）=100α（V）

1.2三次谐波电压式原理定子接地保护

发电机正常运行时，中性点三次谐波电压比机端三次谐波电压大，而在中性点附近发生接地故障时，机端三次谐波电压增大，中性点三次谐波电压降低。利用单相接地故障前后发电机中性点与机端处三次谐波电压变化特点构成三次谐波电压型定子接地保护。

假定接地发生在处, 则近似有：US3／UN3=（1-α）/α,US3、UN3分别为机端和中性点三次谐波电压值。

可以看出当α≤50% 时, US3≥UN3，且越接近中性点, 灵敏度越高。因此，三次谐波保护动作方程为:：

US3／UN3 ＞K3wdz

式中: K3wdz为三次谐波电压比值整定值。

根据机组并网前后机端等值容抗有较大的变化，而三次谐波电压比率关系也随之变化这一特点，本判据在机组并网前后各设一定值，随机组出口断路器位置接点变化自动切换。同时，由于自适应三次谐波电压比率判据采用频率跟踪和数字滤波器相结合的方式，在频率45～55Hz范围内三次谐波电压滤过比不受影响，在系统频率严重偏离50HZ时，采用按频率比率制动原理。因此，自适应三次谐波电压比率判据较有效地解决了传统三次谐波电压比率判据存在的机组启停机过程中保护误动以及频率变化引起保护误动的问题。

2 增加RCS-985 发电机注入式定子接地保护的优点

由于发电机定子绕组是完全绝缘的，中性点附近一般不易发生接地故障，但运行实践表明，由于机械损伤，水内冷漏水而发生的单相接地，也可能使故障位于中性点附近，因此，要求大型机组的定子绕组接地保护无死区。目前，由基波零序电压保护和三次谐波电压保护共同组成的100％定子接地保护在发电机保护中得到了广泛的应用，而注入式定子接地保护由于具有在机组静止和未加励磁电压情况下均能检测定子绕组的接地故障的优势，也逐渐被国内各大型水电站所选用。

发电机注入式定子接地保护可单独实现发电机100%定子接地保护，和基波零序电压、三次谐波电压定子接地保护一样，它是RCS-985 发电机全套保护中的一个组成部分。注入式定子接地保护是由RCS-985U 低频注入电源和RCS-985 保护装置两部分共同实现。其中，RCS-985U定子接地保护辅助电源装置提供外加低频电源，将低频电压电流信号注入到发电机定子绕组中。RCS-985发电机保护装置检测注入的低频电压、电流信号，当发电机定子绕组发生接地故障，注入的电压、电流信号随之发生变化，RCS-985可准确计算出接地故障电阻的阻值，完成注入式定子接地保护。

RCS-985U装置由方波电源、滤波器和分压器三部分构成。采用一体化设计，标准6U装置。方波电源和滤波器采用背插式结构，便于安装和拆卸，维护方便。注入式定子接地保护适用于各种容量的汽轮发电机、水轮发电机、燃汽轮发电机、抽水蓄能发电机等发电机组。

3.龙滩定子接地保护配置

3.1龙滩水电站发电机注入式定子接地保护采用南瑞继保公司的RCS-985U发电机保护装置，注入电源为RCS-985U辅助装置，注入频率为20Hz和工频、100分次谐波、整数次谐波相差较大，在机组正常运行或振荡时，接地电阻的计算不受影响。

3.2龙滩双重化配置定子接地保护原理

电厂龙滩A配置外加低频电源式发电机定子接地保护，B配置基波零序电压+三次谐波电压构成100％定子接地保护。

3.2.1外加低频电源式发电机定子接地保护

采用南瑞继保RCS-985U定子接地保护电源辅助装置和RCS-985GW发电机保护装置相配合，共同构成该方案的接地保护。RCS-985U可从中性点接地变压器二次侧接入低频电源，也可从机端TV开口三角二次侧接入低频电源，构成外加电源式定子接地保护回路。

3.2.1.1接地电阻定子接地判据

保护基本原理为：低频电压通过接地变压器注入到发电机定子绕组侧，接地故障必定引起零序回路阻抗变化，通过测量二次回路的零序电压UG0、零序电流IG0，滤出低频分量后，计算出定子绕组侧接地故障电阻阻值。接地电阻判据在发电机启停、运行的全过程中，都可以提供灵敏的定子接地保护，并可检测定子绝缘的缓慢老化。

3.2.1.2接地电流定子接地判据

考虑到当接地点靠近发电机机端时，检测量中的基波分量会明显增加，导致检测量中低频故障分量的检测灵敏度受到影响。为了提高此种情况下保护的灵敏度，增设接地电流辅助判据。接地电流判据能够反映距发电机机端80～90％的定子绕组单相接地，而且接地点越靠近发电机机端其灵敏度越高，因此能够很好的与接地电阻判据构成高灵敏的100%定子接地保护方案。

3.3安全电流限制

发电机定子接地故障对发电机的危害主要体现在以下两个方面：过电压对主绝缘的损害；大的接地电流对定子铁芯的伤害。

因此，RCS-985注入式定子接地保护增设了安全电流限制判据。即只有当接地电流超过规程规定的安全允许电流时，才允许接地电阻跳闸判据动作。

3.3.1龙滩电厂注入式定子接地保护逻辑的改进

3.3.1.1保护逻辑的改进

当前保护的逻辑：

改进后的保护逻辑：

ULPO：低频电压

ULPO.SBT：低频电压报警整定值

TLFO：低频电流

TLFO。SET：低频电流报警整定值

RE：定子绕组接地电阻

RE。SET。H：定子绕组接地电阻高定值

RE。SET。L：定子绕组接地电阻低定值

IGO：定子绕组接地电流（未经数字滤波接地电流）

IE。SET：定子绕组接地电流定值

ISAFE：定子绕组接地安全电流

UGO：定子绕组接地电压

改进后的保护逻辑对接地电阻灵敏段（低阻值，跳闸段）增加一个TG0 > TSAFE的判据，其含义是：“只有当接地故障电流超过安全电流时，才允许接地电阻跳闸判据动作。”比如在现场机组停机后，有时发电机出口断路器GCB需要合上接地刀闸，此时注入式定子接地保护只需要报警就可以了，没有必要跳闸。运行中的发电机若在中性点附近出现接地故障，接地电流很小，不超过安全接地电流，此时也没有必要跳闸。

4 结束语

综上所述，外加电源注入式定子接地保护构成的发电机100％的定子接地保护避免了由于运行工况等问题，可能碰到误动的情况。另外，外加电源注入式定子接地保护在发电机启停机过程中起到保护作用。

在的龙滩电厂投产以来，外加电源注入式定子接地保护构成了发电机的100％的定子接地保护能保证机组的安全、可靠、稳定的运行。