・３８・ 华电技术 第３０卷 １ 百万千瓦机组的定子接地保护 百万千瓦大型发电机组定子接地保护应该满足 以下３个基本要求： （１）故障点电流不应超过安全电流，出口电压 １８ ｋＶ及以上的发电机安全电流为１ Ａ； 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。因此，外加 电源频率应尽可能低，但也不能采用外加直流电源 的方案，因为这种方案难以使一、二侧在电气上完全 隔离，难以保证人身安全和二次设备的安全。 对于外加交流电源式的定子接地保护，正常情 况下仅有极小的外加交流电源频率的电容电流；当 （２）有１００％保护区； （３）保护区内任一点发生接地故障时保护应有 发电机发生单相接地故障时，外加交流电源频率的 足够的灵敏度。 在发电机单相接地故障时，不同的中性点接地 方式将有不同的接地电流和动态过电压以及不同的 保护出口方式。对于一般的机组，保护采用双频式 零序电压接地保护方案，即由３Ｕ０定子接地保护和 三次谐波（３Ｗ）定子接地保护共同构成的１００％定 子接地保护。其中，３Ｕ０定子接地保护反应发电机 的零序电压大小，保护具有三次谐波滤除功能，灵敏 度很高，零序电压取自发电机机端Ｐｒｒ的开口三角 形绕组，保护范围是自机端向中性点侧８５％～９５％ 的定子绕组。 百万千瓦大型机组一般采用发电机中性点经消 弧线圈接地方式或经配电变高组接地方式 。定 子接地保护不仅要求大型发电机具有１００％的保护 区，而且要求在定子绕组任一点发生接地故障时，保 护装置应有较高的灵敏度。如果保护装置灵敏度很 低，当发电机中性点附近某点经一定大小的电弧电 阻接地或该点绝缘电阻下降到某一数值时，保护不 能反应，则当机端附近发生接地故障时，中性点电位 升高，形成二点接地故障，表现为相间或匝问短路。 由于大型机组定子绕组对地电容大，增加了大电阻 接地时故障的检测难度，上述双频式零序电压接地 保护方案，其灵敏度已经不能满足要求，这就需要提 出新型的定子接地保护方案。 ２外加电源注入式定子接地保护 ２．１外加电源注入式定子接地保护的基本原理 发电机正常运行时整个三相定子回路对地绝 缘，发生单相接地故障后，对地绝缘被破坏。为此， 通过在发电机定子加一信号电源，可区分正常运行 和接地故障。正常运行时发电机由外加电源引起的 对地泄漏电流较小，而发生单相接地故障时，此电流 明显地发生改变；通过直接或问接检测该电流的变 化，可以发现接地故障的存在 。利用该原理既能 在１００％范围内测量定子接地故障，同时也能反映 定子绕组绝缘下降，从而起到监视绝缘老化的作用。 信号电流骤增，保护按预定逻辑动作。因此，外加交 流电源和基波零序电压共同构成的方案在零序电压 定子接地保护区实现了双重化保护，较好地实现了 定子接地保护。 ２．２ 外加电源注入式定子接地保护的特点 作为一种新型的定子接地保护方案，该保护具 有以下５个特点。 （１）外加信号电压的频率为２０ Ｈｚ或１２．５ Ｈｚ， 可以明确区分工频和外加电源信号，并能避开容易 在电机电压回路发生谐振过电压三次谐波频率和二 分之一次谐波频率。 （２）外加电源方式的定子接地保护具有保护不 受机组运行状况影响、无死区、灵敏度高等特点。 １００％定子接地保护能检测发电机定子绕组、发电机 中性点与发电机定子绕组直接相连的其他元件（如 主变压器低压绕组和厂高变的高压绕组）发生的接 地故障，且有相同的灵敏度。 （３）从原理上看，外加电源方式定子接地保护 反映定子绕组绝缘的下降，因此能对绝缘老化起到 监督作用。利用发电机固有的基波或三次谐波电势 的定子接地保护却只能反映定子绝缘的局部恶化和 破坏，因此，绝缘年久均匀老化较少影响基波或三次 谐波定子接地保护的动作，它们的整定值受正常运 行绝缘水平均匀下降的影响较小。 （４）外加２０ Ｈｚ电源电压的幅值为发电机额定 相电压的１％一３％，故对机组几乎没有影响。由于 所用的测量频率很低，所以发电机回路对地电容即 使稍有改变（如出口断路器对地电容的增加等），对 测量结果的影响也很小。 （５）对于外加电源电路，既可以从发电机中性 点配电变二次侧直接注入也可由机端ＴＶ的开口三 角绕组注入，如图１所示。 ２．３ 常规外加电源注入式定子接地保护的不足 随着电力系统的发展，百万千瓦机组的中性点 接地方式一般采用经接地变高阻接地。常规外加电 源注入式定子接地保护的外加电源一般从中性点接 维普资讯 http://www.cqvip.com
第７期 刘小波，等：百万千瓦机组注入式定子接地保护的研究与开发 ‘３９・ Ｃ Ｔ ；Ｒ１ｌ｛ 滓电入源电交流路 ａ外加电源从接地变 器＝次侧注入 １１ 图１外加电源的注入方式 地变二次侧注入（如图２所示），常规注入式定子接 地保护一般取分压电阻Ｒ ，上的电压 。，ｃ ，电流ｆ０ 求取接地电阻。为防止动态过电压，要求接地变压 器二次侧电阻的阻值很小（一般不大于ｌ ｎ），由于 ￣ｌ－ＴＪｔＪ电源Ｅ及滤波器Ｔ内阻的存在，使正常运行时 Ｒ 上分得的电压很小，仅有１ Ｖ左右，这给接地电 阻的测量增加了困难。 Ｅ ｆ＿ｌ＿一ｆ ｆ Ｔｍ ＲＩ）｝＿一％ ｒ——一Ｌ——— 、十 ＪＲ．１砉 Ｊ ｊ｝ ［＝＝ｉ；ｊ 二二＿ ｃ ＿——— ｆ ｆ０ ｊ ｆ Ｉ【．．．．．．．．．．．．．．．．．．． Ｅ外加电源：Ｒ．ｒ发电机配电变Ｊ土器的电阻：Ｔ ２０Ｈｚ 的滤波器；ＲＤ分压电阻 图２常规注入交流电源式定子单相接地保护 另外，电阻判据通过分压器测量电压和ｉ贝４量电 流获得，但传统的￣ｌ－／ＪｔＪ低频交流方式因为测量电流 电压中可能出现很大的基波分量的影响，使得电阻 判据在实现高灵敏度的原理上受到了限制。 在图３中，Ｉ为发电机正常运行状态，Ⅱ为机端 发生Ａ相金属性接地故障状态。正常运行时，由于 定子对地电容的存在，有较小的￣ｌ－／Ｊａ电源低频电流。 在机端发生Ａ相金属性接地故障后，保护装置测得 很大的基波电流，将￣Ｉ－／ＪＨ电源低频电流完全覆盖。 ２．４基于平衡原理的注入式定子接地保护 ２．４．１保护原理的提出 将￣ｌ－／ＪｔＪ电源Ｅ、交流滤波器Ｆ、平衡臂Ｆ 以及接 ｃ ＇＝ 图３机端Ａ相金属性接地时注入式定子 接地保护所测电流波形 地变压器的接地电阻Ｒ 看作￣ｌ－／ＪｔＪ电源电路。在未 接人发电机之前，调整平衡臂参数使￣ｌ－／ＪｔＪ电源电路 的交流滤波器支路电流， 和平衡臂支路电流，２相 等，外加电源电路处于平衡状态。接人发电机以后， 这２条支路的电流变化反映发电机定子接地阻抗的 变化。检测这２个电流的变化可实现基于平衡原理 的定子接地保护。 在图４中，交流滤波器既要能通过￣ｌ－／ＪｔＪ低频电 源大功率信号，又要滤除５０Ｈｚ信号，它与平衡臂一 起构成了基于平衡原理的定子接地保护的平衡 电路。 ｃ⑧ ＣＴ， 上 Ｅ ｃ发电机：Ｔ．接地变压器：Ｒ 接地变 的接地电阻； Ｆ．交流滤波器：Ｆ，．平衡臂；Ｅ．２０Ｈｚ的外加电源；ｒ．外加电 源内阻 图４ 基于平衡原理的外加电源式定子接地保护 常规的定子接地保护是由取自ＣＴ 的电流信号 和接地变压器接地电阻两端的电压信号来构成接地 电阻判据。在机端附近发生接地故障时，ＣＴ 中流 过的故障电流中大部分为基波电流分量，２０Ｈｚ的电 流分量相对较小，影响了２０Ｈｚ故障量的检测灵敏 度。为了提高保护性能，必须提高２０Ｈｚ故障量的 检测灵敏度。对于￣ｌ－／ＪｔＪ电源电路来说，ＣＴ，电流的 测量可以降低５０Ｈｚ的故障电流干扰，但未接人发 电机时就有不平衡量流经Ｒ ，也会影响测量灵敏 度，因此设置了平衡臂。检测流经交流滤波器和平 衡臂上的电流之差，使之仅反映发电机定子绕阻的 泄漏电流。 如图５中所示，在接人发电机之前调整平衡臂 的参数，使流经交流滤波器和平衡臂上的电流相等， 外加电源电路处于平衡状态；接人发电机后，正常无 故障时，由于发电机对地电容的作用，交流滤波器支 路和平衡臂支路上的电流会有小量的差值；发生接 维普资讯 http://www.cqvip.com
－４０・ 华电技术 第３０卷 地故障时，电流差值会发生明显的改变。由于外加 电源电路在接人发电机前已经处于平衡状态，因此， 测量的电流变化反映的是发电机定子的接地阻抗变 化，并且测量的电流量中大部分为２０Ｈｚ的电流分 量，这大大提高了保护低频测量量的检测灵敏度，接 式（６）为定子的等效接地导纳的理论计算公 式，考虑仅用电流进行计算，由电路可知 Ｕ１＝１２Ｚ２一，１ＺＩ， 则 ｌ，，： ± Ｒ （１２Ｚ２一， Ｚ１） 。 地电阻的计算将更为准确。 厂 Ｅ Ｌ———————．—ｊ Ｚ ＲＪ．接地电阻：ｃ发电机定子对地电容：Ｒ 接地变压器接地电 阻：Ｚ１．交流滤波器的阻抗；Ｚ２平衡臂的阻抗；Ｚ ．发电机 等效定子接地阻抗 图５基于平衡原理的定子接地保护等效电路图 ２．４．２基于平衡原理的理论计算 由于定子接地阻抗是定子接地电阻和定子对地 电容的并联效应的反映，因此，采用计算定子接地导 纳的方法可更方便地实现定子接地电阻的判据。 常规算法计算定子接地电阻除需测量电流外还 要再测量相应的接地电压。由于平衡臂的设置只能 提高电流故障量的检测灵敏度，接地电压的测量同 样会包含有基波分量从而使故障量的测量灵敏度受 到影响，因此，在基于平衡原理的保护算法中只利用 电流测量量来计算定子的接地导纳。 根据图５有 ， ㈩ ． ，７，２＝ｖ２． ，７， （２） 式中， 为平衡臂两端电压。 因为Ｚ ＝Ｚ ＋Ｒ ，故接地故障发生时电流为 ． ． ． 尺 ｚ 而Ｚ Ｚ１＋Ｚ１Ｒ ＋Ｚ Ｒ ＿ ＿＿＿ 。 （３） 接地变压器的接地电阻两端的电压为 －，ｌ ’（４） 式中 利用式（）３ 地电阻两端电压。 式（）可得 ４ 、垒 一一 蔓 一Ｚ 一１ Ｚ２Ｚ 一ｚ２ｚ 一Ｚ２三＿一 一 ｙ， ｒ 。２ ’ 故 ＝ Ｒ ．Ｕ。 ㈤ 令定子侧对地导纳为 １＋ｊｗＣ，则有 １Ｌ， １ ｙ，＝ｎ （－ｆｉ－ ＋ｊｗＣ）， （７） “， 式中，凡 为接地变压器的变比。 １ 因此 Ｒｊ 凡 。 （８） 可见，接地导纳实数部分的倒数就是接地电阻。 保护判据则为Ｒ，＜Ｒ 。 从以上的分析可以看出，只要测量交流滤波器 及平衡臂两条支路上的电流就可以计算出接地电阻 的大小，计算公式简单直观，不受定子对地电容变化 的影响。 以上讨论的保护算法反映了定子经接地电阻发 生接地故障时接地电阻的大小，它能定量地反映定 子接地故障的严重程度，实现１００％范围的定子接 地保护；在保护方案当中，还可增加其他的保护判据 来进一步保证定子接地保护的准确性和可靠性。 ２．４．３基于平衡原理的方案设计 利用这种测量接地电阻的方法除了能反映发电 机定子接地故障以外，且能对定子绕组起到绝缘监 视的作用。 外加电源故障时，接地电阻计算将不可靠，此时 应闭锁接地电阻的判据；外加电源电路未接入发电 机时，，＝１２。接入发电机以后，相当于在接地变压 器的二次侧的电阻并联发电机的对地阻抗，始终有 ，。＞， ，因此采用， ＜１２对接地电阻判据进行 闭锁。接地电阻判据逻辑框图如图６所示。 图６接地电阻判据逻辑框图 ３谐波对外加注入源定子接地保护的影响恫般 删江八 瑗 刚 ３．１外加注入源的影响 一般外加低频电源都是通过将５０Ｈ 交流电源整 汲，兵甲包笛Ｊ较多的商次谐汲厩分，善 呙次谐汲ｘ寸蓑 议 维普资讯 http://www.cqvip.com 第７期 刘小波，等：百万千瓦机组注入式定子接地保护的研究与开发 ‘４１・ 备产生很强的干扰，使信号失真，甚至造成设备不能 使用。对外加电源方式的１００％定子接地保护而言， 电源的信号质量和可靠性对保护的正常运行有很大 影响，因此，设计可靠的带通带阻滤波器是必须的。 ３．２发电机运行时谐波的影响 情况）以外的其他整次谐波分量。就注入式定子接 地保护而言，当低频电压源是１２．５Ｈｚ时，傅氏算法 能有效地清除１２．５Ｈｚ的所有倍频干扰信号（包括 ５０Ｈｚ工频）的影响。但对２０Ｈｚ注入电流，由于 ５０Ｈｚ的奇次谐波分量都是２０Ｈｚ的分数次谐波，将 不能有效地滤除，对保护产生很大影响。这时有必 对注入式定子接地保护有影响的谐波除了来自 外加电源外，还有发电机运行时产生的谐波。消除 谐波的方法之一是从算法上进行滤波。以常用傅氏 算法为例一 ，假设输入频率为 ，并令ｗ／ｗ ＝Ｐ， 则该算法能滤掉除Ｐ＝１和Ｐ＝１１（只讨论Ｐ＜１２的 一 要对装置的电流电压通道进行硬件滤波设计。图７ 所示的硬件滤波通道由２级运放构成，前一级具有 ： 带阻功能，重点滤除５０Ｈｚ信号；后一级具有带通功 能，能够在放大低频信号的同时滤除其他高次谐波。 一器 图７设计的硬件滤波通道 ４结束语 本文阐述了百万千瓦机组给发电机继电保护特 ［２］王维俭．电气主设备继电保护原理与应用［Ｍ］，北京：中 国电力出版社，２００１． ［３］吴济安，万慧，陆于平．基于平衡原理的外加电源式定子接 地保护的研究［Ｃ］／／中国高等学校学校电力系统及其自动 化专业第十七届学术年会论文集．福州：福州大学，２００１． 别是发电机定子接地保护的影响，认为双频式零序 电压接地保护已不能满足百万千瓦机组的要求。基 于平衡原理的注入交流电源式保护是在常规注入交 流电源式接地保护基础上提出的。平衡臂的设立主 要是为了消除发电机中性点经配电变压器低阻接地 ［４］邰能灵，尹项根，胡玉峰．注入式定子单相接地保护的应 用分析［Ｊ］．继电器，２０００（６）：１５—１８． （编辑：白银雷） 作者简介： 方式卞，常规低频注入式保护灵敏度不够，为消除各 种不平衡量的影响，提高灵敏度而提出的。 参考文献： ［１］朱杰民，王丽，王雪松．发电机中性点接地与定子接地保 护［Ｊ］．东北电力技术，２０００（１）：１６—１８． 刘小波（１９７８一），男，江苏如东人，国电南自凌伊电力自动化有 限公司助理工程师，工学硕士，从事电力系统运行与控制方面的研究 工作。 包明磊（１９７７一），男，江苏南京人，国电南自凌伊电力自动化有限 公司助理工程师，工学硕士，从事电力系统继电保护方面的研究工作。
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