20 Hz注入式定子接地保护在蓄能电站中的应用

段世肖，丁烨楠

（华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司，浙江 天台 317200）

20 Hz注入式定子接地保护在蓄能电站中的应用

段世肖，丁烨楠

（华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司，浙江 天台 317200）

从发电机中性点接地变的二次侧注入20 Hz交流电源构成发电机定子接地保护，该保护无工作死区，不受机组运行状况影响；不受接地故障点位置的影响，实现了对发电机定子100%接地保护；能监测发电机定子绕组绝缘性能下降，并对发电机定子绕组绝缘老化起到监视作用。

20 Hz电源；注入式；定子接地保护

0　引言

发电机定子单相接地故障是发电机常见故障中的一种，由于发电机定子单相接地故障容易衍变成危害更大的发电机定子绕组相间或匝间短路，因此发电机定子接地保护在大型发电机机组保护中具有重要作用，它对于发电机定子严重短路故障的预防具有重要意义。传统的发电机定子接地保护主要是由基波零序电压式定子接地保护与三次谐波电压配合组成的发电机定子100%接地保护。其中基波零序电压式定子接地保护在发电机定子电压升高至一定水平才会动作，且接地故障点发生在发电机中性点附近的话存在死区。而三次谐波电压有多种实现方法，但都受发电机定子及其相联设备的参数和运行方式的影响，或者由于动作判据稳定性差而使运行的可靠性不易实现。

而20Hz注入式定子接地保护是在发电机定子回路与大地之间加入一个20Hz的信号源，通过回采的20 Hz电压、电流来计算发电机定子对地阻抗，从而判断接地故障。该保护能够独立实现发电机定子100%接地保护，且基本不受系统运行方式的影响。它还能够对发电机定子的绝缘水平下降起到监测作用，是较好的发电机定子接地保护方案。此外它还有一个优点是在机组的启停机过程中依然能够起到保护作用。

20 Hz注入式定子接地保护拓宽了保护方案的灵活性，提高了发电机的安全运行，因此在大型发电机机组保护中得到越来越多地应用。

1　发电机定子接地保护的介绍

1.1发电机定子接地保护的定义

发电机定子发生单相接地故障后，产生的接地电流经故障点、三相对地电容、三相定子绕组而构成通路。当产生的接地电流增大至在故障点引起电弧时，将使发电机定子绕组的绝缘和定子铁芯烧坏，也容易衍变成危害更大的发电机定子绕组相间或匝间短路，而能够对发电机定子发生接地故障时进行无死区的保护就称为发电机定子100%接地保护。

1.2发电机定子接地保护的主要方式

发电机定子接地保护根据保护原理的不同可分为非注入式和注入式两大类，而目前应用最广泛的是非注入式保护。此类保护最大的一个不足之处就是只能动作于发电机正常运行时，而当发电机在启停机阶段时发电机定子发生接地故障，该保护则无法正常起到保护作用。而注入式保护无论发电机处于正常运行还是启停机阶段都能监测发电机定子对地的绝缘情况，恰恰弥补了非注入式保护的不足。

目前应用比较广泛的发电机定子接地保护方案主要为基波零序电压式定子接地保护、三次谐波电压式接地保护等非注入式接地保护以及低频注入式定子接地保护等注入式接地保护。

1.2.1采用了基波零序电压式定子接地保护与三次

谐波电压组成的双频式发电机定子接地保护

基波零序电压式定子接地保护原理比较简单，接地保护简便易实现，但其监测范围在发电机中性点处存在5%～10%的死区，并且该死区会随着发电机定子绕组对地电容的增大以及不对称度的增大以致接地保护灵敏度降低而不断扩大，这个是其重要缺点。三次谐波电压式定子接地保护弥补了当接地故障点发生在发电机中性点附近时基波零序电压式定子接地保护的不足，因此由它们两个组成的双频式发电机定子接地保护得以被广泛应用在大型发电机机组保护中。但三次谐波电压式定子接地保护受机组运行方式的影响较大，经常误动；并且由它们组成的双频式发电机定子接地保护依然不能够保护处于启停阶段的发电机机组。

1.2.2低频注入式定子接地保护

在发动机中性点处加装接地变压器，也就是发电机中性点经二次侧带接电阻的变压器接地，在接地变二次侧注入一个方波电源，并采集注入电源的电压和注入电流，正常与运行时，注入电流经接地变耦合到发电机定子，流过的电流为电容电流，当发电机定子发生接地故障时，电流增大，耦合到二次侧的电流也增大，采集注入电流随之增大，由此反应发电机定子发生接地故障。该保护能够独立实现发电机定子绕组100%接地保护，并能够对发电机定子的绝缘老化情况进行监视。因此低频注入式定子接地保护以其简便的原理和优越的性能，代表了发电机定子接地保护日后的发展方向。

由基波零序电压式定子接地保护和三次谐波电压构成的双频式发电机定子接地保护应用于国内大多数发电厂的机组中，是目前发电机定子接地保护方案中应用最为广泛的。而低频注入式定子接地保护作为新型的发电机定子接地保护，也在逐渐被各大型发电厂接受并使用。在低频注入式定子接地保护领域中，最具影响力的是德国西门子和瑞士ABB两家公司。

2　桐柏电站定子接地保护的介绍

在发电机中性点处注入一个20 Hz的电压以用来监测接地故障已被证实是一个可靠而且安全的方法。与三次谐波电压式定子接地保护动作判据相反，它独立于发电机的特性以及运行方式，简单来讲就是指即使在系统停顿期间，保护的测量过程仍然可以继续进行。桐柏电站低频注入式定子接地保护的外加电源采用的是20 Hz电源，其在发电机静止、启停机和并网运行等各种工况下都能够发挥良好的保护作用。这个保护的功能范围可以覆盖整个发电机及其所有与之相连的电气设备。

20 Hz注入式定子接地保护通过保护装置采集已注入的20 Hz电压以及流过的20 Hz电流来实现对系统的监测，该保护有一个报警、跳闸段。并且其测量回路始终被保护装置所监视，就算是20Hz发生器本体的故障也能被测量出来。

2.1 20 Hz注入式定子接地保护工作原理

20 Hz注入式定子接地保护的工作原理为从发电机中性点二次侧注入一个低频（20 Hz）交流电压源，其电压幅值最大约为发电机额定电压的1%（桐柏电站发电机额定电压为18 kV）。如果发电机中性点处发生了接地故障，20 Hz交流电压信号通过接地电阻R将产生电流（如图1）。保护装置将采集回路中的20Hz电压和故障电流，从而计算出回路的对地阻抗。这种工作原理同时也可用于监测发电机机端的接地故障，包括与发电机机端相连接的其他电气设备，如电制动刀、电压互感器等。

上述工作原理主要靠加装的外部附加设备：7XT33（20 Hz电源发生器）和7XT34（20 Hz带通滤波器）才得以实现，该保护投入运行时，由7XT33装置产生一个方波电压，幅值约为25 V。通过7XT34装置，将产生的方波信号注入到中性点接地变二次侧的负载电阻R，并经过变压器绕组耦合到中性点接地变一次侧。其中带通滤波器7XT34的作用主要是将方波信号转变成正弦波信号。当发电机机端发生接地故障时，发电机保护装置（DRS-MODULAR装置）将引入的20 Hz电压信号和20 Hz交流电流信号加以处理计算来判断接地故障，其中20 Hz交流电流信号通过外接小型CT来测量，而20 Hz电压信号直接取自负载电阻R。

图1中，我厂保护装置采用ELIN生产的DRS-MODULAR装置；20 Hz电源发生器为西门子的7XT33；20 Hz带通滤波器为西门子的7XT34；R为接地负载电阻。

2.2有关保护动作逻辑

2.3有关保护整定计算

2.3.1实测数据

经过不同阻抗接地时测得的接地电阻如表1：

说明：该测量数据为加入直流电阻进行测试的结果，实际负载为感性。

2.3.2动作整定值计算

权衡正常时的可靠性和故障时的灵敏性两者矛盾，通过计算选取不同工况下的定子接地保护动作整定值。

（1）发电机工况/抽水工况动作电阻整定值取：

可靠系数取：

灵敏系数取：

（2）拖动工况时动作电阻整定值取：

为保证接地时可靠动作，整定值取：

可靠系数取：

灵敏系数取：

2.4有关保护注意问题

2.4.1有关保护跳闸矩阵

2.4.2有关保护闭锁矩阵

目前大型水电厂的水轮发电机一般采用电制动方式与机械制动方式相结合的混合制动方式停机。为了防止停机过程中在电制动刀合闸期间，发电机定子接地保护的误测量以及误动，发电机定子接地保护的保护装置应接入电制动刀的辅助常开接点。即当电制动刀合闸后，该接点闭合，此时应闭锁20Hz注入式定子接地保护动作（见表4）。

此外在两机组背靠背拖动过程中处于被拖动工况或拖动工况时，保护范围延伸到有联系的机组。针对保护范围的扩大，为了提高保护的可靠性及保证保护的灵敏度，防止外加20 Hz电源回路形成环流，故在机组背靠背启动时打开拖动机组的中性点闸刀，该定子接地保护由被拖动机实现（见表4）。

3　结束语

发电机作为电力系统的重要组成部分，其安全、稳定、可靠运行在很大程度上决定了电力系统是否能够稳定运行。在发电机易发常见故障中，发电机定子绕组单相接地故障在发电机各类故障中所占比例很高。虽然发电机定子绕组发生单相接地故障不会产生很大的故障电流，但容易衍变成危害更大的发电机定子绕组相间或匝间短路，因此完善的发电机定子接地保护对发电机的安全运行起到至关重要的作用。所以，发电机定子接地保护是大型发电机组保护配置中十分重要的一项保护。与双频式发电机定子接地保护相比较，20 Hz注入式定子接地保护原理新颖，能够独立实现发电机定子100%接地保护，且对发电机定子的绝缘水平下降起到监测作用，因而得到广泛应用。本文介绍的20Hz注入式定子接地保护，以其简便的原理和优越的性能，代表着发电机定子接地保护日后的发展方向。随着20 Hz注入式定子接地保护在大容量机组中被逐渐广泛应用，其保护装置的可靠性、速动性、选择性和灵敏性也将经受考验。

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段世肖（1988-），男，工程师，从事抽水蓄能电站运维工作。

TM774

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1672-5387（2015）11-0032-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2015.11.012

2015-07-31