浅析发电机定子接地保护

浅析发电机定子接地保护吴庆国（中国神华胜利发电厂 026000）【摘要】大型发电机组在国民经济中举足轻重，提高其继电保护水平，已是保证电力生产安全发供电的一项重要任务。本文着重对发电机定子接地保护常用方法进行介绍，对各保护方法原理及优缺点进行了深入的研究和分析，总结出了发电机定子保护的可靠措施。【关键词】定子接地；基波零序电压；三次谐波1引言定子绕组单相接地是发电机最常见的一种故障形式，随着大型机组新型冷却技术的应用，其发生几率也愈加增大，因定子接地而损坏电机的事故发生多起。发电机定子接地的危害程度取决于接地电流的大小。过去，我国规定定子接地故障电流允许值为5A，随着电力生产的发展和大型机组的投产应用，实践表明，为了避免定子铁芯叠片烧结和防止其发展成相间短路或匝间短路，大型机组定子接地电流允许值仅为1-2A，见表1-1。表1-1 定子接地电流允许值发电机额定电压（kV）发电机额定容量（MW）接地电流允许值（A）6.350410.550100313.815.751252002182030060012定子接地保护性能要求随着发电机组装机容量的不断增大，对定子接地保护性能提出了以下更高的要求：2.1应具有100%保护区此点很重要，因为尽管大型机组的定子绕组按全绝缘水平设计，并且中性点在正常运行时电位甚低，但由于大型机组多采用水内冷技术，中性点因渗漏引起绝缘老化而致接地故障仍是可能的，如果保护不能对此反映，则势必发展成严重的相间短路或匝间短路，后果将难以设想。2.2应灵敏可靠确切地说，就是在定子绕组内任何一处发生接地故障，保护均应有足够的灵敏度。此点对大型机组尤有特殊意义，因为渗漏所引起的绝缘老化毕竟有个渐变过程，如果保护能在定子绕组某点绝缘老化的早期阶段即能灵敏反映，则可有效地制止故障发展。否则，持续的漏水不仅使渗漏处绝缘进一步劣化，而且还可能损坏同一线槽其它导线或相邻线槽导线绝缘，以致最后发展成危险的两点接地短路，其后果同样难以设想。接地保护的灵敏度，通常以定子绕组中性点发生接地时保护能够动作的最大过渡电阻值恒量，一般不应低于510K，原则上是在100%保护区的前提下愈高愈好。3大型机组定子接地保护方法分析发电机单相接地故障电流由于中性点接地方式的不同而不同，保护方式也不同。按照继电保护配置规程的规定，大型发电机组单相接地故障电流达到左右时，定子一点接地保护应动作跳闸，同时要求实现定子接地保护，而且要求在保护区内任一点接地保护应有足够高的灵敏度。3.1基波零序电压型定子接地保护由于发电机定子回路发生单相接地时定子回路各点均有零序电压出现，因此保护的零序电压可取自机端电压互感器的开口三角侧或中性点变压器的二次侧，用一个高电压继电器检测发电机基波零序电压，就构成了基波零序电压原理的定子接地保护。正常运行时，机端三相电压基本对称，机端压变开口三角形绕组输出为不平衡电压（一般不超过10V），由于元件已在定值上考虑躲过，故保护不会动作。定子绕组接地时，如接地点不在绕组中性点位置，则机端三相对地电压对称性遭破坏，由此机端将出现零序电压，其大小与接地位置有关。如图1所示，设故障点位于定子绕组A相距中性点处，为中性点到故障点的匝数占一相串联总匝数的百分比，由于接地电流非常小，定子绕组感抗又远小于对地容抗，所以可以完全忽略定子绕组感抗压降，这样零序电压既是发电机中性点的位移电压，也是定子绕组任一相和任一点的零序电压。图1 定子单相接地基波零序电压向量图即：当故障点在机端时，=1.0，（相电动势），压变开口三角形绕组电压为100V；当故障点在中性点时，=0，压变开口三角形绕组电压为零。开口三角形绕组电压随接地点位置的变化关系如图2所示。图2 开口三角形绕组电压随接地点位置的变化关系图由图2可见，零序电压元件的定值实际上即决定了元件保护区的大小，其值愈小，保护范围就愈大，相应保护死区也愈小。如元件定值为20V，则自定子绕组引线端算起，在80%的定子绕组范围内发生接地故障，保护均能反映，剩余20%的定子绕组即为保护死区。实际测试表明，发电机正常运行时不平衡零序电压可能超过10V，有时因电压互感器饱和，甚至有超过20V的，若按此整定，保护死区当超过10%20%，对于重要的大型发电机来说，这是不能满足要求的，要想扩大这种保护装置的保护动作区（即降低其动作电压），应解决以下几方面的问题：努力减小正常运行时的不平衡零序电压。不平衡零序电压基本上是三次谐波成分，基波成分极小（经常小于1V）。为了减小接地保护的动作电压，有效而简便的方法就是将二次电压进行三次谐波过滤，经过滤波后基波零序电压定子接地保护的动作电压可以减小为510V，即动作区为90%95%。如果主变高压侧系统中性点直接接地，当高压系统发生单相接地故障时，若直接传递给发电机的零序电压超过定子接地保护的动作电压，则必须应引入高压侧零序电压作为制动量，以防误动。3.2三次谐波电压型定子接地保护为了扩大保护区，缩小死区，就应减小元件定值，但应注意，元件的定值并非可以随意变动，它的确定应以可靠躲过不平衡电压为前提，否则在正常运行中将有误动的危险，这是不允许的。此外还应指出，过分追求元件小定值亦无意义，因为如果接地点在中性点侧时，实际并无零序电压，此时即使元件定值再小，也无法反映。所以零序电压元件保护死区的出现是由于零序电压不能反映所有接地，即由于保护本身的构成原理所带来的缺憾，仅靠零序电压元件本身是无法彻底解决死区问题的。而且发电机定子回路中各点的基波零序电压相同，利用基波零序电压作为动作参量的定子接地保护不可能区分接地故障点位于发电机内部或外部，因此必须另辟蹊径，由此三次谐波电压元件应运而生。实际测量表明，无论发电机机容量大小如何，它们的相电压中总有少量的三次谐波成份，其大小可为额定电压的千分之几到百分之十左右。这是因为转子绕组结构上的特点，总存在一定的（虽然很小）三次谐波磁势和磁密，另一方面因转子大齿和小齿结构使两者等效气隙线不同，也会产生三次谐波磁密，这样便会在相电压中产生三次谐波分量。主变低压侧通常是三角形接线，发电机中性点又采用高阻接地方式，正常运行时不存在三次谐波电流主通路，这时三相绕组中的三次谐波电势通过绕组对地分布电容和发电机所连设备对地导纳形成机端侧和中性点侧对地零序三次谐波电压和，两者大小与机端和中性点对地等值导纳成反比分配，两者之相量和正好与三次谐波等值电势相等。由于机端所连设备对地电容使机端等值电容增大，故通常有。图3 正常运行三次谐波等值电路发生发电机定子接地故障时，接地点迫使绕组三次谐波电势按故障接地点分为两部分，使相应的和发生变化。当靠近中性点附近发生接地故障时，减小，增大。故障点越靠近中性点，减小得越多，而增大得越多。极端情况下，当中性点直接接地时，因此，利用三次谐波电压和相对变化的特征可以有效地消除中性点附近的保护死区。图4 定子单相接地三次谐波电压分布需要指出的是，即使在正常运行状态，三次谐波电势随发电机运行工况的改变而不断变化，使和亦发生变化。实际上当发电机输出的有功功率和无功功率改变时均会引起三次谐波电压的变化。因此直接单独根据和一个量的改变并不能作为发生接地故障的特征。因此，需要利用和的相对变化来实现定子绕组三次谐波电压原理的定子接地保护。正常情况下，由“和随接地点变化的曲线”可明显看出，当,即机端三次谐波电压大于中性点三次谐波电压。因此可利作为动作量，作为制动量来构成反应三次谐波电压的接地保护，它可以反应50%范围内的接地短路。这样，它与基波零序电压保护共同构成了双频式定子绕组100%单相接地保护，完全消除了保护死区。同样也可以单纯采用中性点三次谐波电压构成低电压接地保护，因为任何正常运行情况下均有，而中性点附近发生接地故障时，将趋向于零，因此可以采用作为动作判据来构成三次谐波定子接地低电压保护。值可通过实测决定。4结论从上面的分析可以看出，不同原理的定子接地保护均能正确反映出发电机的真实故障，每种保护都有其不可替代的优点。为保证发电机组安全运行，可将定子接地保护配置为100定子接地保护，其中包括95%基波零序电压部分；机端与中性点电压三次谐波比较部分；中性点三次谐波低电压部分。由反映机端零序电压的零序电压元件和反映机端及中性点三次谐波电压差值的三次谐波电压元件组成，利用三次谐波电压覆盖电压死区，冗余的中性点三次谐波低电压保护使中性点附近部分做到了双重接地保护，可有效保护发电机长期安全稳定运行。参考文