提高发电机定子接地保护动作可靠性的措施

邓祖前

(广州恒运企业集团有限公司，广东广州 510730)

某电厂汽轮发电机组容量为210 MW，中性点采用配电变压器高阻接地方式，机端配置TV1，TV2，TV3(专用)3组抽屉式电压互感器，其中TV1，TV3进入保护 A屏，TV2，TV3进入保护 B屏，电气量保护双重化配置，配置双重化的双频式100%定子接地保护，其中基波零序电压保护动作判据为:

|3U0|＞Uop1

三次谐波动作判据为:

式中 3U0为取自机端开口三角电压;UOP1为基波零序电压保护整定值;，分别为机端和中性点三次谐波电压;KP为变比平衡系数 (为机端TV开口三角变比与中性点配电变压器变比不匹配而设);K'为制动系数。本例整定:UOP1=5 V，KP=1．27，K'=0．7，基波零序电压动作于机组全停，三次谐动作于发信。

1 故障情况及保护动作行为分析

该机组带191 MW负荷运行，保护B屏发电机定子接地三波谐波保护动作发信，并不能复归，基波零序电压变动较大，相关采样数据如表1。

表1 保护动作时，A，B屏有关各量的比较

保护动作行为分析:

对于A屏:

故保护不动作。

而对于B屏:

故保护动作。

因A，B屏基波零序电压均未达动作值故不动作。由以上分析可知，保护动作行为正常。

2 故障性质的判断

根据表1及表2(见4．3节)的数据进行综合分析，否定了发电机定子绕组发生单相接地故障的可能，这是因为:

(1)B屏的3U0变动较大，但A屏及中性点基波零序电压很小且正常。

(2)B屏的Kp的幅值与A屏的基本相同，而˙U3s幅值较A屏的有较大幅度的减小。

以上各点均不满足发电机定子接地时机端及中性点均有基波零序电压输出及幅值增大、Kp幅值减小的数据特征，并且通过与表2的数据对比，确定发电机定子绕组运行正常，A屏保护及电压回路采样正常，B屏TV2电压回路异常。考虑到TV2开口三角基波零序电压变化较大，而该3U0整定较灵敏 (5 V)，故建议退出B屏的该保护功能压板，几天后该保护动作 (动作值为4．92V)发信，由于功能压板已退出，故未切机。

3 情况检查及技改措施

3.1 情况检查

该发电机机端共设3组TV，每组TV由3个抽屉式的单相TV构成，二次电压通过TV本体端子排再通过动静弹簧压接片引到柜体端子排，最后接入5m层的电压端子箱，每相TV开口三角绕组头尾均接到该端子箱，然后用专用短接片将之组成开口三角形，对引入保护B屏的TV2进行了详细检查，主要发现了如下问题:

(1)对TV2的3个单相TV的一次绕组尾端接地情况检查发现，C相一次绕组的尾端并不像A，B相那样将尾端直接接于接地铜排上而是接到柜体上，且连接螺丝只有平垫而没有弹簧压垫，由于汽机0 m层振动较大，造成接线松动。拆除原有接线，利用专用接地线将C相TV一次绕组尾端可靠地接到接地铜排上。

(2)通过对TV2二次电压引出用的动静弹簧压接片检查发现:TV2动端弹簧片的滑动接触位置有氧化现象，利用金相砂纸打磨并用酒精洗净，微调动静压接片的相对位置，使其接触可靠。

3.2 技改措施

基波零序电压的选取方式由保护中的“电压选择控制”决定，现将该控制字由“1”改为“0”，即电压选取由机端改为中性点，同时保护在软件上也解除了机端TV一次断线的闭锁功能，使该保护的动作更加可靠。

根据原有定值确定在中性点取电压时的保护整定值分析:

假设发电机C相中性点距机端α处的K点发生金属性接地短路 (见图1)，则:

图1 发电机定子接地保护示意图

则机端TV开口三角电压:

中性点配电变压器二次侧输出电压:

则:Kp1=UL1N1/ULN=Ns/3Nn

上式中Kp1为与式 (1)区分，称为变比修正系数，Ns为机端TV开口三角变比，Nn为中性点配电变压器变比。

考虑到保护动作于边界条件，并设UOP1为电压取自机端TV时时的整定值，UOP2为电压取自中性点时的整定值，则:

UOP2=Kp1UOP1=1．27 ×5=6．35V，实取6．5V。

由以上分析知:将原保护中的定值作如下调整:电压选择由“1”改为“0”，基波零序电压定值由5 V改为6．5 V，动作时限不变，软件上自动解除TV一次断线闭锁。保护静态试验正常，机组正常运行时中性点基波零序电压采样值平稳且很小，仅0．1 V左右，投入保护的功能压板，机组运行近2年来，保护运行良好。

4 提高双频式100%发电机定子接保护动作可靠性的措施

4.1 有条件取消TV一次断线闭锁基波零序电压保护功能

对于中性点和机端都能取出电压的发电机，宜取消TV一次断线闭锁基波零序电压保护功能，零序电压保护采用如图2所示框图，这是因为:

图2 基波零序电压保护框图

(1)目前都是利用二次电压来判断TV一次是否断线，并不能反应真实情况，以常用的电压平衡式继电器为例，如果机端TV二次绕组存在断线，则继电器动作闭锁基波零电压保护，但TV一次并未断线，其开口三角无较大基波零序电压输出，故保护无误动可能，相反，在处理TV二次绕组回路异常过程中，如发电机发生定子绕组单相接地故障，则由于保护拒动，极易造成相间或匝间短路，严重危及设备安全。

(2)运行实践表明:对TV一次回路故障 (如一次保险接触不良)、TV三次电压传递故障、接线松动等现象，断线闭锁继电器并不能可靠动作，造成保护误动切机，特别是在保护灵敏度较高的情况 (如本例UOP1为5 V)。

(3)由于TV断线闭锁装置原理错误，当发电机定子绕组单相接地时造成保护被误闭锁使发电机严重损坏。

当然，目前部分保护只取中性点电压。对于中性点无法取出电压的发电机，则只能取机端TV开口三角的电压加TV一次断线闭锁的形式，此时必须重视TV一次断线闭锁逻辑的测试，不但要模拟真正的一次断线，还要模拟相应故障情况下的闭锁逻辑的正确与否。

4.2 重视变比修正系数Kp1

4.3 根据发电机中性点接地方式，选择合适的三次谐波保护原理

理论分析表明:发电机中性点不接地、经消弧线圈接地或TV接地，中性点及机端的三次谐波电压相位差一致，实测值一般不超过7°，采用式(1)是完全可以的，且调试简单，但对中性点经配电变压器高阻接地的发电机，由于中性点接地等效电阻 Rn的引入 (本例 Rn=()2×r=)2×0．84=4 305 Ω)，使得发电机正常运行时，机端的三次谐波等效总阻抗为容性而中性点的为阻容性，造成中性点及机端的三次谐波相位差较大或反接时与180°相差较大，表2是在210 MW机组实测数据和依据式 (1)计算出的动作量和制动量。

表2 正常运行时U3s，KpU3n随有功的变化量

(1)重新计算变比平衡系数Kp

由3．2节和4．2节的分析可知 Kp=1/Kp1=3Nn/Ns=0．787，但却错误地整定为 Kp=Kp1=Ns/3Nn=1．27，使保护的动作量无故增加。

(2)增加相位平衡，即保护动作原理形如

式中˙K可能是复数，可进行幅值平衡，也可进行相位平衡，使发电机正常运行时，动作量较小，K'也可整定较小，以提高保护装置动作的可靠性和灵敏度。

(3)采用如下的保护原理

4.4 特别重视机端TV每相一次绕组尾端与接地铜排的可靠连接

现在对图1中的TV一次中性点与中性点配电变压器或TV和消弧线圈接地端与地网的可靠连接已经相当重视，因为它们是三次谐波比幅比相的基准点，对TV二次与三次回路要相互独立，TV二次回路的接地点都有明确规定。但对于机端TV每相一次绕组尾端与接地铜排的可靠连接重视还不够。机端每组TV一般由3个抽屉式单相电压互感器组成，每个单相电压互感器的一次绕组尾端均通过TV小车本体与柜内接地铜排连接，铜排再通过镀锌编织接地铜线与地网相连。TV小车柜内铜片接触处发生变形，由于TV本体处振动较大且设计不当，极易引起接触不良，造成电压传变受影响，开口三角出现较大的基波零序电压，三次谐波幅值减小，相位变化，造成保护误动。笔者所在电厂的1台300 MW机组，自投产不久，三次谐波频繁动作，多则每天达10次以上，同时机端TV开口三角输出较大基波零序电压，现列出某次三次谐波保护动作时相应的采样值 (如表3)。

表3 保护动作及故障处理后数据的采样值 V

表3中3U01，U02分别是机端开口三角、中性点变压器二次侧基波零序电压，U3s，U3n分别是机端开口三角、中性点变压器二次侧三次谐波电压，ΔU为保护动作量。该发电机中性点也通过配电变压器高阻接地，三次谐保护采用式 (2)的原理，从表3中可以看出:①机组正常运行情况下，通过保护的自动调整，保护动作量很小 (0．04 V)。②B屏机端三次谐波电压不正常的瞬间，保护动作发信并自保持，之后动作量仍很快调整到很小。③检查发现:B相TV小车与接地铜排压接处的铜片严重变形且材质差，弹性较差，TV的B相一次绕组尾端未能可靠接地且由于汽机0 m层振动较大。处理后恢复正常，机组连续运行半年来再未产生保护误动情况。

5 结束语

保护的可靠运行需要采取多方措施。需重视保护装置和一、二次回路及运行、维护、巡查、定检的各个环节。应充分利用微机保护的实时数据显示及运算功能，巡检时根据发电机组的不同运行工况，认真记录保护采样值 (特别是零序分量、负序分量、差动保护的差动电流、制动电流等)并建立完整的档案，这对一、二次系统劣化值分析、故障性质判断 (保护正确与不正确动作)、状态检修及保护检验周期的确定都是至关重要的。

〔1〕李玉海，刘昕，李鹏．电力系统主设备继电保护试验〔M〕．北京:中国电力出版社，2005．

〔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，2002．

〔3〕国家电力调度通信中心．电力系统继电保护典型故障分析〔M〕．北京:中国电力出版社，2001．