发电机定子绕组单相接地保护配置的探讨

陶东昕，杨开黎，李金萍

（1. 国电鞍山热电有限公司，辽宁 鞍山 114000；2. 哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040；3. 国电哈尔滨热电有限公司，哈尔滨 150080）

引言

随着发电机的单机容量越来越大，对发电机定子接地保护系统提出了更高的要求。由于发电机线棒与定子铁心之间绝缘易受破坏，因此发电机发生定子绕组单相接地故障比例很高，特别是大容量机组，由于定子对地电容较大，当在机端发生单相接地时故障电流很大，流过故障点的电容电流产生电弧可能烧坏定子铁心，容易引起匝间、相间短路，给机组安全运行带来极大危害，同时也对电网稳定造成不利影响。因此，单相接地故障的保护在保证电力系统安全供电中具有非常重要的作用，同时也是当前的研究热点问题。

目前，在 GB/T14285-2006“继电保护和安全自动装置技术规程“中规定：发电机变压器组：对100MW以下发电机，应装设保护区不小于 90%的定子接地保护；对100MW及以上的发电机，应装设保护区为100%的定子接地保护。保护带时限动作于信号，必要时也可动作于停机。对发电机微机保护装置而言，采用国内和国外的保护装置既有相同的部分，又有一定的差别。本文就发电机定子单相接地（100%）保护方法的原理、判定依据进行探讨，以便为选择合适的保护方式提供参考。

1 发电机单相接地故障特征

图1为中性点不接地的定子单相接地示意图。为便于分析，假设电网的负荷为零，并忽略电源和线路上的压降。

当A相绕组在距离中性点β处接地时，三相绕组对地电压分别为：

式中：、、分别为三相绕组的相电势。

此时，零序电压为：

接地电流为：

从式（2）和式（3）可知：零序电压与β成正比，当在中性点短路时，零序电压为零；当在机端发生接地时（β=1），定子零序电压和零序电流达到最大，此时B、C相对地电压将变为原来的 3倍，零序电容电流值为 3ω(Cf+Cw)EA，并且零序电流相位超前零序电压90°。这些故障信息对接地保护非常重要，下面就定子单相接地保护方法的原理和判据进行探讨。

图1 定子绕组示意图

2 基波零序电压保护

该方法是国内外配电保护装置的通用方法。在国内外的保护装置中，均具有基波零序过电压保护功能，可保护从发电机机端算起的 90%的定子绕组单相接地，该方法的保护判据为≥。

如果故障发生在中性点附近时，U0趋向于零，保护判据将不会启动。其中，基波零序电压可取自发电机中性点的单相电压互感器或机端三相电压互感器剩余绕组。保护动作根据低整定值或高整定值分别作用于信号或跳闸。

这种保护的一个突出优点是，即使在定子单相接地电流很小的情况下也可以采用，但是该保护在中性点附近存在死区，仅采用该方法不能进行100%的定子单相接地保护。

3 基于3次谐波电压的接地保护

3.1 基本原理

在正常运行工况下，中性点处3次谐波电压要比机端的3次谐波电压大；当中性点附近发生接地故障时，机端的3次谐波电压增大，而中性点处的3次谐波电压则降低。利用接地前后3次谐波电压的变化特点，可以构成基于3次谐波电压的定子单相接地保护。对于发电机中性点附近定子绕组单相接地的3次谐波电压保护，主要可分为单侧和双侧3次谐波电压保护两种方式。

3.2 单侧3次谐波电压保护

这种保护方法通常是利用发电机中性点处的单侧3次谐波电压U3N构成低电压接地保护，而在发电机机端三相电压互感器并无剩余绕组。这种保护较为简单，在国外的保护装置中仍有应用。该方法的判据为：

其中，a值小于正常运行时发电机中性点的最小3次谐波电压。

由于不同的发电机之间有不同的3次谐波分布，整定值需实测得出；并且发电机的3次谐波电势不是常数，随负荷大小和功率因数而变。这种3次谐波接地保护的保护区域大约在发电机中性点附近的5%～10%的定子绕组，且灵敏度低，只能动作于保护信号。现在国内的保护装置已摒弃上述简单的保护原理。

3.3 双侧3次谐波电压保护

这种保护方法是由中性点处和机端双侧3次谐波电压共同构成判据，即通过同时比较发电机机端和中性点侧零序3次谐波电压的大小和相位。

式中：——发电机机端三相电压互感器剩余绕组的3次谐波分量；

——发电机中性点接地变压器二次侧的 3次谐波分量；

Kp、Kt、K'、K''、K'''——调整系数或制动系数。

以上三个判据包括了3次谐波电压的比判据和差动判据。仅采用比判据时，在靠近中性点的较小保护范围内具有较高的灵敏度；而仅采用差动判据时，可以实现100%接地保护，但故障位置处于绕组中部时，由于中性点和机端的3次谐波电压的变化量很小，因此保护的灵敏度较低。将以上三个判据配合使用则具有较高的灵敏度，可动作于跳闸。

从上述分析可知，基波零序电压保护可以保护90%范围的定子绕组，并且在靠近机端时灵敏度较高；而3次谐波电压保护则在靠近中性点处具有较高的灵敏度。因此，两种方法相结合可以实现定子绕组的100%接地保护，这在国内获得了广泛应用。

4 外加交流电源的定子单相接地保护

4.1 基本原理

虽然单侧3次谐波电压保护并不完善，但通常会配置外加交流电源的方式来构成定子绕组单相接地的100%保护。此装置含外加电源保护功能所需的所有附件，如方波信号发生器、带通滤波器、专用小型电流互感器，目前国内的南瑞继保也有产品。

在发电机中性点和地之间注入低频率 20Hz的电压信号，绕组任何位置发生的接地故障都将产生可测量的注入电流，引起保护动作。这种原理其实质是对定子绕组的绝缘状况进行实时而不间断地测量。

该方法的主要优点是：

（1）保护100%绕组范围，实现0～100%定子绕组单相接地保护。

（2）保护 100%工况：应用这个原理的发电机保护与发电机的运行工况无关，即使在发电机停机时保护功能依然有效。

（3）保护灵敏度高。

这种保护方法优势明显，具有广阔的应用前景，但该方法对外加电源可靠性和性能方面的要求很高，价格昂贵且调试复杂。

4.2 对接地变压器的要求

20Hz低频交流信号依赖于接地变压器注入，因此接地变压器的参数将直接影响注入信号的质量，保护装置要求接地变压器的二次电阻大于0.5Ω。该要求可通过改变发电机中性点接地变压器的二次侧额定电压到350～500V来实现。

5 结论

针对发电机定子绕组单相接地保护问题，本文分析了定子单相接地时的主要故障特征，并针对定子单相接地保护方法进行了探讨。分析表明：采用基本零序电压保护和3次谐波电压保护相结合的方法，能够实现定子接地100%保护；配外加交流电源方式构成对定子绕组单相接地的100%保护，注入的信号由二套保护装置检测，要求接地变压器的二次电阻大于0.5Ω。

[1]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.

[2]贺家李, 宋从矩. 电力系统继电保护原理[M]. 北京: 水利电力出版社.

[3]张长彦, 原爱芳, 等. 发电机定子绕组接地保护整定原则[J]. 电力系统保护与控制. 2009(7)：65-70.