外加电源式100%定子接地保护的研究

贺元康，杨楠，江国琪，赵鑫

（西北电网有限公司，陕西西安710048）

大型发电机组的故障约有60%是由发电机定子绕组单相接地故障引起。定子绕组对地电容大，机端附近发生接地故障时，故障点流过的电容电流会非常大，会引起弧光接地过电压，导致发电机其他部位的绝缘破坏，发展成更加严重的相间、匝间短路。因此，规程规定[1]：对于100 MW及以上的发电机，应该装设100%定子接地保护，特别是对于大型的发电机要求配置双重化定子接地保护，并且要求其中一套在机组启、停过程中仍起作用。

本文指出传统双频式100%定子接地保护存在的缺陷，提出了注入信号源与工作接地电阻串联方式的外加电源式100%定子接地保护，并用Matlab建立模型进行仿真分析，检验其科学性和合理性。

1 传统双频式100%定子接地保护的配置

目前，大型发电机均配置了由基波电压和三次谐波电压构成的双频式定子接地保护。

基波零序电压定子接地保护按躲过正常运行时发电机中性点的最大不平衡电压整定。在中性点附近有死区，死区部分配置了三次谐波电压定子接地保护。该保护利用正常运行时，中性点与绕组首端三次谐波电压之比大于1，而在距离中性点小于50%绕组处发生接地故障时该比值小于1的特点来构成故障判据的。

当发电机运行方式或工作状态发生改变时，尤其是某些发电机故障解列或经检修后发电机并网时，发电机机端和中性点的三次谐波电压比值会发生明显变化，可能使动作判据失效，引起三次谐波保护误动。并且随着定子绕组对地电容不对称度的增加，三次谐波保护灵敏度会降低，很难满足灵敏度的要求。同时，在发电机定子绕组经较大过渡电阻接地时，基波零序电压和三次谐波电压保护的灵敏度会很不理想[2]。双频式定子接地保护一般只是用来发告警信号，并不动作于跳闸。

因此，配置一套可靠的100%定子接地保护迫在眉睫，外加电源式100%定子接地保护是个很好的选择。

2 外加电源式100%定子接地保护

外加电源式定子接地保护有2种判据：

1）以外加电源输出电流的大小作为保护动作的判据。正常运行时，发电机定子绕组对地的阻抗（相对于输入电源频率并折算到配电变压器二次侧）很大，外加电源输出电流很小，绕组发生单相接地故障时，这一阻抗减小，外加电源输出电流增大。

2）以接地变压器一次侧折算过来的相对于外加电源频率的阻抗大小作为保护动作的判据。正常运行时，阻抗很大，发生单相接地故障时，阻抗减小。

本文以第2种判据作为外加电源式定子接地保护的判据，对外加电源式定子接地保护的灵敏度和保护范围进行分析。

大型发电机正常运行时对地容抗较大，流过定子回路的对地电容电流很小；当发电机发生单相接地故障时，定子回路对地零序阻抗骤减，零序电流骤增[3]。为使发电机正常运行时定子绕组对地电容上流过的电流尽量小，外加电源式定子接地保护中外加电源的频率要尽量低[4-5]。而选择频率为零的直流电源又会使一、二次回路直接相连，危及人身和二次设备安全。综合考虑后，选择频率为12.5 Hz的注入电源，并从中性点配电变压器二次侧注入[6-7]。发电机中性点经接地变压器高阻接地的原理图如图1所示。

图1（a）中，在分流电阻REs两端加入外加电源，RPs为工作接地电阻，外加电源和RPs是串联的。注入信号源采用频率为12.5 Hz、电压幅值为3.4 V的方波。图 1（a）的等值电路如图 1（b）所示，Us和 Uip分别测量注入电源电压和加在电阻RPs两端的电压；Uip为PT二次侧电压；C为发电机定子绕组的对地电容经变压器折算后在二次侧的等效值；Rf为故障接地电阻经折算后的值（发电机正常运行时Rf为无穷大）。

保护不直接测量注入电流，而是利用串联电阻RPs上的压降来间接反映接地故障。通过测量电阻RPs上的压降进而求出发电机的接地电阻，然后根据动作判据Rm

3 仿真分析

在Matlab中建模进行仿真，模型按如图1（a）所示的原理图进行搭建，发电机容量为700 MV·A，额定电压为20 kV，额定电流为20.207 kA，定子各相绕组的电阻和电感分别为Ra=Rb=Rc=0.002 1 Ω，La=Lb=Lc=0.001 537 H。每相对地电容Ca=Cb=Cc=2.03 μF，机端的每相等值电容为Ct=0.2 μF。接地变压器变比为/0.48kV，容量为240kV·A。副方接地电阻RPs=0.7 Ω，分流电阻REs=0.15 Ω。为了使电阻RPs上方波电压信号尽快达到稳态，加快电容电压的衰减速度，在电阻RPs两端加一个电压互感器PT，其变比N12/N11为100/350，注入电压是幅值为3.4 V、频率为12.5 Hz的方波信号。Uip即为加在电阻RPs两端的通过PT折算后的电压。Us为注入电压源的输入电压。整定阻抗Rdz取10 kΩ。

图1 电压源型外加电源式100%定子接地保护Fig.1 100%stator ground protection with extra voltage source

在仿真模型中设置接地短路故障发生在定子绕组C相，经1 000 Ω电阻在距离中性点2%处接地，测出电阻RPs两端的稳态电压Uip后，就可以得到此时流过电阻RPs的电流IPs：

则计算出二次侧的接地电阻为：

折算到原方的接地电阻为：

它近似等于故障点的过渡电阻值，误差为1.35%。

发电机中性点附近2%处经不同过渡电阻值发生接地故障时的仿真结果如表1所示（所有误差均为正误差）。

同理，在距发电机中性点50%处B相设置不同过渡电阻值的接地故障时的仿真结果如表2所示（所有误差均为正误差）。

在距发电机中性点98%处A相设置不同过渡电阻值的接地故障时的仿真结果如表3所示（所有误差均为正误差）。

由表1、表2、表3可以得出：

1）当保护的动作值取为10 kΩ时，在定子绕组的任何地点发生单相接地故障，外加电源式定子接地保护都能有效测得发电机相对于外加电源频率的接地阻抗，保护都能正确动作，无保护动作死区。

2）在定子绕组经不同的过渡电阻Rf发生接地故障时，Rf值愈小，计算阻抗误差愈大，但由于这时计算阻抗值较小，不会影响保护的正确动作；Rf值愈大（在一定范围内，如1～5 kΩ），计算阻抗误差愈小，保护仍能正确动作，即过渡电阻的大小不会影响保护动作的灵敏性，这是其他定子接地保护不能比拟的。

3）当过渡电阻大于某一值（如5 kΩ）后，计算阻抗可能会产生负误差，即所测电阻值比实际值小，但由于该保护是欠量保护（通常，动作电阻整定为小于1 kΩ时跳闸，小于10 kΩ时发接地告警信号，水内冷发电机整定值可适当降低），这种负误差更有利于反映定子绕组绝缘降低的程度，从而使保护灵敏度更高。

实际中，须计及发电机正常运行及接地时自身其他频率电量的影响，以及必要的滤波器引起输入波形变化等因素，实际灵敏度可能要稍低一些。

4 结论

外加电源式100%定子接地保护能够独自实现发电机定子绕组100%保护。由于采用的是外加电源的方式，在发电机停机和启动过程中都有和外加电源频率相对应的电流流通，只要外加电源电压选择得当，在停机和启动过程中能够检测出定子接地故障。本文通过科学的数字仿真，证明该保护没有保护死区，有很高的灵敏度，并且灵敏度与发电机绕组的接地故障位置无关，在接地电阻很大的时候灵敏度亦很高；同时，这种外加电源式100%定子接地保护的调试相对简单，因而有着广泛的应用前景。

表1 中性点附近接地的电阻计算值和误差Tab.1 The calculated resistance value and error of ground fault near the neutral point

表2 离中性点50%处接地的电阻计算值和误差Tab.2 The calculated resistance value and error of ground fault at the midpoint of stator

表3 机端附近接地的电阻计算值和误差Tab.3 The calculated resistance value and error of ground fault at the generator terminal

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