注入式定子接地保护在锦屏二级水电站的应用

2013-05-16陈熙平马金涛

水电站机电技术 2013年5期

关键词：注入式锦屏保护装置

陈熙平，张伟，马金涛，曹钢

（锦屏水力发电厂，四川西昌 615000）

注入式定子接地保护在锦屏二级水电站的应用

陈熙平，张伟，马金涛，曹钢

（锦屏水力发电厂，四川西昌 615000）

介绍了注入式定子接地保护原理，总结分析了锦屏二级水电站定子接地保护的现场具体调试方法，结合现场实际测量数据，计算得出注入式保护装置的定值，对现场调试提出注意事项。

定子接地保护；调试方法；计算

0 引言

锦屏二级水电站作为雅砻江流域水电开发有限公司开发雅砻江下游河段的龙头水电站，是国家“川电外送”能源发展战略的重要组成部分。该电站最大水头321m，额定水头288m，共安装八台混流式水轮发电机组，单机容量600MW，总装机容量4800MW。发电机采用密闭自循环空气冷却方式。由于该发电机组定子绕组对地电容较大，当发电机机端附近发生接地故障时，故障点的电容电流比较大，该电容电流在接地点产生电弧，将灼伤接地点的铁芯，影响发电机的安全运行；同时由于接地故障的存在，会引起接地弧光过电压，可能导致发电机其他位置绝缘的破坏，形成危害严重的相问或匝间短路故障[1]。鉴于此，锦屏二级发电机配置两套定子接地保护，分别是由基波零序电压型和3次谐波型构成的100%定子接地保护，外加20Hz电源的注入式定子接地保护。

本文分析总结南瑞RCS-985注入式定子接地保护的原理以及现场具体调试方法，通过模拟发电机发生定子接地故障来校验该保护装置对接地电阻测量的准确性。

1 南瑞注入式定子接地保护原理

注入式定子接地保护的灵敏度与发电机的工况无关，且可以监测发电机绝缘老化。通过将低频电流注入到发电机接地变压器二次侧，检测接地变压器二次回路中的电压、电流量来计算发电机定子接地电阻。

1.1 锦屏二级发电机定子接地保护配置

锦屏二级发电机注入式定子接地保护辅助电源装置RCS-985U安装在主变保护非电量C柜内，具体保护接线图详见图1。

图1 发电机定子接地保护系统接线图

图1中辅助电源装置RCS-985U将20Hz的低频电压通过电缆注入到接地变压器二次负载电阻Rn上，同时将接地变压器二次负载上的部分电压和二次电流引入到发电机A柜的RCS-985保护装置中，通过保护装置的计算得出定子接地电阻值。变压器二次负载上的电压也引入到发电机B柜的RCS-985保护装置中，作为基波零序电压型和3次谐波型定子接地保护的动作量。

1.2 保护原理分析

若接地变为理想变压器，忽略接地变的漏抗和励磁阻抗的影响，利用导纳法计算得出接地电阻的二次值R'g[2]为：

但是实际上接地变的短路阻抗并非为0[3]，励磁阻抗也并非为无穷大，所以保护算法中应该考虑接地变压器参数的影响。图2为根据变压器的 ? 型等效电路得出定子绕组发生单相接地故障时的等效电路图。

表1 设备参数

图2 发电机定子接地保护系统接线图

根据图1具体的测量检验方法如下：

（1）现场解开在端子6U1D1、6U1D5的外部接线，测量端子6U1D1、6U1D5之间的电压和电流，即得到RCS-985U装置的空载电压U0和短路电流IR，由此计算出RCS-985U的内阻Rin。

（2）现场恢复端子6U1D1、6U1D5的外部接线后，分别测量端子 6U1D1、6U1D5之间和 6U2D1、6U2D5之间的电压，此电压分别为RCS-985U装置要注入到负载电阻上的电压UL和负载电阻电压返送至RCS-985U装置的电压UFL，由此验证现场电缆分压以及接线的正确性。

（3）测量端子6U2D4、6U2D5之间的用于保护装置计算用电压U，验证分压比。

根据图2可计算得出的接地电阻的二次值R'g为：

由于接地电阻二次值R'g＜＜Rm+Xm，接地电阻与接地变励磁阻抗在电路中相并联，所以在计算接地电阻的二次值R'g时可以忽略接地变的励磁阻抗。

南瑞RCS-985保护装置为保证计算定子接地电阻的准确性，将（2）式中接地变短路阻抗进行补偿，同时补偿接地变的传变误差和现场接线电缆分压引起的误差。参数补偿时先模拟发电机静止状态下发电机定子发生金属性接地故障，记录该状态下的阻抗测量值，将该值整定到定子接地保护的定值中，整定后保护测量到的阻抗值应为0。

表2 锦屏二级2号机R C S-985U装置现场实测数据

通过表2数据进行计算如下：RCS-985U的内阻：

负载电阻上电压大于负载电阻返回电压，说明现场所用电缆确实存在压降。负载电阻返回电压理论计算值：

2 南瑞注入式定子接地保护现场调试

锦屏二级2号发电机及其中性点接地变压器等设备的参数如表1。

2.1 注入式定子接地保护参数测量计算

注入式定子接地保护调试时应先测量出RCS-985U装置的内阻，检验现场接线的正确性，以确保注入式定子接地装置有正确的低频电源输出。

理论计算值与现场实测值相差不大，说明现场接线正确。

装置分压比计算：

分压比k接近1/5，验证装置分压比正确。

RCS-985U进行分压后，当一次系统发生接地故障时，进入到985GW保护装置的电压为接地变压器二次侧电压的1/5，起到保护装置的作用。

2.2 CT极性的验证

模拟发电机的正常运行状态，将主变、接地变、电压互感器等设备都带上，此时由于发电机对地电容的影响，测得的电流应该是容性的。但保护装置显示的相角为电压超前电流的角度，此容性角度应该在270°附近，如果是90°附近，则掉换电流或电压的极性。

锦屏二级2号机在第一次测量该角度时只有82.4°，但现场完成二次回路接线后厂家已经将CT极性调整正确。后询问现场施工人员得知是试验班人员查线时，根据施工图纸将CT接线极性更改了。后又经厂家更改CT极性接线后，该状态下测得电压超前电流角度为261.3°，说明此时CT极性正确。同时测得该状态下的20Hz低频电流5.52mA，因为在没有故障的时低频电流有最小值，发生金属性接地短路时，电流有最大值，由该低频电流乘以可靠系数可得出“电流回路监测值”。

2.3 相角补偿角的测量

在发电机静止状态下，更改接线，将叠加低频电压到负载电阻的电缆一端将中间CT带入，记录此时相角值为168.1°。在该接线下中间CT流过的电流就是负载电阻上的电流，此时装置采得的电压与电流之间的角度应该为180°，但是由于低频电压电流经过985GW的各种元器件，将会有一定的误差，所以通过此办法进行检验、修正。故相角补偿定值为168.1°-180°=-11.9°，即348.1°。在恢复接线后，测得补偿后的相角值为269.4°。

2.4 阻抗补偿值的测量

发电机在静止状态下，投入保护装置“补偿试验状态投入”控制字，在发电机中性点接地刀闸处引出电缆与地网相接，即模拟发电机中性点金属性接地故障。其目的是测量接地变压器的短路阻抗，以用于在985GW测得的数据中将此阻抗减去，这样才能得到发电机对地实际接地阻抗。在该状态下，测得该机组测量二次电阻值和电抗值分别为3Ω、5.8Ω。将该组数据作为电阻补偿定值、电抗补偿定值输入保护装置。

退出“补偿试验状态投入”控制字，测得此时二次电阻值和电抗值分别为0、0.4Ω。同时测得该状态下20Hz低频电压0.05V。因为在短路的时候低频电压为最小值，由此电压值乘以可靠系数可得到“电压回路监视定值”。

2.5 电阻折算系数的计算

在现场调试时，为方便计算，对于水轮发电机电阻折算系数可以预先取1。发电机在静态下，模拟正常运行时发电机中性点发生金属性接地故障，读取保护装置所测到的电阻值（一次值）。接地电阻实际值（一次值）与测量值相比即得到电阻折算系数。调整电阻折算系数后，再次验证保护装置的测量精度，直到保护装置有最小测量误差。

表3 锦屏二级2号机定子接地试验数据

经现场多次试验，当电阻折算系数为14.7时，保护装置的测量相对误差之和有最小值。且由表3数据可知，在当前电阻折算系数下，当接地电阻在4kΩ左右时，保护装置测量接地电阻误差最小，测量误差随着接地电阻的增大而增大。整定计算出的注入式定子接地保护报警定值为10.2kΩ，跳闸定值为3.6kΩ。由试验数据可知，保护装置在该跳闸定值附近有最小测量误差。

3 现场调试注意事项

根据锦屏2号发电机的现场调试，总结现场调试时应注意以下事项：

（1）现场调试前应先检查回路的正确性。现场可能因为人的因素造成错接、漏接的错误还是存在的。此外还要检查接线所使用的电缆是否有屏蔽层。为最大限度减小接线电缆电阻分压引起的误差，接线用的电缆除分压电阻的电压引至RCS-985GW保护装置的导线截面积不应低于2.5mm2外，其他接线电缆都不应低于4mm2。

对于低频回路必须使用带屏蔽的电缆防止电磁干扰。电压回路应严格执行电压回路一点接地。

（2）在测量计算电阻折算系数时一定要把主变、励磁变、高厂变、发电机PT、接地变都带上，模拟发电机真实运行状态。因为发电机的接地电阻跟各设备的对地容抗是并联的关系，所以接地电容的大小直接关系到装置所能测量到的电阻值范围，所以必须把这些设备都带上，以保证测量更加精确。

（3）在做试验时不要一直把电阻接在上面，以防止电阻发热坏掉。现场试验时，可以用对讲机联系，在保护装置上看到了测量数据后立即把接地电阻拿开，需要再做时再将接地电阻接上。

（4）在升压过程中做接地试验时，应事先将接地电阻接好，现场人员都撤离故障点后，再缓慢将发电机升压。

（5）为达到保护装置有最大测量精度，在计算电阻折算系数时，应计算出不同的折算系数、测量多组试验数据。最后得出误差值最小时一组试验数据的折算系数作为保护装置定值。

折算时可以舍弃误差较大的测量值。锦屏二级2号机现场测量时，当电阻大于10kΩ时，测量误差直线上升。故在测量第三组试验数据事舍弃10kΩ以上数据，只测量10kΩ以内的电阻值，多次校正后得出最小测量误差下的电阻折算系数作为保护装置的定值。