20Hz电压注入式定子接地保护在田集电厂的应用研究

摘 要：本文对西门子7UM622微机型发电机保护20 Hz电压注入式接地保护装置的运行状况进行研究，同时，分析了西门子7UM622微机型发电机保护20 Hz电压注入式接地保护的工作原理；研究了新型保护装置工作原理更合理，技术性能更优越，并且与传统的发电机90%定子接地保护和100%定子接地保护（三次谐波）区别。

关键词：定子接地 保护装置 20Hz信号发生器

中图分类号：TM62 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）02（a）-0146-03

1 装置运行情况介绍

田集发电厂于2007年投产，装机容量2×600 MW，发电机经离相封闭母线送至三相双卷、容量为720 MVA的升压变压器，由20 kV变到500 kV后，通过500 kV系统送往电网，我厂的500 kV系统采用3/2（或一个半断路器）接线方式，发电机定子绕组中性点通过一接地变压器接地，发变组保护装置采用西门子生产的数字型继电保护装置，其中发电机保护采用7UM622。自投产以来，对定子接地20 HZ电压注入式保护的检验和实际模拟故障均能正确发信和动作。

正常情况下，主变绕组、发电机出口母线、发电机定子绕组对地绝缘。当发生定子绕组单相接地时，故障点电弧将使定子绕组绝缘受损，严重情况下发展为相间或匝间短路，同时铁心被电弧严重烧伤。为了避免这一现象的发生，我们配置了7UM62型100%定子接地保护来快速切除包括发电机定子绕组包括中性点在内的单相接地故障。

2 三种定子接地保护原理的介绍

2.1 发电机90%定子接地保护

定子接地故障保护功能用于探测三相发电机定子绕组回路中发生的接地故障。在实际工程中，同步电机可能在公共母线下运行（直接连接到系统）或者以单元组接线（通过发电机，变压器单元组中的变压器连接到系统）运行。用于探测定子绕组接地故障的判据主要是看是否出现开口电压，或者对于同步电机直接连接到公共母线的接线，采用零序电流过量判据。这种原理的定子绕组接地故障保护可以探测发电机定子绕组90%～95%范围的接地故障。

开口电压的测量有多种方法，可以通过连接在发电机中性点的电压互感器或中性点接地变压器得到，也可以通过连接在机端的电压互感器e-n绕组（开口三角绕组）或者机端接地变压器得到。由于中性点接地变压器或者机端接地变压器二次侧额定电压通常为500 V（在发生机端直接接地时），因此在其二次绕组和保护装置之间需要串接一个500 V/100 V的电阻式分压器。

如果不能通过直接测量的方法将开口电压引入保护装置，那么保护装置也可以通过接入的单相对地电压测量值计算出开口电压。

在产生的开口电压中，包含了大量的三次谐波电压。这是因为三次谐波电压存在于三相系统中，并且在每相中具有相同的三次谐波电压矢量。为了获得可靠的测量，保护装置只会评估发生定子接地故障时开口电压中的基波分量。其它的谐波分量都将通过算法中的数字滤波器过滤掉。

在同步电机的单元组接线中，评估接地故障时的开口电压就己经足够了。保护装置能够达到的灵敏度高低仅仅受限制于系统中发生接地故障时感应过来的电压干扰信号。这些系统中的电压干扰信号会通过单元变压器高低压绕组之间的耦合电容传递到发电机侧。在必要的时候，可以考虑通过加装负载电阻来降低这些千扰电压。如果发电机定子绕组在某个整定的时间范围内存在接地故障，那么保护装置就会发出跳闸命令断开发电机与系统的连接。

保护发电机定子及其引线的单相接地。本保护为基波零序过电压保护，由机端三相电压求和计算得到3U0，并经过数字滤波后的基波分量形成保护判据。

本保护由于采用三相电压计算零序电压，故经电压回路断线信号闭锁。

2.2 100%定子接地保护（三次谐波）

基于开口电压基波分量的测量方法只能提供90%～95%定子绕组范围的接地故障保护。为了提供100%定子绕组范围的接地故障保护，必须要用到其他频率的电压信号。在保护装置7UM62中，评估三次谐波电压信号就是用于这个目的。

在发电机的定子绕组中，或多或少的会出现较为明显的三次谐波电压，这个三次谐波电压是由发电机磁极的外形产生的。当发电机的定子绕组发生了接地故障时，回路中衍生电容的分布就发生了变化，这是因为发生接地故障时某个对地电容被短接了。在定子绕组接地的过程中，发电机中性点测量到的三次谐波电压将降低，而发电机机端测量到的三次谐波电压将升高（见图1）。三次谐波电压在空间形成零序系统，因此可以通过星形一三角形接线的电压互感器侧量出来，或者由测量到的单相对地电压计算得到零序信号系统。

其中：电导标幺值为；电纳标幺值为

此外，三次谐波电压的含量与发电机的运行工况密切相关，也就是说，三次谐波电压的幅值是发电机有功出力P和无功出力Q的函数。正是基于这个原因，为了提高保护的可靠性，这个原理的定子接地故障保护有着严格的应用范围。

对于多台发电机直接连接到公共母线的接线方式，系统中所有的发电机都将贡献三次谐波电压，因此用三次谐波电压判据无法区分是哪台发电机发生了接地故障。

保护功能使用机端零序电压系统中的三次谐波电压。在定子绕组发生接地故障时，将会引起机端三次谐波电压升高，因此保护功能采用三次谐波过电压判据。

在确认保护动作可靠后，“Trip”出口定义于全停一。保护压板投入的逻辑应不影响信号（接点输出、和通信输出）的发出。

三次谐波的100%定子接地保护为过电压型。由机端三相电压求和计算得到3U0，并经过数字滤波后得到的三次谐波分量形成保护判据基础，具有以下功能。

（1）7UM62的保护定值U03.HARM>（Add.5203）为躲过发电机100%负载条件下的最大三次谐波电压。

（2）为了保护灵敏度，装置提供起动修正定值U03.H.（Add.5207），以使保护特性可以随着发电机有功出力的变化而线性变化。

（3）7UM6的三次谐波式保护确定了“运行范围”，即通过定义发电机的最小有功出力来限制其应用范围。因为三次谐波的变化只有在发电机在最小有功出力以上，其变化率才呈现出线性特点。

2.3 100%定子接地保护（20 Hz电压注入式）

100%定子接地故障保护探测通过发电机一变压器组单元接线连接到电网的发电机所发生的定子回路接地故障。本保护功能采用外部注入20 Hz低颇交流电源的方法，与发生接地故障时产生的工频零序电压无关，可以探测包括发电机中性点在内的定子绕组的全部接地故障。它所采用的测量原理完全不受发电机运行工况的影响，即使在发电机处于停机状态的情况下，测量过程依然在进行。我们甚至可以采用两种不同的测量原理—测量工频零序电压的原理和评估注入的20 Hz电气回路的原理—从而可提供两种互为补充并且可靠的定子接地保护理念。

如果没有能够探测到发生在发电机中性点或者靠近中性点的接地故障，那么发电机就运行在“接地”状态。如果接着发生另一次故障（如再次发生接地故障）将会形成单相短路，而由于发电机零序阻抗很小，这将导致产生极大的故障电流。

基于这个原因，100%定子接地故障保护就成为了大型机组配置的一个基本保护功能。

20 Hz注入式的定子接地保护是真正的100%保护，它的测量过程与发电机运行过程无关，范围包括了整个20 kV连接的各个设备。是目前最好的定子接地保护方案（图2）。

3 100%定子接地保护（20 Hz电压注入式）的原理先进性

3.1 通过以上的分析说明，可以看出20 Hz电压注入式定子接地保护的独到之处在于

（1）测量原理独立于发电机运行条件。

（2）发电机停运期间保护仍然有效。

（3）高灵敏性（消除了电容电流的影响）。

（4）相对于位移测量方法的不同和独立的测量原则，如图3所示。

3.2 其基本思路如图4示

（1）在中性点注入电压，一旦在接地故障时也能产生有效的电动势。

（2）同样，在接地点接地故障时，有故障电流流过故障阻抗。

（3）需要下列附加设备：20 Hz发生器、20 Hz带通滤波器、电流CT。

3.3 20 Hz电压注入式定子接地保护的数值计算

4 100%定子接地保护（20 Hz电压注入式）装置实际调试步骤与注意事项

4.1 调试角度

首先将定值中5309，5310项定值设定为0。然后保证在发电机正常状态下，合上20 Hz装置空开。此时可以读到USEF，ISEF，其中USEF值大约在1.2 V左右，ISEF值大约在12 mA左右。此时的角度如果显示为正角度，则可能是CT的极性接反了，CT极性正确后，该角度应该在-90°左右，且稳定。比如显示：93°，则需要通过调整5309项输入-3°，给以补偿，使其测量到90°，改值确定后，做后面的测试时，不在需要修改。角度修正正确后，此时显示的电阻RSEF=9999，RSEFP=99999，也就是都是无穷大。

4.2 调试直接定子直接接地状态

在第一步调试完毕的基础上，将定子，直接接地。此时测量的电阻理论上应该为0，即RSEF=0RSEFP=0.但是，因为电缆也有电阻等实际情况，该两个不为0，此时，将读取的RSEF值写入定值5310项。更改5310后，在读取RSEF和RSEFP就都为0了。

4.3 调试跳闸段2 k电阻

在定子和地之间串入2 k的电阻。观察测量的电阻RSEF和RSEFP，参照我们2#机做试验的读取数，知道，一定会和2 k的电阻有误差。此时，需要重新调整5310的选项，增大，或者减小。尝试几次后，使测量的读到的RSEFP（一次串入的电阻）接近或者等于2 k。然后将读到的RSEF（二次电阻）写入5303地址，作为跳闸段的定值。

4.4 在2 k的测试完毕后，在定子和地之间串接电阻10 k做为报警段

此时测量的值可能和10 k差别很大，不用管它。将这是读到的RSEF（二次电阻值）写入5302作为报警段的定值。

4.5 在以上参数确定完毕后，可以做电阻小于2 k可靠动作，大于2 k不动作

小于10 k报警，大于10 k不报警，以及电阻测量的线性度的测量等。

4.6 注意事项

在外面有人员操作的时候，记得切断20 Hz发生器装置电源，以保证外面工作人员的人身安全。

5 总结与建议

对外加20 Hz电压注入式的100%定子接地保护而言，电源频率和电源的可靠性对保护的正常运行有很大影响，定检中应列为重点检查项目，最好每年进行一次电源校验，若频率漂移或电压不足应及时处理，以保证了保护的正确动作率。日常定检中要注意定子接地RSEF的实时采样值是否正常，以判断20 Hz电压注入式定子接地保护装置运行是否正常。

以上只是个人在工作中的一些心得体会，与各位同行交流一下，不当之处敬请指正。

参考文献

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