浅谈20Hz注入式100%定子接地保护在瀑布沟水电站机组上的应用

蒋立伟 贺增良

（国电大渡河瀑布沟水力发电总厂 四川 雅安 625304）

大型发电机特别是水内冷发电机，由于机械损伤或发生漏水等原因，导致中性点附近的定子绕组发生接地故障是完全可能的。如果这种故障不能及时发现并处理，将造成匝间短路、相间短路或两点接地短路，甚至造成发电机严重损坏。因此，对这种发电机和大容量的发电机必须装设定子100%接地保护。发电机定子接地保护通常采用基波零序电压与三次谐波电压判据组合实现定子绕组100%保护，但基波零序电压保护在中性点附近存在死区，三次谐波电压判据在高阻情况下灵敏度不高[1]。注入式定子接地保护的特点：①在发电机停运、启停、运行的全过程中，都可以提供灵敏的定子接地保护，可检测定子绝缘的缓慢老化；②保护范围不仅包括整个定子绕组，还包括发电机中性点、保护的灵敏度一致，不受接地位置影响，可以准确测量接地电阻的大小。随着发电机对定子接地保护要求的不断提高，从发电机中性点经接地变压器注入20Hz电压检测整个发电机及相关电气接连设备的绝缘，不受发电机特性、运行工况、故障位置的影响，在起停机过程中也能起到一定保护作用的20Hz注入式100%定子接地保护方案得到广泛地应用。

图1 通常外加20Hz注入式100%定子接地保护原理图

图2 20Hz注入式接地保护原理图

图3 20Hz注入式接地保护等效电路

1 瀑布沟机组20Hz注入式定子接地保护介绍

通常成熟的外加20Hz注入式100%定子接地保护方案，保护原理图如图1所示。

定子中性点为接地变压器接地方式。20Hz电源经带通滤波器加于接地变压器的二次侧，通过变压器传到定子回路。正常运行时，经发电机三相对地电容流回中性点有小量的20Hz零序电流，此电流反映到中间电流互感器的一次，最后经低通滤波器滤波和整流器整流后成为比较元件的不平衡动作电流Imeas，为了补偿这个电流，20Hz电源又经电阻Ra整流并得到一个反方向的补偿电流Icomp，调整Ra使发电机正常运行时比较元件中的电流等于或近于零，保护不动作。但发电机发生单相接地故障时，定子回路零序阻抗大大减小，20Hz的零序电流骤增，使动作电流增大，此时右侧的反向补偿电流却不变，使保护动作。

瀑布沟水电站6台600MW水轮发电机组20Hz注入式100%定子接地保护采用上海AREVA（阿海珐）电力自动化有限公司的P345型微机发电机保护装置，注入电源为Siemens公司的7XT33型、滤波器为7XT34型，注入频率为20Hz，原理图如图2所示。

信号发生器7XT33输出20Hz方波信号，注入电压的幅值为25V，通过带通滤波器7XT34对该信号进行平滑处理形成20Hz正弦波信号，20Hz电压在发电机接地变负载电阻RL上产生压降，负载电阻RL上的压降通过接地变副边耦合至一次侧；P345保护装置采集20Hz注入电压和电流，其中20Hz电流通过变比为400/5的电流互感器引入，20Hz电压通过五分之二分压器引入，保护装置根据故障模型来确定故障电阻阻值Rg，动作于发信或跳闸。1.1 20Hz注入式接地保护原理[2]

表1 机组的相位补偿角的调整数据

图4 接地电阻计算模型

图5 20Hz注入式接地保护动作逻辑框图

20Hz注入式接地保护等效电路如图3所示。R'1，X'1是接地变压器一次侧绕组漏阻抗；R2、X2是接地变压器二次侧绕组漏阻抗；R'm，X'm是接地变压器激磁阻抗；各参数均为20Hz下折算到二次侧的值。二次侧计算的定子对地导纳为，折算到一次侧的接地过渡电阻值为，ku为电压分压器变比 2/5，k1为电流互感器变比400/5，nv为接地变压器变比，接地变压器的参数可以通过测量或者计算得到。

2 调试过程应注意的事项

上面分析了20Hz注入式接地保护的原理，从中可知接地变压器的激磁阻抗、漏抗以及电流互感器对接地电阻的计算结果会产生影响，进而会影响保护装置的灵敏度。瀑布沟发电机保护P345注入式接地保护对接地过度电阻有精确的计算模型如图4，同时可根据现场实际，通过保护装置依次对电流相位进行补偿、对串联、并联电阻进行设置，使接地电阻测量结果更加精确，保护更加灵敏。

（1）磁性变化都要落后于电流瞬时值变化，因此电流互感器测量电流会产生相位误差。相位补偿是为了消除电流互感器测量电流产生的相位误差，使相位更加精确。由于发电机对地的电容比较大，拆除发电机的并联接地点（如机组出口电压互感器），机组在静止时，测量到的电流是电容电流，此时采集到的电流应该超前于电压90°。如果电流超前于电压角度小于90°，应增加相位补偿角度，直至相位差接近90°。下面是一次机组的相位补偿角的调整数据，如表1。

（2）对串并联电阻进行设置。设置串联电阻Rs通常被称作接地变压器的泄漏电阻，相位补偿完成后，同时串联电阻Rs的默认值为零，用短接线将发电机中性点接地，此时保护装置接地电阻读数即为串联电阻Rs需要设置的值，设置后此时保护装置接地电阻的读数为零。以上设置完成后，拆除发电机中性点接地的短接线，接上发电机的并联接地点（如机组出口电压互感器），此时保护装置的读数即为并联电阻RP的设置值。

3 实际运行过程中应注意的事项

（1）当发电机退出运行时，20Hz注入电压并没有被停运，在发电机端会有危险的电压，应防止工作人员触电。

（2）当保护装置电阻低定值报警时，表明设备绝缘下降，需要检查发电机定子、机组出口电压互感器、机组接地变的绝缘；如果设备绝缘没问题，需对发电机递升加压；如果加压正常，则对保护装置进行检查处理。

（3）20Hz信号发生器正常输出25V，当保护装置电压、电流采样均小于报警值时，检查回路有无断线、短路；如果回路正常且注入源未运行，保护装置采集的电压几乎为零，则初步判断为注入源故障。

4 一起保护误动作分析及防范措施

瀑布沟4号水轮发电机组在运行过程中定子注入式接地保护动作，安排人员检查发电机定子、机组电压互感器、接地变压器绝缘均正常，在对注入式定子接地保护注入二次回路检查时发现，滤波器7XT34本体端子接触不良，注入20Hz电压波动，导致保护装置误动。

为防范类似事件的发生，对注入式定子接地保护动作逻辑进行优化，增加了电压、电流闭锁保护装置出口逻辑如图5，有效的避免了保护装置误动或拒动问题。当接地故障电阻计算值低于电阻的高整定值且电压、电流满足要求时，保护发告警信号，当接地故障电阻计算值低于电阻的低整定值或者故障电流大于电流跳闸定值且电压、电流满足要求时，保护动作于跳闸。同时20Hz电流、电压小于监视电流、电压定值时，保护装置发出报警，反映了电压互感器或电流互感器回路出现短路、断路，包括注入电源装置输出异常、滤波器故障等情况，提早进行处理。

5 结语

瀑布沟水电站发电机20Hz注入式100%定子接地保护运行状况良好，不受发电机特性、运行工况、故障位置的影响，在起停机过程中也能起到一定的保护作用。同时可通过P345保护装置设置相位补偿以及串并联电阻，使测量结果更加精确，保护动作更加灵敏。对20Hz注入式100%定子接地保护而言，外加注入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，以确保发电机20Hz注入式100%定子接地保护装置的正确动作率。陕西水利

[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,1998.

[2]毕大强,王祥珩,余高旺,等．高准确度外加20 Hz电源定子单相接地保护的研制 [J]．电力系统自动化,2004,28(16)：75-78.