发电机定子接地保护研究

郭涛

摘要：发电机最常见的故障是定子绕组的单相接地，由于发电机中性点是不接地或经高阻抗接地的，定子单相接地故障并不引起大的故障电流，定子接地保护动作后发信号而不跳闸。但如果不及时处理，将发展成相间短路而严重烧毁发电机。文章对定子接地保护装置进行了分析。

关键词：发电机；定子接地保护；三次谐波；灵敏度；死区 文献标识码：A

中图分类号：TM31 文章编号：1009-2374（2015）25-0025-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.25.012

发电机定子绕组是全绝缘的，而中性点经常运行在低电压工况，因此接地故障不会在发电机附近。运行实践证明，发电机中性点附近可能由于机械的原因或水内冷发电机的定子漏水而发生单相接地故障，也可能故障初始是由位于中性点附近的定子多匝线圈中发生部分匝间短路，由于短路匝数少，横差保护不能反映，故障继续发展，最终中性点附近绕组对铁芯击穿，形成单相接地故障，如果定子接地保护因存在死区而不能反应，将继续扩展成相间或层间短路，因此不能以中性点运行电压低为理由降低定子接地保护无死区的要求。

定子接地保护应具有100%的保护区，故障点电流不应超过安全电流，并且在定子绕组任一点发生接地故障时，保护应有足够高的灵敏度。如果保护装置灵敏度很低，当发电机中性点附近某一点经一定大小的电弧电阻接地时，保护不能反应，当机端附近再发生接地故障时，中性点电位升高，形成两点接地故障，发电机将发生灾难性后果。

1 基波零序电压定子接地保护

大型发电机不应该人为增大单相接地电流，定子接地保护宜采用零序电压方案，包括基波零序电压和三次谐波零序电压。在发电机定子回路中某一点发生单相接地时，定子接地各点均有零序电压为αEx，因此作为保护动作参量的基波零序电压可以是发电机中性点单相电压互感器或消弧线圈的二次电压，也可取机端三相电压互感器的开口三角接线的电压。

扩大这种保护装置的保护动作区（降低其动作电压），应解决以下三个方面的问题：（1）努力降低正常运行时的不平衡零序电压，注意的问题是防止高压系统或厂用系统发生接地故障时误动作；（2）如果高压系统中性点直接接地，当高压系统发生单相接地时，若直接传递给发电机的零序电压超过定子接地保护的动作电压，则必须使定子接地保护的时限大于系统接地保护的时限，也可引入高压侧零序电压作为制动量，以防误动，但考虑到定子接地保护仅作用于信号，而系统接地保护是快速跳闸的，所以这个制动作用并非十分必要；（3）如果高压系统中性点不直接接地，当高压系统发生单相接地时，若通过耦合电容传递发电机的零序电压超过定子接地保护的动作电压，则必须装设以高压侧零序电压为制动量、以发电机零序电压为动作量的基波零序电压型定子接地保护，电容C与继电器动作绕组电感构成50Hz串联，目的是减少三次及其他高次谐波的电压的影响。

综上所述，基波零序电压型定子接地保护可以在发电机单相接点电流很小的情况下采用，这是它的突出优点。没有制动作用的基波零序电压型定子接点保护，如果高压侧中性点不接点，则保护区一般不会超过90%～95%。如果有制动作用，则保护区可以超过95%，但也不是100%，而且在保护区内经过渡电阻接地时灵敏度也不高（特别是故障发生在中性点附近）。

2 三次谐波电压型定子接地保护

实践表明，发电机三次谐波电势不可能完全等于零，因此不可能通过设计和工艺上的改进同时把三、五、七次等谐波都消除，实际上总是把消除五、七次谐波作为首要任务。发电机三次谐波电势不是常数，它随负荷的大小和功率因素而变，在正常运行时和发电机中性点附近接地故障时，单从机端三次谐波电压的大小，并不能区分发电机是否发生接地故障。

三次谐波电压型定子接地保护不能单纯采用机端三次谐波电压│?s│，但单纯采用中性点三次谐波电压│?n│构成低电压接地保护是可能的而且是最简单的，因为任何正常运行情况下均有│?n│≠0，而中性点附近发生接地故障时，│?n│将趋向于零，因此可以采用│?n│<а动作判据来构成三次谐波定子接地保护。其中а应小于一切正常运行是发电机中性点的最小三次谐波电压│?no。min│，其值通过实测，这种三次谐波定子接地保护区域大约在发电机中性点附近5%～10%的定子绕组内，因此它能起到消除基波接地保护死区的作用，但这种保护的动作区重迭区不大们、灵敏度低，我们需要采用具有较高灵敏度的三次谐波电压型定子接地保护。

2.1 以│?s│>│?n│为动作条件的定子接地保护

一切中性点不接地或经高阻抗接地的发电机，在正常运行时恒有│?s│/│?n│<1，此时保护装置处于制动状态。

2.1.1 这种保护的灵敏度与三次谐波电势?3的大小无关，所以也与发电机的负荷状态无关。

2.1.2 灵敏度与接地故障点的位置有关，即与角Φ的大小有关。当定子绕组中部接地时Φ=45?，此时gmin=∞，Rmdx=0，即过渡电阻为0时保护装置处于动作边界。当接地发生在机端时Φ=0?，gmin为虚数（因bs>bn），即保护不能动作。当接地发生在中性点时，Φ=90?，gmin=（b2s-b2n）1/2，此时有Rmdx的最大值，即这种保护装置在发电机中性点接地时有最高的灵敏度。

2.1.3 在一定的接地故障点（Φ为定值），（bs+bn）越大，gmin就越大，Rmdx就越小，所以发电机的对地电容越大，保护装置的灵敏度就越低。消弧线圈接地的发电机由于电容被补偿，所以灵敏度就要高些。

2.1.4 最高灵敏度（中性点发生接地故障Φ=90?）以Rmdx表示，即Rmdx=1/（b2s-b2n）1/2=1/[（bs+bn）（bs-bn）]1/2，所以最高灵敏度不仅随（bs+bn）增大而降低，而且（bs-bn）越大，灵敏度也越低，即发电机首末两端电容差别越大，灵敏度越低。由此可见，从定子接地保护的灵敏度来说，极端外接电容Cf越小越好。中性点接消弧线圈时，也使（bs-bn）增大，相应的保护灵敏度也将降低。

大型发电机有消弧线圈和中小型发电机不用消弧线圈相比，发电机的定子接地保护灵敏度相差特别大，主要原因是大型发电机外接了过电压保护用的冲击波吸收电容器，而且由消弧线圈，使bn-bs的数值比中小型机组的大得多，造成Rmdx的减小，机端电容大使发电机正常运行时│?s│远小于│?n│，比较绝对值的三次谐波电压型定子接地保护装置中，│?s│是动作量，│?n│是制动量，大型发电机定子接地保护的制动量过大就是灵敏度低的基本原因，因此以│?s│>│?n│为动作判据的定子接地保护方案不适宜用于大型机组。

2.2 以KZ│?n│<│?s│为动作条件的定子接地保护

为了在满足正常运行时不误动的前提下尽量提高灵敏度，保护装置在发电机正常运行时的制动量不应过大（当然也不能过小，否则会误动），为此不直接用│?n│作为保护装置的制动量，而以修改后的KZ│?n│为制动量。KZ的大小应以正常运行时不误动为条件，即KZ?n0>?s0，有：

KZ=KK?s0/?n0=KKbn/bs

式中：KK为可靠系数，一般可取1.3。

在引入KZ系数后，按KZ│?n│<│?s│为判据的定子接地保护，动作边界的过渡电导gmin=1/2[B±（B2+4C）1/2]

其中B=（K2Zbs+bn）sin2Φ/（sin2Φ-K2Zcos2Φ）

C=（K2Zb2s-b2n）/（sin2Φ-K2Zcos2Φ）

当接地故障发生在发电机中性点（Φ=90?）时有最高的灵敏度，相应的Rmdx最大值为Rmdx=1/gmin=1/（K2Zb2s-b2n）1/2

当接地故障发生在绕组中部（Φ=45?）时，有RΦ=45?=1/[D±（D2+2E）1/2]

式中D=（K2Zbs+bn）/0.5（1-K2Z）

E=（K2Zbs-b2n）/0.5（1-K2Z）

由上式可知：当采用KZ│?n│<│?s│判据后，在绕组中部接地时，一般情况下Rmdx≠0，所以这种保护方案的保护区有可能超过绕组的一半。

当引入KZ后的保护方案，使（bs-bn）对灵敏度的影响大大减小了，对大型机组而言，（bs-bn）较大，KZ使制动量减少，从而提高了灵敏度。对中小型机组，（bs-bn）较小，KZ使制动量增大，这就提高了正常运行的可靠性，当然灵敏度相应降低了。

很明显，在以│?n│<│?s│为判据时，定子接地保护的动作区以а=0.5为极限，在以KZ│?n│<│?s│为判据时，若（bs-bn）较小，则>1.0，这样势必进一步缩小保护动作区域。

2.3 以KZ│?n│<│?n-?s│为动作条件的定子接地保护

为了进一步提高灵敏度，应尽量降低制动量，但是这必须在保证正常运行不误动的可靠性前提下进行，也就是说要降低正常运行时的制动量，就必须寻找在正常运行时数值也很小的动作量。对于中小型机组，bs和bn的数值相近，正常运行的│?no│和│?so│也十分相近，所以若取制动量│?n-?s│，则制动量KZ│?n│中的KZ一定很小，可见，这种方案的灵敏度（对中小型机组）一定很高。

可见这一方案的灵敏度大大提高了，而且最灵敏度不在Φ=90?的发电机中性点，特别值得注意的是，三次谐波电压型定子接地保护已经不再只能保护靠近中性点的一部分绕组，而是能单独完成100%定子绕组的接地故障保护，而且还允许相当大的过渡电阻，所以这一方案对中小机组是十分理想的。如果不希望灵敏度太高，不防将KZ人为地抬高些（计算中取Kk=1.3，为降低灵敏度，Kk可取再大些）。

通常，基波零序电压型定子接地保护继电器J1是直接接在YH1的开口三角三次谐波绕组上或YH0的二次绕组上，这时为了提高这种保护的灵敏度，就必须增加三次谐波的阻抗电路。

通过以上三个方案的分析，笔者认为最后一种方案比较理想，而且被广泛应用。

定子接地保护装置在投入运行前，必须在所运行的发电机上进行实际调试，为了防止高压侧发生接地故障，造成定子接地保护装置误动作，可以增加延时或把基波整定调整到10伏以上来防止装置的误动。

定子接地保护装置采用双频分离式构成的保护，由基波零序电压保护定子绕组靠近机端侧的85%～90%，由三次谐波电压保护靠近中性点侧的20%～25%，这样三次谐波电压接地保护不仅可以帮助消灭基波零序电压定子接地保护的死区，它与基波零序电压定子接地保护结合起来完成了发电机的100%定子接地保护。

参考文献

[1] 王维俭，侯炳蕴.大型机组继电保护理论基础[M].北京：水利电力出版社，1989.

[2] 袁季修.发电机三次谐波电势分布及其等值电路[J].中国电力，1984，（9）.

（责任编辑：周 琼）