一起20Hz注入式定子接地保护误动作分析

赵林1 朱明2 浦璐妮3

金安桥水电站有限公司 云南丽江 674100

摘要：注入20Hz外加电源式定子接地保护是发电机定子接地故障的主保护，以具有高灵敏的优越性在大型发电机组广泛应用，但由于需要配置外加注入电源装置，使其二次接线较为复杂，二次回路维护不当造成保护误动的概率也随之增大。本文对一起20HZ电源注入式定子接地保护的误动作进行分析，探讨防止保护误动的应对措施。

关键词：定子接地保护；20 Hz电源；注入式；保护误动；配电变压器

引言

注入20Hz外加电源式定子接地保护注入的电压、电流信号相对较小，特别是当中性点接地变压器电压变比较大、负载电阻很小时，注入电源近似被短路，这对信号检测提出很高的要求，二次回路相对复杂，信号回路容易受到干扰，从运行经验来说：电压、电流回路二次线采用屏蔽线，另外，在现场中性点接地柜内的电压、电流回路二次线和接地变压器出现铜排绑扎在一起这也是不合适的、二次线应单独走线。

1、事故简介

2014年03月04日09时30分18秒976毫秒20Hz注入式定子接地保护高定值动作，而后20Hz注入式定子接地保护高定值又动作2次，30分56秒475毫秒20Hz注入式定子接地保护低定值动作，而后20Hz注入式定子接地保护低定值又动作2次，最后一次20Hz注入式定子接地保护低定值动作将机组跳开，经检查，保护动作属于误动作。

2、事故录波分析

图2 保护装置低定值动作录波图 图3 保护装置低定值动作录波离线分析

图2中 20Hz电流、电压通道中含有较大的三次谐波，不能直观看出20Hz电流、电压的大小及相位，用MATLAB仿真软件离线分析动作情况如图3所示。其中装置参数如下：

20Hz电流互感器变比为40.0，电压分压比为2.0，接地变压器变比为16.36，接地变压器漏阻抗为zk=0.00+0.114*j；接地变压器激磁阻抗为zm=13.95+48.64*j；发电机对地容抗为zc=0.054-3.0*j。

根据图3中，20Hz电流大小为0.6A，电压大小为1V，电流超前电压角度为100°左右，阻抗值为2kΩ左右。这与保护动作报告相符。

通过过滤三次谐波后，进行的波形分析与上述结果一致，排出三次谐波干扰影响。

机组正常运行时，20Hz电压为0.91V，电流为0.015A，保护动作报告中，电压基本在0.5V，电流在0.015A，相对于正常运行，本次动作主要体现在电压降低及电压与电流的夹角发生变化。发电机经过渡电阻接地或绝缘下降时的主要变化特征是当电阻比较大时，主要是电压下降，电流基本不变；当电阻比较小时，主要是电压下降，电流增大。这个规律可以从静态试验数据看出。电流超前电压角度为100°左右，这与静态物理模型不一致。一次设备正常时，出现这种现象可能是测量回路异常造成的。

3、故障原因

根据保护动作情况，在停机后一段时间装置计算结果与保护跳闸时仍保持一致，进一步分析发现中性点20Hz电压波形存在比较明显的畸变及角度滞后现象，正是这个角度滞后导致保护计算错误。基于以上分析可以得出20Hz注入式定子接地保护动作的主要原因可以定位为20Hz电压通道出现畸变角度滞后异常及幅值变小一半所致，直接原因很可能为电压测量回路虚接，虚接点存在一定的接触电阻和电容，下面进行模拟实验进行验证。

4、故障模拟试验

1）模拟接线及仿真

图4中，在分压电阻VD上端增加电阻R，在分压电阻VD下端增加电容Xc。模拟20Hz电压减少一半及角度滞后110°，根据上述要求，经计算R=880Ω，，Xc=50μF。采用Matlab仿真模型进行计算，仿真波形及数据如下图5所示。

图4 模拟接线图 图5 Matlab波形数据

图5中，20Hz电流大小为0.0148A，U0电压大小为1.84V（Rn两端），20Hz电压大小为0.85V，20Hz电压滞后20Hz电流108°。通过仿真计算，在20Hz电压测量回路中串接R=880Ω，，Xc=50μF时的情况正好满足20Hz电压减少一半及角度滞后110°的要求。

2）带发电机静态模拟试验

按照上述参数，在发电机静态模拟试验。a）按照图4的接线图在图接入R=880Ω，Xc=44.6μF，在发电机静止状态模拟虚接现象。保护的实时参数及录波图如下图6所示。中性点20Hz电压：0.447∠290V 中性点20Hz电流：0.015∠39 A定子接地电阻：1.249 kΩ

图6模拟虚接装置录波图（R=880Ω） 图7中性点电流与电压离線接地电阻

根据录波数据，采用中性点20Hz电流与中性点20Hz电压通道离线计算接地电阻如下。

图7中性点电流与电压离线接地电阻

通过离线计算20Hz电流大小为0.015A、电压大小为0.447V；20Hz电流超前20Hz电压的角度为110°；接地电阻Rg为1.2kΩ；模拟情况下，20Hz电压有点偏低。下面试验将电阻R改为700Ω。

b）按照图4的接线图在图接入R=700Ω，Xc=44.6μF，在发电机静止状态模拟虚接现象。

中性点20Hz电压：0.506∠199V中性点20Hz电流：0.015∠307A定子接地电阻：1.469 kΩ

图8 模拟虚接装置录波图（R=700Ω）

图9 中性点20Hz电流与中性点20Hz电压通道离线电阻

从图8中可以看出中性点20Hz电压通道滞后发电机中性点U0通道3.3ms，这与前面的要求一致。根据录波数据，采用中性点20Hz电流与中性点20Hz电压通道离线计算接地电阻如下。

图9 中性点20Hz电流与中性点20Hz电压通道离线电阻

通过离线计算20Hz电流大小为0.015A、电压大小为0.504V；20Hz电流超前20Hz电压的角度为109°；接地电阻Rg为1.45kΩ；模拟数据与前面分析保护动作情况一致类似。

从上面离线分析计算可以看出，模拟虚接的情况下20Hz电压减小一半且相角滞后22.4°，接地电阻计算值Rg为1.45kΩ. 这与本次20Hz定子接地保护情况基本一致。

根据上面的分析，按照图4的接线图在图中接入R=700Ω，Xc=44.6μF，在发电机静止状态模拟虚接现象与本次20Hz注入式定子接地保护动作情况基本一致。

5、故障结论

综上所述，20Hz注入式定子接地保护不正确动作的原因是20Hz电压通道出现畸变、角度滞后23.76°（3.3ms）及幅值变小一半所致。电压端子虚接情况的仿真分析及发电机静态试验情况正好与保护动作情况一致，说明本次故障是电压端子接触不良引起的。

6、结束语

注入20Hz外加电源式定子接地保护注入的电压、电流信号相对较小，特别是当中性点接地变压器电压变比较大、负载电阻很小时，注入电源近似被短路，这对测量回路提出很高的要求：该测量回路宜采用防振动、防接线松动的端子；保护定检时将端子接线检查纳入必须检查项目；因接线端子虚接导致测量电阻下降和真实的发电机定子接地故障导致测量电阻下降，这两种情况下的故障量的特征不一致，再保证可靠的情况下，保护装置可增设保护闭锁功能，以区分真实故障和测量回路接线端子虚接。

参考文献：

[1]王维俭.电气主设备机电保护原理与应用.中国电力出版社，2001

[2]姚晴林，赵斌，郭宝甫，陈海龙，张鹏远，唐云龙. 自适应20 Hz电源注入式定子接地保护.电力系统自动化，2008 No.18