核电机组注入式定子接地保护若干问题探讨

陈佳胜，张琦雪，郭自刚，王 光，陈 俊

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102）

0 引言

根据中电联发布的《2014年上半年全国电力供需形势分析预测报告》，截至2014年6月底，我国核电机组装机容量1.778×104MW、装机容量不超过全国总装机容量的2%，与世界上核电发达国家的装机容量平均水平17%相差甚远；近年来随着环境恶化，雾霾频发，核能发电作为一种成熟可靠的清洁能源，也迎来了加速发展的契机。

当前1000 MW级特大型机组已成为核电站的主流机型，其具有单机容量大、造价昂贵、定转子额定电压高、轴向长度与直径之比增大、电机设计参数裕度小等特点，要求继电保护更灵敏快速地切除故障，以保障核电机组的安全稳定运行。

注入式定子接地保护可在未加励磁或静止状态下提供对发电机定子绕组的绝缘监测；定子绕组任意位置接地时具有一致的高灵敏度，保护范围为100%定子绕组；注入信号频率为低频，与工频及3次谐波频率有明显差异，不受发电机本体电气频率的影响［1-3］；因此，注入式原理的定子接地保护在大型核电机组上得到了广泛应用。

近年来在特大型核电机组上也出现了一些特殊情况，需要对注入式定子接地保护进行适应性研究。如核电机组主变低压侧一般经过接地变接地，在发电机并网前后，系统分别具备单个和2个接地点，导致常规注入式定子接地保护测量电阻值发生变化；核电机组并网前后，如果发电机一次系统3次谐波零序电压变化较大，会导致注入式定子接地保护电阻测量出现较大偏差，严重时甚至会接近报警值。

为此，本文对核电机组应用注入式定子接地保护的若干问题进行探讨。

1 单双接地点切换的计算模型

对于1000 MW核电机组，如浙江方家山、福建福清核电站，其一次系统具有2个接地点：发电机中性点经接地变接地；考虑到核电站存在长期倒送电运行工况，为限制此运行方式下接地重燃弧过电压，主变低压侧多经配电变接地，副边并联有电阻。在发电机并网运行时，有2个接地点；当发电机机端断路器（GCB）断开，发电机独立运行时，只有1个接地点，具体如图1所示。

图1 核电机组发变组单元主接线图Fig.1 Main wiring diagram of generator-transformer unit for nuclear power generator

常规注入式定子接地保护按照机组只有1个接地点的情况进行补偿和计算，在单、双接地点切换过程中，计算的接地电阻差异很大，可能导致保护误报警。为此，本文提出建立新的注入式定子接地保护等效计算模型，该模型能够适应工况变化，进行多参数补偿，自动切换其电阻计算模型，确保各种工况下均获得较高的计算精度。

注入式定子接地保护等效电路图如图2所示。图中，Rn1为发电机中性点接地变副边并联电阻，Rn2为主变低压侧接地电阻；RE为定子绕组对地电阻值；UG0为注入的20 Hz低频电压信号；IG0为注入的低频电流信号；N为发电机中性点接地变的变比。在GCB断开的情况下，注入式定子接地保护计算出的电阻只包含RE；在GCB闭合的情况下，计算出的电阻包含RE和Rn22个部分。因此注入式定子接地保护计算模型在单、双接地点切换前后是不同的，需要根据不同工况下不同的零序回路进行切换。

图2 单双接地系统注入式定子接地保护等效电路图Fig.2 Equivalent circuit of injection-type stator grounding protection for system with single-dual point grounding

当GCB断开时，电阻计算公式如式（1）所示。

当GCB闭合时，电阻计算公式如式（2）所示。

其中，R′E为根据GCB闭合时测量得到的20 Hz电压、电流计算出的电阻测量值。

新计算模型根据GCB的通断状态，结合电流判据，可自动适应大型核电机组单、双接地系统的切换。

某1000 MW级核电机组，主变低压侧接地位置在厂变高压侧（单相配电变接地），并联电阻为1.44 Ω，折算到原边，则有：

根据上式分析不进行单、双接地点切换时接地电阻测量值的差异，结果如表1所示。

表1 接地电阻测量值Table 1 Measured grounding resistances kΩ

由表1可见，Rn2的存在导致并网运行状态下，接地电阻测量值出现明显偏差；在RE=1 kΩ时负偏差为-0.566 kΩ，且偏差程度随着RE的增大逐渐增大，RE=20 kΩ时负偏差达到-19.26 kΩ，严重影响了注入式定子接地保护的正常运行。

因此，采用单、双接地点切换的计算模型，提高了注入式定子接地保护电阻测量的精度。

2 分段相角补偿方法

2.1 注入低频信号相角变化机理

如图2所示，保护装置检测的UG0和IG0含有多种频率分量，静止时刻只含有20 Hz信号；发电机正常运行时，除了注入20 Hz信号外，还有发电机本体产生的50 Hz及150 Hz信号。某1000 MW级核电机组在并网前后，注入低频信号相角发生明显的偏移，并网前相角为270°，并网后相角突变到280°，导致正常情况下的电阻值大幅下降，缩小了接地电阻的测量范围，影响保护正常运行。

根据注入式定子接地电阻计算公式，假定20 Hz电压、电流信号的幅值不变，仅相角发生变化，电阻折算系数为5，则接地电阻测量值的变化情况见表2。

表2 不同相角下的接地电阻测量值Table 2 Measured grounding resistances for different phase angles

由表2可见，当相角在270°附近变化时，较小的角度偏移也会导致接地电阻测量值的大幅度变化，如从269°变化到260°时，接地电阻测量值相差接近10倍，可能接近电阻报警定值，导致不正确报警。

发电机机端发生金属性单相接地故障时，流过接地变副边电阻上的工频电流有几百安培，因此其中间电流互感器的变比一般选得较大；而注入20 Hz电源功率有限，一般不超过100 V·A，短路时输出的20Hz电流在3A左右。对于中间电流互感器而言，20Hz信号太小，仅相当于其额定值的0.5%，落在其传变特性的起始段，传变误差呈现出非线性的特点。中间电流互感器工作点的位置不同，20Hz信号相角误差也不同。

前文所述的1000 MW核电机组在GCB断开和闭合时，发电机机端电容参数发生明显变化（由0.44 μF变化到0.70 μF），导致机端和中性点3次谐波电压的分配发生变化，进而引起接地变副边3次谐波电流的变化，中间电流互感器的工作点发生变动，其20Hz电压、电流间的相角偏移了10°。

为验证3次谐波电流对中间电流互感器传变特性的影响，笔者采用若干只中间电流互感器进行试验得出如下结论：①中间电流互感器传变20 Hz小信号时处于其非线性区，当流过3次谐波电流，导致其工作点变动后，相角和幅值误差均发生变化，其中相角误差明显；②中间电流互感器的小信号传变特性和物理安装位置关系不大。

因此，发电机在不同工况下，因为流过不同的3次谐波电流，使得20Hz信号相角误差不再是一个固定值。传统计算模型中默认其相角误差固定，通过唯一的相角补偿定值进行修正，在上述情况下其对地绝缘电阻计算误差大，影响保护的正确运行。

2.2 分段相角补偿方法

根据前文分析和中间电流互感器特性试验的结果，可知中间电流互感器在不同工作点，对于固定幅值和相角的低频信号的传变误差为非线性，为提高精度，可采用数学方法进行拟合［4］。

在发电机启动前，通过静态试验的方法获取中间电流互感器的相角传变误差值，该数据在坐标轴上为一系列的离散点，如图3中*点所示。

图3 中间电流互感器相角传变误差及线性插值Fig.3 Phase deviation of intermediate CT and linear interpolation

常规处理方法：用一系列直线将离散的*点连接起来，如图3中的实线所示。当离散数据点足够密集时，该方法得到的结果会逼近真实结果。但是工程上无法提供足够数据，保护实现上也较困难。

在原始数据有限的情况下，为提高精度，可以考虑采用拉格朗日插值法。

分段拉格朗日插值的结果如图3中的虚线所示，分成2段进行拟合。拟合曲线在全局范围内与离散数据点较吻合，且运算量小，便于程序实现。分的段数越多，则拟合结果越接近真实值，相应的计算量也会增大。

3 其他问题及工程应用

3.1 注入电源回路异常监视

工程实际中，注入电源回路可能发生异常，如电流回路断线、电压回路短路等，根据式（1）和式（2）可知，如果程序不进行特别处理，则计算出的对地绝缘电阻可能错误，从而导致保护不正确动作。

现有注入式定子接地保护均具有电源回路异常报警功能，并瞬时闭锁接地电阻判据，电源回路恢复正常后该报警延时返回并重新开放接地电阻判据。常见注入回路异常判别逻辑有2种①南京南瑞继保电气有限公司.RCS-985发电机注入式定子转子接地保护技术和使用说明书.2007.，②西门子电气有限公司.多功能发电机／电动机／变压器保护7UM62.2002.。

a.注入低频电流和注入低频电压同时低于门槛，报注入回路异常，如式（3）所示。

其中，UG0和IG0分别为UG0和IG0的幅值；UG0set和IG0set分别为注入低频电压、电流门槛值。

b.注入低频电流或注入低频电压低于门槛，报注入回路异常，如式（4）所示。

采用式（3）所示判别逻辑时，因电源回路异常判别过于严格，在注入低频回路电流断线或电压短路情况下，容易出现误动作，近年来的现场动作案例也多次验证了这一点。

采用式（4）所示判别逻辑时，因为考虑到了注入低频回路电流断线或电压短路等情况，不易因回路的故障误动；但也存在因注入电源回路故障条件易于满足而导致拒动风险增大的问题，但是考虑到注入式定子接地保护具备接地电流后备段，即使暂时闭锁接地电阻段，接地电流段也能正常动作。

综上所述，注入电源回路异常判据采用式（4）的判别逻辑是合理的。

当发生严重的单相接地短路故障，如机端开口三角零序电压值大于20 V时，宜自动解除注入电源回路异常闭锁，以利于保护的快速动作。

3.2 特殊故障类型的动作行为

采用双重化原则配置的发电机保护，一般A套配置基波零序电压+3次谐波零序电压原理定子接地保护，B套配置注入式定子接地保护。定子接地故障发生时，2套保护均应动作，并可根据计算出的过渡电阻值结合基波零序电压大小，计算出故障位置［5］；但在某些特殊故障类型下，双重化配置的定子接地保护可能出现动作不一致的情况，不能一概而论。

例如某1000 MW级机组，曾经出现过A套基波零序电压动作而B套注入式定子接地电阻基本不变化的情况［6］。事故停机后对发电机定子绕组及封闭母线、机端电压互感器等附属设备绝缘进行检查，均未发现异常。重新开机后，缓慢升压到30%额定电压时，发电机定子接地零序电压持续报警，注入式定子接地保护未启动，接地电阻测量值依然为30 kΩ。经过逐段排查，最终发现GCB近发电机侧C相电容器电解液泄漏，电容量和A、B相相差5倍，导致定子三相对地等效电容不对称，中性点零序电压产生偏移，“误”发定子接地信号；注入式定子接地保护测量对象为定子绕组对地绝缘电阻，不受中性点零序电压偏移影响，对地绝缘电阻没有下降，因此注入式定子接地保护未启动。

又如某660 MW机组在停机检修结束，重新开机运行一段时刻后，注入式定子接地保护动作而基波零序电压和3次谐波零序电压无变化。原因是发电机定子绕组冷却水脏污或配方有问题，导致对地绝缘降低，更换过定子冷却水后，注入式定子接地测量对地电阻恢复正常。

因此，当不同原理的定子接地保护出现动作行为不一致时，不应简单判定为保护误动或拒动，应具体问题具体分析；同时还可利用两者动作行为的差异，为故障快速定位提供参考。

4 工程应用情况

综合应用前述技术的注入式定子接地保护，在某1000 MW级核电机组上的电阻测量数据如表3所示。由表3可见，测量电阻误差能控制在±5%以内，保证了注入式定子接地的正常可靠运行。

表3 并网前后接地电阻测量数据Table 3 Measured grounding resistances，before and after grid-connection

5 结论

本文根据特大型核电机组特点，结合注入式定子接地保护的应用，提出了单双接地点切换的计算模型和分段相角补偿的方法，提高了各种工况下注入式定子接地保护的接地电阻计算精度。应用本文方法的核电机组注入式定子接地保护已在现场应用多年，其可靠性相比常规注入式定子接地保护有较大提升。本文还简要分析了注入电源回路异常判别的逻辑，以及特殊故障情况下注入式定子接地保护的动作行为，从完善保护功能和故障分析角度提出建议。

参考文献：

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