特大型水电机组继电保护相关问题研究

陈佳胜，王 军，郭自刚，王 光，陈 俊，李华忠

（1.南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市 211102;2.西南电力设计院有限公司，四川省成都市 610021）

特大型水电机组继电保护相关问题研究

陈佳胜1，王 军2，郭自刚1，王 光1，陈 俊1，李华忠1

（1.南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市 211102;2.西南电力设计院有限公司，四川省成都市 610021）

随着我国700MW级水电机组陆续投入运行，发电机—变压器组（简称发变组）保护应用遇到了一些新的问题。本文针对注入式定子保护接地电阻测量值波动、主变压器低压侧零序电压保护受TV一次断线影响、主变压器零序差动保护TA极性难以校核、动态条件下转子绕组对地绝缘电阻误差大等若干问题进行了分析，给出了解决措施。实践经验表明，本文提出的方案较好地解决了现场问题，满足特大型水电机组安全稳定运行的需求。

注入式定子接地保护；主变压器低压侧零序电压保护；主变压器零序差动保护；转子接地保护

0 引言

近年来随着三峡、溪洛渡、向家坝、龙滩等巨型水电站的并网发电，700MW及以上特大型水电机组逐渐成为我国水力发电的主流机型。参考水电机组内部故障定量化设计方案配置其保护功能，采用双套主保护、双套后备保护的配置原则，国产发变组保护在700MW及以上特大型水电机组上得到了广泛使用。多年运行实践表明，国产发变组保护设备具有高灵敏度、高可靠性，有力保障了我国特大型水电机组的安全稳定运行。

运行中，特大型水电机组保护也遇到了一些新的问题。如在静止状态、并网运行状态下注入式定子接地保护测量电阻发生波动，严重时发出报警信号；主变压器低压侧零序电压受TV一次断线的影响，仅发报警信号，缺乏可靠的跳闸功能，某些情况下可能导致事故扩大；主变压器零序差动保护的TA极性难以校验；动态情况下，转子接地保护测量的对地绝缘电阻误差大等。

本文试对以上问题进行研究并给出建议。

1 注入式定子接地保护

针对特大型水电机组的定子绕组单相接地故障，目前一般配置两种不同原理的定子接地保护，分别为基波零序电压+三次谐波零序电压原理100%定子接地保护和注入低频信号原理100%定子接地保护。注入式定子接地保护原理接线如图1所示，注入20Hz信号，通过发电机中性点接地变压器副边辅助电阻Rn耦合到发电机一次侧；保护装置通过中间TA测量20Hz电流信号，通过分压器测量20Hz电压信号，采用导纳模型计算定子绕组对地电阻值。

在运行实践中，发现在静止、额定空载和并网运行等不同工况下，定子绕组对地绝缘良好时，部分机组保护20Hz信号测量的对地电阻值出现波动，和真实值偏差较大，有的甚至达到报警值，严重影响了注入式定子接地保护的应用。

图1 注入式定子接地保护原理接线Fig.1 Injection stator grounding protection principle wiring

根据注入式定子接地保护精确计算补偿公式和保护原理接线，对影响接地电阻测量精度的各电气量进行误差分析，发现在工况转换，绝缘良好情况下，20Hz电压电流间相角的变化对于注入式定子接地保护测量影响较大。现场记录数据也表明，静止和并网运行2种不同工况下，注入20Hz信号的相角由269°偏移到了276°，导致装置测量到的绝缘电阻由无穷大下降到22kΩ左右[1]；有的机组情况更严重，并网后下降到5kΩ附近，注入式定子接地保护发出报警信号。

进一步地通过现场试验比对，发现中间TA的传变误差是主要原因。发电机中性点三次谐波零序电压在静止及并网前后有较大变化，使得流过中间TA一次侧的三次谐波电流也发生变化，从而导致中间TA的工作点发生偏移，使得20Hz信号传变出现较大相角误差。

据此提出如下方法进行补偿：在发电机启动前，通过静态试验的方法获取中间TA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2中标示*点。用一系列直线将离散*点连接起来，当离散数据点足够密集时，该方法得到的结果将会逼近真实结果。

进口某型保护为了解决该问题，依靠运维人员在并网前后手动修改相角补偿定值，没有考虑到该相角是非线性变化的，只能一定程度上缓解。

为提高效率和可靠性，某国产保护装置采用线性插值方法，动态调整相角补偿值，以提高注入20Hz信号测量电阻的精度，避免其随工况变化而波动[2]。

如表1所示，现场应用表明：经过动态相角补偿后，注入式定子接地保护能够在各种工况下准确测量一定阻值范围内的接地过渡电阻，相对误差可控制在10%以内，满足工程需要。

图2 中间TA相角传变误差及线性插值Fig.2 Mini TA intermediate phase transmission error and linear interpolation

表1 应用相角补偿前后电阻误差比较Tab.1 Comparison of resistance before and after the application of phase error compensation

2 主变压器低压侧零序电压保护

2.1 提出背景

对于大型水电站主变压器低压侧接地保护，依据国内现有技术规程和设计规范[3]，一般配置零序电压监视报警功能，仅作绝缘监视不作跳闸。但在特大型水电机组中，主变压器低压侧单相接地故障可能很快发展成相间短路故障，从而造成重大经济损失。从近年运行实践来看，存在安全隐患，如某水电站机端断路器（以下简称GCB）靠近主变压器侧发生单相接地，发电机定子接地动作跳开GCB后，故障点依然存在，系统通过主变压器继续向故障点供给短路电流；主变压器低压侧接地保护只有监视报警无跳闸功能，因此直到单相接地故障发展为相间故障，才由主变压器差动保护动作切除故障，造成GCB开关设备损坏，返厂检修，机组长时间停机。

针对此情况，特大型水电机组主变压器低压侧接地保护宜配置跳闸段，以防发生此类故障时不能及时切除故障点，造成更大损失。

主变压器低压侧接地跳闸段，在GCB跳开后自动投入。低压侧TV一次断线时，在其开口三角绕组中同样会产生零序电压，导致低压侧接地保护误动。因此，必须考虑完善的TV一次断线判据，防止因为回路故障导致的保护误动停机。

通常，采用一组TV接入的方案，同时接入低压侧TV的三相绕组和开口三角绕组；如果条件允许，则考虑在主变低压侧配置两组TV，以提高保护装置电压回路的可靠性[4]。

2.2 单组TV实施方案

主变压器低压侧配置1组TV时，接入保护装置的量为主变压器低压侧A、B、C三相电压和开口三角零序电压。

低压侧TV一次断线时，TV开口三角零序、自产零序和负序电压均会出现。某相断线时，将出现较大负序电压U2；但在主变压器低压侧单相接地故障且TV正常时，只有开口三角零序和自产零序发生变化，没有负序电压。利用上述两种情况下负序电压的差异，可以设计出TV一次断线判据。

当主变压器低压侧TV负序电压和开口三角零序电压同时出现时，判为低压侧TV一次断线，经短延时报警。主变压器低压侧TV一次断线闭锁低压侧接地保护跳闸段，信号段不受影响。

其判别逻辑如公式（1）所示：

式中：U2——主变压器低压侧TV负序电压；

3U0——其开口三角零序电压；

U0zd——主变压器低压侧零序电压动作定值；

K1——转换系数。

2.3 两组TV实施方案

为提高主变压器低压侧接地保护可靠性，有条件的地方可配置两组主变压器低压侧TV，交叉接入变压器保护装置A、B套，详细接线见图3。

TV一次断线时，TV开口三角绕组会出现零序电压，和真正的主变压器低压侧接地故障产生的零序电压相混淆，影响保护判定。为此接入两组TV，利用两组TV相互之间的差异来判别是否发生TV一次断线故障。此时，不考虑两组TV同时一次断线的可能性。

当发生单相接地故障且两组TV均完好的情况下，TV1的自产零序电压和TV2的开口三角零序电压应同时出现，且存在的倍数关系；当TV1自产零序电压很小而TV2开口三角出现较大值时，判定TV2发生一次断线，经短延时报警。TV2的一次断线闭锁主变压器低压侧接地保护跳闸段，报警段不受影响。

其判别逻辑如公式（2）所示：

式中：3U0zc——TV1的自产零序电压；

3U0——TV2开口三角的零序电压。

采用该方案的主变压器低压侧接地保护已在国内某水电站500kV变压器保护中稳定运行多年，经历了多次区内外故障考验。

图3 双TV交叉接入示意图Fig.3 Schematic diagram of double TV cross access

3 主变压器零序差动保护TV极性校验

特大型水电机组的主变压器零序差动保护多由高压侧三相TV自产零序电流和中性点外接零序电流构成，如图4所示。区外接地故障时，零序差动电流为0，可靠不动作；区内接地故障时，零序差动电流最大，灵敏动作。

图4 主变压器零序差动保护典型配置图Fig.4 Typical configuration of restricted earth fault protection of main transformer

由于变压器正常运行时零序电流为零，零序差动保护TA极性难以检验。长期以来，由于TA极性接反导致区外故障时零序差动保护误动作的事故时有发生，严重制约了零序差动保护的推广应用。

目前常用的校核主变压器零序差动保护TA极性措施主要有两种。一是模拟试验的方法，如通过发电机零起升压试验，区外设置接地点，观察装置的零序差动电流应接近0，否则需要调整极性。这种方法受到试验条件限制，有时因零序电流较小，不能准确地判别出TA极性，且试验环节较多，现场较少采用。第二种方法为分析空充变压器时录波数据来校核主变压器零序差动保护的TA极性[5]。微机保护装置一般自带录波功能，在空充变压器时因为励磁涌流原因会导致差动保护启动录波，录波数据中含有主变压器高压侧零序电流和中性点外接零序电流的相位信息，通过人工分析比较，可以校核其极性。该方法无需特殊准备试验设备，简便易行，可靠实用，但是仍然依赖现场工程师的经验。

另外，从现场经验反馈得知，即使在建设阶段校准了TA极性，也可能因回路改造变动、图纸与实际接线不符等各种原因导致TA极性出现错误，使得区外故障时零序差动保护发生误动作。因此，现场调试中迫切希望提供自动校核主变压器零序差动保护TA极性的功能。每次发生保护回路变动，空充主变压器前，退出主变压器零序差动保护连接线，并投入“零差极性校核”控制字，保护装置自动计算主变压器高压侧自产零序电流和主变压器中性点外接零序电流的相位关系。如果满足公式（3），则判定为TA极性错误，发出“零差极性错误”报警信号，提醒现场人员注意并核实，以期减少因零序差动保护TA极性错误导致的不正确动作。

式中：i0.set——有流门槛。

4 发电机转子接地保护

对于特大型水电机组转子绕组接地保护，有多种方案，如惠斯通电桥式、乒乓式、注入方波电压式以及注入直流电压式等，但从灵敏度、可靠性及工程应用效果来看，乒乓原理和注入方波电压原理转子接地保护应用最广。因此，一般采用如下双重化配置方案[6]：A套为注入方波电压式转子一点接地保护，B套为乒乓切换式转子一点接地保护。正常时只投入A套，B套作为热备用，通过转子接地保护测量回路的切换来实现A/B套的投退。

乒乓式转子接地保护简单、实用、可靠，灵敏度和接地位置无关，通过乒乓开关的切换，能计算出接地位置和接地电阻大小。注入式转子接地保护通过注入方波信号，能在静止情况下监视转子绕组对地绝缘情况；保护不受转子绕组对地电容的影响，不受高次谐波分量的影响，接地电阻测量精度高；保护灵敏度与转子接地位置无关，保护无死区[7]。因此，这两种原理的发电机转子接地保护在我国特大型水电机组上得到了广泛应用。

近年来，在某些工程应用场合，出现了转子接地测量电阻波动较大的情况。如某水电站1号机组的进口型注入式转子接地保护装置和某国产注入式转子接地保护装置，在静止状态下测得对地绝缘电阻精度很高，在空载运行等动态情况下，测量电阻值在实际值附近大幅波动[8]，导致转子一点接地保护延迟报警甚至于无法发出报警信号。无论是乒乓切换原理还是注入式原理的发电机转子接地保护，以上现象均不同程度存在。下面以注入式原理为例进行说明。

某进口型转子一点接地保护，采用注入式原理，其现场测试数据如表2所示，空载额定励磁电压情况下的转子对地电阻值波动速度快，范围大，转子一点接地保护无法报警。

表2 进口型保护静止/动态情况下阻值数据Tab.2 The resistance data of some import device at static and dynamic situation

为此，国内各单位进行联合研究，通过现场测试获取录波数据，进行理论分析，发现和水电机组机械周期密切相关的低频分量（如图5中转子电压波形），是导致转子对地绝缘电阻波动的主要原因，通过改进滤波算法并针对性地滤除泄漏电流中的低频分量，提高了动态情况下转子对地绝缘电阻的精度，电阻波动大幅减小。

验证试验条件如下：某发电机空载未并网，励磁电压151V并小幅波动，分别在励磁绕组正端、负端模拟转子经2.5kΩ、5kΩ、10kΩ试验电阻一点接地。试验数据表明（如表3），改进后的转子接地保护装置在动态条件下测得转子对地电阻稳定在真实值附近，误差不超过10%或±0.5kΩ。

表3 改进算法后动态情况下保护测量数据Tab.3 The resistance data of some device used improved algorithm at dynamic situation

图5为模拟励磁绕组正端经5kΩ接地时，保护装置录波波形图，因篇幅原因，只展示其前10s的波形数据。

图5 滤除低频分量后转子接地保护波形图Fig.5 the waveform of rotor grounding protection after low frequency component is filtered

由图5可见，注入低频方波信号稳定不变化，发电机转子电压则存在明显低频分量，从而使得泄漏电流也产生和机组旋转周期相关的低频分量，保护装置通过软硬件结合的方法，滤除了该低频分量，最终测量电阻在4.64～4.96kΩ间波动，提高了转子接地保护动态条件下的测量精度，基本消除了阻值波动的现象。

5 结论

本文总结了我国特大型水电机组继电保护运行情况，就注入式定子保护接地电阻测量值波动、主变压器低压侧零序电压保护受TV断线影响、主变压器零序差动保护TV极性校核、转子接地保护测量电阻误差大等若干问题进行了探讨，并给出了解决措施。

以上关键技术已在三峡、二滩、龙滩等水电站得到应用，现场运行情况表明，采取以上措施后，可较好地解决现场问题，保障特大型水电机组的安全稳定运行。

[1]吴礼贵，吕晓勇，等.大型水电机组自适应注入式定子接地保护研究.[J]人民长江 2015，46（10）：7-11.WU Ligui，LV Xiaoyong etc.Study on self-adaptive voltage-injection-based stator grounding fault protection of large hydropower generator-unit.[J]Yangtze River 2015，46（10）：7-11.

[2]CHEN Jiasheng，ZHANG Qixue etc.The Stator earth fault protection with voltage injection based on dynamic phase compensation.[P]CEPSI 2014，JEJU KOREA

[3]Q/CSG 110033-2012南方电网大型发电机及发变组保护技术规范[S].中国南方电网有限责任公司 2012.Q/CSG 110033-2012 Technical specification for large generator and transformer protection of CSG[S].China Southern Power Grid Company Limited，2012.

[4]一种适应于变压器低压侧的零序电压跳闸保护方法.专利号 ：ZL201310063021.The zero sequence voltage tripping protection method suitable for transformer low voltage side.Patent number of China ：ZL201310063021.

[5]兀鹏越，王团结，许寅智，等.500kV主变零差保护的现场投运试验及分析.[J]华北电力技术 2011（11）：8-11.Wu Peng-yue，Wang Tuan-jie，Xu Yin-zhi，etc.Field Test and Analysis of 500 kV Transformer Zero-sequence Differential Protection.[J]North China Electric Power 2011（11）：8-11.

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[8]刘先科，李小文，曾鹏，吴宝增.发电机转子一点接地保护在三峡电站的运用与效果评估[J].水电站机电技术，2015（6）：28-32.LiuXianke，LIXiaowen，ZENGPeng，WUBaozeng.Application and effect evaluation of generator rotor one point grounding protection in Three Gorges Power Station.[J].Mechnical & Electrical Technique of Hydropower Station，2015（6）：28-32.

陈佳胜（1975—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向：电力主设备继电保护研究、开发。E-mail：chenjs@nrec.com

王 军（1966—），男，高级工程师，主要研究方向：电力工程监理及总承包项目管理。

郭自刚（1979—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向：电力主设备继电保护研究、开发。

王 光（1980—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向：电力主设备继电保护研究、开发及管理。

陈 俊（1978—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向：电力主设备继电保护研究、开发及管理工作。

李华忠（1983-），男，硕士，工程师，主要研究方向：电力主设备继电保护研究、开发。

Research on Related Problems of Protection for Super Large Hydropower Plant

CHEN Jiasheng1WANG Jun2，GUO Zigang1，WANG Guang1，CHEN Jun1，LI Huazhong1
（1.Nanjing NR ELECTRIC Co.，Ltd.Nanjing 211102，China;2.South west Ekctric Power Design Institute Co.，Ltd.Chengdu 610021，China）

With the construction of giant hydropower station in China，some 700MW class hydropower units have been put into operation，some new situations in the protection of the generator transformer unit have been put forward.In this paper some issue has been discussed and gives solutions such as injection stator protection grounding resistance fluctuation，how to improve reliability of main transformer low voltage side zero sequence voltage protection，the polarity check of main transformer restricted earth fault（REF）protection，injection rotor protection grounding resistance fluctuation and etc.Practical experience shows that these solutions can solve the on-site problems and meet the needs of the safety and stability operation of large hydropower units.

injected stator grounding protection；zero sequence voltage protection of main transformer low voltage side；restricted earth fault protection of main transformer；rotor grounding protection