注入式定子接地保护的应用分析及整定计算

王文贞

摘要： 发电机定子绕组单相接地故障是发电机最常见的故障之一，配置高灵敏度的100%定子接地保护意义重大。本文主要介绍了发电机注入式定子接地保护的配置、保护原理、整定计算、现场调试以及应用实例，说明了该保护的优点和实用性，必将得到更为广泛的应用。

Abstract： The generator stator winding single-phase grounding fault is one of the most common faults of generator， configuration of high sensitivity 100% stator ground fault protection is of great significance. This paper mainly introduces the configuration， protection principles， setting calculation， site commissioning and application examples of injection-type stator ground protection， which will get more extensive application for its advantage and practicability.

关键词： 注入式；定子接地保护；应用分析；整定计算

Key words： injection-type；stator ground protection；application analysis；setting calculation

中图分类号：TM772 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）22-0224-03

0 引言

近年来发电机单机容量不断增大，对定子接地保护提出了更高的要求。目前，国内应用较多的100%定子接地保护是基波+三次谐波双频式定子接地保护，但由于其受发电机工况和接地位置影响较大，难以完全满足大型发电机对高灵敏度的要求。而注入式定子接地保护的灵敏度不仅与运行状况和接地位置无关，还可以反映发电机定子绕组绝缘下降，实时监视绝缘老化的现象。因此，可以和双频式定子接地保护构成大型发变组的2套不同原理的100%定子接地保护。

1 注入式定子接地保护原理

注入式定子接地保护需要相应的外部附加设备，现场实际接线如图1所示。

在发电机定子系统中注入低频电源，等效电路如图2所示。其中，US为注入电源电压；Rin为注入电源等效内阻；Rn为接地变二次负载电阻；-jXC为发电机定子绕组对地容抗；RE为接地过渡电阻；UG0为经分压器采集的零序电压；IG0为零序电流二次值。

发电机正常运行时，定子绕组对地绝缘，回路中只有很小的电容电流，接地故障后，绝缘破坏，发电机定子绕组对地阻抗变化，此时电压信号会通过接地电阻产生电流信号。通过检测注入的电压、电流信号，并忽略其他一些因素的影响，根据导纳法可以计算出单相接地故障时接地电阻一次值，计算公式如下。

RE=■

其中，K为电阻折算系数，K=n2■，n为接地变变比，ndiv为分压器分压比；nCT為电流互感器变比。通过比较过渡电阻阻值，判定保护是否动作。

2 注入式定子接地保护整定计算

以某电厂600MW汽轮发电机组（3号机）为例，介绍注入式定子接地保护的整定过程。

2.1 接地电阻判据

2.1.1 测量电阻报警定值

600MW机组，3Io=■？燮Isafe

300～1000MW发电机当额定电压为20～27kV时，Isafe=1A，考虑机端接地，？琢=1

所以，REH=■=■=11.5k？赘

根据运行经验取REH=（10.0～15.0）k？赘，一般取REH=10.0k？赘。

2.1.2 报警延时

一般延时1～5s，取t=5s，报警。

2.1.3 测量电阻跳闸定值

一般定子接地电阻定值可取1kΩ～5kΩ，本工程取REL=1k？赘。

为避免机组不必要的停机，跳闸段可增加接地电流闭锁判据，仅当接地电流超过安全电流时才允许发电机跳闸。安全电流定值，可通过现场试验或参数估算的方法确定。

2.1.4 跳闸延时

延时可取0.3～1.0s，取t=0.3s。

2.2 零序电流跳闸定值

IE.SEF=■=■=143.56A

？琢取20%；URn.SEC：机端金属性接地时，负载电阻两侧电压；Rn：发电机中性点接地变压器二次侧负载电阻。

二次值：IE.SEF=■=0.29A

2.3 测量回路监视定值

2.3.1 电压回路监视定值

根据短路试验检测的最低注入电压Umin，考虑一定的可靠系数得到。

ULF0.set=Krel×Umin=0.5×Umin

Krel：可靠系数，取0.4～0.6。

若检测电压值小于此监视定值，则认为出现异常情况，装置发出告警并闭锁保护。

现场试验确定电压回路监视定值为0.02V。

2.3.2 电流回路监视定值

根据正常状态下检测的最低注入电流Imin，考虑一定的可靠系数得到。

ILF0.set=Krel×Imin=0.5×Imin

Krel：可靠系数，取0.4～0.6。

若检测电流值小于此监视定值，则认为出现异常情况，装置发出告警并闭锁保护。

现场试验确定电流回路监视定值为0.43mA。

2.4 补偿环节定值确定

①相角补偿定值。按相角补偿试验确定整定值为358.3°；②电阻补偿定值。按阻抗补偿试验确定整定值为1.4Ω；③电抗补偿定值。按阻抗补偿试验确定整定值为3.8Ω；④并联电阻补偿定值。一般情况下，该电阻值都比较大，可直接取默认的最大值，无需整定。

⑤电阻折算系数。

K=N■■×■=■■×■=6.58

现场模拟接地故障试验，确定修正计算值为10。

3 注入式定子接地保护现场调试及实际应用

根据上述介绍，保护装置要准确测量接地过渡电阻，前提是能够准确测量注入电压和电流信号，通过适当的补偿，最后折算成接地电阻一次值。由于现场实际中性点接地变、负载电阻和定子绕组对地电容设计值与实际值都有较大的差别。因此注入式定子接地保护在投运前必须进行现场试验来确定相关补偿值以及整定值。这里还以上述600MW汽机机组为例，介绍现场相关调试情况。首先，根据注入式定子接地保护接线图1正确接线，确保各输入输出信号正常。实验内容主要包括：相角校正、短路试验、模拟接地故障试验。

3.1 相角校正

保护装置是通过检测所采集的电压电流信号大小和相位来计算接地过渡电阻的，因此相位角的准确与否决定了保护装置能否可靠动作。由于电压电流回路的硬件检测通道相位检测延迟存在差异，因此保护装置需要内置一个补偿角度进行校正。

一种情况，我们可以考虑接地变为理想变压器，即发电机正常运行时，仅存在电容电流，即电流超前电压90°，我们可以根据装置显示角度确定定值中的补偿相角，使补偿后的相角为电流滞后电压270°。但由于接地变参数影响，这种校正会有一定的误差。

另一种情况，可以利用负载电阻呈纯阻性的特点来进行相角校正。此时需要将接线做一下改动，如图1中虚线所示。此时相角校正为180°即可。本次试验测量相角为178.3°，相角补偿值为358.3°。

另外，正常运行时，检测得到零序电流为0.86mA，因此电流监测回路定值整定为0.43mA。

3.2 短路试验

短路试验是将接地变高压侧出线（发电机中性点）对地金属性短接。这是注入式回路最严重的接地故障，此时注入电压信号被拉到最低，检测该电压值为0.04V，故电压监视回路定值整定为0.02V。通过短路试验测量补偿电阻值1.4Ω，补偿电抗值3.8Ω，补偿后保护装置检测出的接地过渡电阻阻值接近于0。

3.3 模拟接地故障试验

为了保证在发生接地故障时，保护能可靠动作，投运前需在发电机静止状态、30%额定负载甚至并网负荷下进行模拟接地故障试验，验证接地变高压侧经不同阻值（500Ω、2KΩ、5KΩ、10KΩ）电阻接地时保护均能可靠动作。试验时需要做好相关安全防护工作。通过模拟接地故障试验，可以实际修正电阻折算系数理论值。

另外还可以进行电源的空载试验，确定电源的内阻；电源的负载试验验证接线以及分压比的正确性。

4 结束语

本文结合注入式定子接地保护的原理，总结了保护定值的整定以及现场试验过程。注入式定子接地保护与传统定子接地保护相比，具有保护灵敏度高，不受机组运行情况影响的特点，是大型发电机组双重化的主要选择。通过分析、探讨，希望能对注入式定子接地保护的工程推广有一定的推进作用。

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