一种发电机（调相机）定子接地保护的接地电阻测量电路

崔敏 樊莹 梁爽

摘 要：本文介绍了一种发电机（调相机）定子接地保护的接地电阻测量电路，采用合适变比的隔离变压器构建外加20Hz电源注入式定子接地保护系统，建立等效电路，通过导纳法计算出定子接地故障时的接地电阻值。此方法可实现在原有保护装置平台上不受发电机（调相机）中性点接地变压器负载电阻大小影响的定子接地保护功能，能提高发电机（调相机）定子接地保护的灵敏度和可靠性，具有较大的推广价值。

关键词：发电机;隔离变压器;定子接地保护

中图分类号：TM31文献标识码：A文章编号：1003-5168（2018）29-0120-04

Abstract： This paper introduced a method for measuring the grounding resistance of stator grounding protection of generator （phase modulator）. A 20Hz power injection type stator grounding protection system was constructed by using an appropriate transformer， and the equivalent circuit was established. The grounding resistance of stator grounding fault was calculated by admittance method. This method can realize the stator grounding protection function which is not affected by the load resistance of the neutral grounding transformer of the generator （phase modulator） on the original protection platform. It can improve the sensitivity and reliability of the stator grounding protection of the generator （phase modulator）， and has great popularization value.

Keywords： generator;isolation transformer;stator grounding protection

发电机（调相机）定子接地保护作为发电机定子回路单相接地故障保护，当发电机定子绕组任一点发生单相接地时，该保护按要求的时限动作于跳闸或信号。利用基波零序电压原理可以保护发电机85%～95%的定子绕组单相接地，利用三次谐波电压原理可以保护发电机中性点附近定子绕组的单相接地[1]。

发电机（调相机）外加20Hz电源注入式定子接地保护可以保护包括发电机（调相机）中性点在内的整个定子绕组，保护灵敏度高，不受接地位置影响，保护无死区，可检测定子绝缘的缓慢老化，且在发电机（调相机）停机状态能起到保护作用，已广泛应用于大型发电机（调相机）继电保护[2-5]。

1 技术背景

现有外加电源注入式定子接地保护对应的接地电阻测量电路原理示意图如图1所示，其中G表示发电机，[Tn]表示中性点配电变压器，[Rn]表示中性点接地变负载电阻，VD表示二次侧分压器，CT是中间电流互感器。注入电源装置经过带通滤波器由中性点配电变压器[Tn]的二次侧注入发电机G，接地保护装置通过中间电流互感器CT和二次侧分压器VD测量中性点二次侧的电流[I20]和电压[U20]。

对于基于上述电路原理图的定子接地保护，如果遇到发电机的中性点接地变负载电阻[Rn]很小时（约0.1Ω级），接地保护装置采集的电压[U20]、电流[I20]量值将很微小，测量相位也无法正确跟踪，直接导致所测接地电阻值Rg计算错误，影响了定子接地保护的可靠性。

假定中性点配电变压器Tn为理想变压器，不考虑漏阻抗和励磁阻抗，表1给出了一组20Hz电源注入式定子接地保护的仿真数据。系统参数中，20Hz电源电压为12V;20Hz电源内阻为6Ω;接地变一次电压为11 574V;接地变二次电压为127V;发电机每相对地电容C为0.945 48[μF];接地变电阻R为0.000 1Ω;接地变电抗X为0.000 1Ω;接地变二次电阻Rn=0.124Ω;接地變CT变比200;二次分压比为1。表1中二次侧电压[U20]和[I20]的数据表明，原有接地保护装置的采集精度已经无法满足该数量级，以至无法准确计算出定子接地故障时的接地电阻，严重影响定子接地保护功能的灵敏性和可靠性。

2 解决方法

下面结合图1和表1中的实施案例对本技术方案进行进一步的详细说明。为完成上述任务，本技术方法是在外加20Hz电源注入式定子接地保护的注入电源处增加隔离变压器[Tn2]。使注入电源装置输出的低频电压经过隔离变压器[Tn2]后加在发电机（调相机）中性点接地变压器负载电阻[Rn]两端，通过接地变压器将低频信号注入到发电机（调相机）定子绕组上。负载电阻[Rn]两端的电压经过分压器VD分压后得到电压[U20];另外，通过电流互感器（即CT）得到电流[I20]。电压[U20]和电流[I20]引至发电机（调相机）保护装置中。

图2为增加隔离变的外加20Hz电源注入式定子接地保护系统接线图。

从图2可以看出，该系统包括：发电机（调相机）、20Hz电源、20Hz带通滤波器、发电机（调相机）保护装置、隔离变压器[Tn2]、接地变压器[Tn]和分压器VD。

其中，中性点配电变压器[Tn]的一次侧用于连接发电机或调相机G的中性点，其二次侧并联连接中性点接地变负载电阻[Rn]。电流互感器CT的一次侧与中性点配电变压器[Tn]二次侧串联连接，其二次侧连接接地保护装置。分压器VD与中性点配电变压器[Tn]二次侧并联连接，其分压连接端连接接地保护装置。注入电源装置和带通滤波器串联连接后，连接隔离变压器[Tn2]的二次侧，隔离变压器[Tn2]的一次侧连接中性点配电变压器[Tn]的二次侧，隔离变压器的变比小于1。

上述定子接地保护的接地电阻测量电路通过在注入电源装置处增加隔离变压器[Tn2]，使注入电源装置输出的低频电压经过隔离变压器[Tn2]后加在发电机或调相机的中性点接地变负载电阻[Rn]两端，通过中性点配电变压器[Tn]将低频信号注入发电机或调相机定子绕组上。

在本实施例中，注入电源装置為20Hz注入电源装置，带通滤波器对应为20Hz带通滤波器。在保护测量时，中性点接地变负载电阻[Rn]两端的电压经过分压器VD分压后得到电压[U20]，通过电流互感器CT得到电流[I20]，电压[U20]和电流[I20]引至接地保护装置中，进行相应的定子接地保护。

需要说明的是，电流互感器CT和分压器VD的作用是分别采集中性点配电变压器二次侧的电流和电压，作为其他的实施方式，也可以采用现有技术中其他的电流采集装置和电压采集装置，如电流传感器和电压传感器，以采集中性点配电变压器二次侧的电流和电压信息。带通滤波器的作用是对注入电源装置的输出电压进行滤波，不考虑注入电源装置输出电压频率的影响，作为其他的实施方式，也可以不设置该带通滤波器。接地保护装置也可以是专门设置或者是现有的处理装置，通过软件设置，用于接收电流互感器CT和分压器VD发送过来的电流和电压信息，并进行处理，计算得到所测接地电阻值，同时发送给对应的接地保护装置，以进行接地保护。

当发电机或调相机定子绕组对地绝缘正常时，注入定子绕组的低频电流主要是流过定子绕组对地电容的电容电流;当对地绝缘受到破坏出现接地故障时，注入的电流将流过接地故障点，出现一部分电阻性电流。接地保护装置检测注入的低频电压、电流，通过导纳法可准确计算出接地故障的过渡电阻阻值，计算的电阻阻值与定子绕组的接地故障位置无关，可以反映发电机或调相机100%的定子绕组单相接地。

2.1 选取合适变比的隔离变压器

隔离变压器[Tn2]变比[n2]的选取尤为重要。增加隔离变压器后，发电机（调相机）中性点接地变负载电阻在折算到20Hz电源侧时，二次电阻折算为[0.124/n2×n2]。为了使折算后的二次电阻扩大所需倍数。[n2]的选取则需要经过测试验证。其中，隔离变压器[Tn2]的变比[n2]的取值范围为1/10～1/2。表2具体以[n2]的取值为1/4为例，来说明本发明的有益效果。

2.2 搭建保护模型，建立等效电路

对增加隔离变的外加20Hz电源注入式定子接地保护接线图建立等效电路。隔离变压器[Tn2]的T形等效电路包括有漏阻抗和励磁阻抗。其中，漏阻抗和励磁阻抗是通过发电机（调相机）并网前的空载试验和短路试验手动或自动计算漏阻抗和励磁阻抗，定子接地保护再将该参数应用于保护算法中。现将接地变假设为理想变压器，不考虑接地变的漏阻抗和励磁阻抗，则图2中定子接地保护的接地电阻测量电路的等效电路如图3所示。

2.3 计算接地电阻

从图3可知，20Hz电源经过隔离变压器后的电压为：[Us×n2];20Hz电源经过隔离变压器后的内阻为：[R0×n22]。根据欧姆定律，通过导纳法所测接地电阻[Rg]的计算公式为

2.4 构建定子接地保护接地电阻判据

接地电阻判据反映发电机（调相机）定子绕组接地电阻的大小，设有两段接地电阻定值，高定值段作用于报警，低定值段作用于延时跳闸，延时可分别整定。

式中，[Rg]为调相机定子绕组接地电阻（一次值），[Rl]和[Rh]分别为调相机定子绕组接地电阻的高、低定值（一次值），[I50]为流过发电机（调相机）接地设备的零序电流（二次值），[ISAFE]为对应于发电机（调相机）定子接地安全电流定值（二次值）。

将本方法应用于表1的实施例系统参数下，设定隔离变压器[Tn2]的变比为1/4（接地变二次侧为1，20Hz注入电源装置侧为4），20Hz注入电源装置的电压为12V，则经隔离变压器后折算为3V，20Hz注入电源装置的内阻为6Ω，则经隔离变压器[Tn2]后折算为0.375Ω，假定中性点接地变压器为理想变压器，不考虑漏阻抗和励磁阻抗，应用上述的定子接地保护的接地电阻测量电路，所获得的仿真结果如表2所示。

从表2可知，发电机（调相机）保护装置测量到的20Hz电压[U20]和20Hz电流[I20]的幅值大小在原有保护装置平台上可以精确采集并应用到定子接地保护算法中。

3 结论

本文提出采用增加隔离变压器外加20Hz电源注入式定子接地保护的方式，可以实现在原有保护装置平台上不受发电机（调相机）中性点接地变压器负载电阻大小影响的定子接地保护功能，具有灵敏度高、可靠性强和适用性广的优点。

参考文献：

[1]姚晴林，赵斌，郭宝甫，等.20Hz自适应新原理发电机定子接地保护深入分析[J].电力系统自动化，2009（22）：71-74.

[2]郭宝甫，陈海龙，毕大强，等.外加20Hz电源定子接地保护在三峡右岸水电机组上的应用[J].水电与抽水蓄能，2011（2）：36-39.

[3]唐云龙，赵斌，郭宝甫，等.定子接地基波零压和20Hz低阻保护的一些问题探讨[J].电力系统保护与控制，2007（s1）：79-82.

[4]陈海龙，李建强，张玉宝，等.电压互感器铁磁谐振引起的基波定子接地保护动作分析[J].水电与抽水蓄能，2017（1）：111-114.

[5]刘志文，赵斌，沈燕华，等.大容量燃气轮发电机在起动过程中继电保护应采取的措施[J].电力系统保护与控制，2006（20）：16-19.