基于柔性光学互感器的选择性定子接地保护研究及应用

李华忠，童 松，王 耀，徐 金，张琦雪，王 光，陈 俊，3

（1.南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市 2111021；2.国电大渡河瀑布沟水力发电总厂，四川省汉源县 625304；3.东南大学电气工程学院，江苏省南京市 210096）

0 引言

定子绕组单相接地是发电机常见的电气故障之一，目前常用的定子接地保护原理包括基波零序电压原理、基波零序电流原理、三次谐波电压原理和注入式原理[1]，均已在现场得到成熟应用。但上述原理对于扩大单元接线方式的发电机组，均存在无选择性或选择性差的问题，即任一台发电机发生定子接地故障时，所有并列运行的发电机定子接地保护均将动作，存在事故范围扩大、无法及时故障定位、排查故障耗时长等问题。

针对上述问题，文献[2-3]提出了基于零序方向元件的定子接地保护原理，并在机端电缆出线方式机组上得到了很好应用。但根据现场多年实践经验，用于测量发电机机端基波零序电流的穿心型电磁式电流互感器（CT）存在以下问题：①电磁式CT选型难。对于扩大单元接线发电机一次额定电流值一般为几百至几千安培，而接地零序电流一次值往往小于十安培，需在大负载电流中识别小零序电流，对于常规电磁式CT具有很大挑战，存在CT绕组匝数少、漏磁通大、精度差等问题。②当机端三相导体不规则排布时，如三相铜排平行出线，保护装置会检测到由导体空间磁场不对称引起的“虚假”零序电流[2]，该电流越大对保护性能影响越大。③对安装空间要求高。当机端安装空间较小，如机端为三相共相封闭母线时，或机端出线相间间距较大，如四川深溪沟电站机端铜排AC相间距离60cm，均存在难以或无法安装常规电磁式CT的问题。上述问题均限制了选择性定子接地保护推广及应用，亟待解决。

本文提出基于柔性光学CT的选择性定子接地保护方案，分析定子区内、区外接地故障时电气量特征，形成定子基波零序方向保护判据，并总结了保护关键技术点。经静态与现场模拟试验验证，该方法能准确测量零序小电流，不易受三相导体不规则排布影响，解决传统电磁式CT难以测量零序小电流、对安装空间要求高等问题。

1 基于柔性光学CT的保护原理

1.1 保护方案

将柔性光学CT制成一次传感光缆形式，绕制在发电机机端三相导体外，测量发电机机端零序电流，采集单元将光信号转换为数字信号后送至保护装置，与保护装置采集的机端零序电压构成零序方向元件，实现选择性定子接地保护，如图1，“两机一变”扩大单元接线下基于柔性光学CT的选择性定子接地保护示意图。

柔性全光纤电流互感器（FOCT）[4-6]采用光导纤维感应被测电流信息，一次传感部分（环）由光纤组成，具有绝缘简单可靠、体积小、重量轻、无磁饱和、暂态特性好、动态范围大、频率响应宽等特点。另外，由于一次传感环可根据导体空间位置、形状等特点，任意弯曲，且支持现场绕制，能够在狭小空间实现安装，具有安装和维护方便等优点。

图1 基于柔性光学CT的选择性定子接地保护示意图Figure 1 Diagram of selective stator-grounding protection based on FOCT

1.2 定子接地故障电气量特征分析

以上述保护方案为例，分析扩大单元接线发电机定子区内、区外单相接地故障时电气量特征[1]。其中，区内、区外接地故障以柔性光学CT安装处为边界点。

为便于分析，假设每台发电机的容量、定子绕组对地电容、机端电缆对地电容、接地变压器的变比及其二次负载电阻值均相同，发电机定子绕组每相对地电容为Cg，机端电缆或铜排每相对地电容为Cl（含并接在机端断路器两侧抑制过电压的电容），母线每相对地等效电容为CB，忽略主变低压侧等其他设备对地电容，接地变二次负载电阻为Rn，接地变压器变比为N，接地变压器二次负载电阻折算到一次侧的阻值为RN=N2·Rn。

1.2.1 发电机定子区内单相接地故障

假设图1中G1发电机发生定子区内单相接地故障，接地故障点位于定子绕组A相距中性点α处，接地过渡电阻为Rf，定子绕组的对地电容分布均等效地以各0.5Cg集中于发电机机端和中性点，其零序等值电路如图2所示，分析过程中，忽略了接地变压器的漏阻抗和励磁阻抗，所有电流、电压均为工频分量一次值。

图2 G1发电机区内定子单相接地故障时的零序等值电路Figure 2 Zero-sequence equivalent circuit for stator singlephase ground fault in generator interior

（1）只有一台发电机并网运行（QF1处于合闸状态，QF2处于断开状态），发电机定子区内单相接地故障时，机端零序电流表达式为：

由式（1）可知，此时零序电流超前零序电压90°。

（2）两台发电机均并网运行（QF1和QF2均处于合闸状态），G1发电机定子区内单相接地故障时，机端零序电流表达式为：

由式（2）结合接地变压器二次负载电阻的设计原则[1]可知，此时发电机区内单相接地故障，零序电流超前零序电压45°。

1.2.2 发电机定子区外单相接地故障

当G1发电机定子区外单相接地故障，如故障点在机端母线或G2发电机内部，其零序等值电路如图3所示。

图3 G1发电机区外定子单相接地故障时的零序等值电路Figure 3 Zero-sequence equivalent circuit for stator single-phase ground fault outside generator area

由图3可得G1发电机定子区外单相接地故障时，流过G1发电机机端零序电流的表达式为：

由式（3）可知，此时发电机定子区外单相接地故障时，零序电流滞后零序电压135°。

1.2.3 小结

当发电机定子区内单相接地故障时，零序电流超前零序电压，角度在（0°～90°）；当发电机定子区外单相接地故障时，零序电流滞后零序电压，角度在（90°～180°）。因此可采用机端零序电流与零序电压的相角差用于区分定子区内或区外接地故障。对于“三机一变”机组也可采用类似分析方法，不再赘述。

1.3 选择性定子接地保护判据

根据上述定子单相接地故障电气量特征分析，由机端零序电流与零序电压构成零序方向元件，采用其相角关系用于区分定子区内、区外单相接地故障，保护判据如图4所示。

图4 基于柔性光学CT的选择性定子接地保护逻辑图Figure 4 Logic of selective stator ground fault protection based on FOCT

其中，θset1、θset2为边界角度定值，U0为发电机机端或中性点零序电压实测值，U0set为零序电压定值[7-8]。条件1：当机端零序电流与零序电压的相角差在边界角度定值范围内时，零序方向元件开放，判为定子区内单相接地故障；条件2：当机端或中性点基波零序电压测量值大于U0set定值时，定子接地保护启动。当上述条件1和条件2均满足时，定子接地保护I时限经延时1动作。此外，考虑接地故障点发生在各发电机区外时，如机端母线，零序方向元件均不开放，有必要增加固定不经方向闭锁的定子接地保护II时限，经长延时2动作，延时2定值大于延时1定值，时间级差取0.3～1s。

根据零序方向元件开放条件画出动作特性图，如图5所示。

2 关键技术

2.1 全光学CT的小电流采样技术

柔性全光纤电流互感器基于Faraday磁光效应原理，采用光纤反射式互易干涉等技术实现旋光角大小检测，进而测量产生磁场的电流大小[9-12]，该技术已在高压直流输电系统和电网变电站中得到成熟应用，但其电流测量范围一般为几百安培至几万安培，而对于一次值仅为（0.5～10）安培的零序小电流测量，至今尚未有成熟应用。

根据安培环路定理，法拉第旋光角φ与穿过传感光纤环内的电流I的关系式为[13]：

式中，V为光学介质的Verdet常数，表示单位磁场产生的旋光角；H为磁场强度；l为光在介质中传播的距离；NL为围绕通流导体闭合光路的圈数；I为产生磁场的电流。如式（4）可知，旋光角φ与传感光纤中通过电流I成正比关系，当电流I很小时，对应旋光角也很小，检测模块难以实现准确测量。

考虑旋光角φ与光纤Verdet常数及光纤环匝数成正比关系，在柔性光学CT设计时可通过合理设计Verdet常数和传感光纤环匝数等环节，提高柔性光学CT的小电流测量能力，方法如下：

（1）选择Verdet常数相对较大的传感材料，如采用高双折射石英光纤。

（2）考虑Verdet常数与光源波长平方的倒数成正比[14]，因此可通过降低光源波长方式以增加verdet常数，将波长从1550nm降至850nm，可有效增加传感材料的verdet常数。

（3）适当增加光纤传感环匝数，但需注意随着光纤环匝数和长度增加，光纤中的弯曲和应力也增加，造成光纤中的线性双折射累积，也会对光学CT测量灵敏度产生不利的影响。

（4）设计带通滤波器，仅提取工频附近频段信号，同时将采样点进行多点平均后再输出，以减少数据波动。

采用上述措施能使得旋光角信号更加明显，提高光学CT对小电流测量的能力。但由于光学CT检测到的信号是旋光角的sin函数，因此需保证旋光角不超过±90°，否则会超出sin函数的单调区间，造成电流解析错误，在设计时需兼顾测量精度和动态范围要求。

2.2 线性双折射抑制技术

根据理论分析和试验表明，传感光纤中存在的双折射会对柔性光学CT的精度产生较大影响[15-16]。温度或应力的变化均会引起传感光纤中的线性双折射变化，影响柔性光学CT的测量精度。由于发电机机端柔性光学CT一般安装在室内，温度相对较好，重点考虑现场绕制时，由传感光纤弯曲和形变引入的线性双折射对光纤传感环性能产生的不利影响，应采取相应的抑制措施。

本文针对线性双折射影响采用的抑制方法，选用旋转高双折射（Spun Hi-bi）光纤[17]，制作时将领结型（Bow-tie）或熊猫型（Panda）等高双折射光纤预制棒在拉丝的同时进行高速同轴旋转，使光纤的双折射轴有内在的旋转，从而将光纤变成椭圆双折射光纤，而且需根据光纤原有的线性双折射，选择合适的旋转速率，使得光纤的椭圆偏振本征模接近圆偏振本征模，最终使得光纤对磁场响应与理想圆双折射相近。旋转高双折射光纤能兼顾高线性双折射光纤的偏振保持特性和圆双折射光纤的测量灵敏度，抑制线性双折射影响，同时大大提高对小电流信号测量能力。

2.3 数据信号同步技术

零序方向元件由光学CT零序电流信号与常规电压互感器零序电压信号构成。由于采集单元采样频率为2～8kHz，保护装置直采常规电压互感器信号采样频率为1.2kHz，存在采样速率不同步问题。此外，采集单元与保护装置间数据通信也带有时延。因此为保证保护装置采用同一时刻数据进行逻辑运算，须对上述信号进行数据同步处理。

为保证采样数据的准确性及可靠性，数据同步处理基于信号采样值精准的额定时延，而不依靠外部同步时钟。对采集单元中光学CT信号进行重采样，采用插值法将其采样频率转换为与保护装置相同的采样频率。确定采集单元数据处理时延，以及与保护装置数据通信时延，并将额定时延告知保护装置，并尽量保证输出SV报文为等间隔。保护装置根据额定时延调整光CT信号与常规电压互感器信号时差，保证为同一时刻数据。

另外，要求采样单元输出数据带有品质标识，当光学CT输出采样值无效时，保护装置则闭锁零序方向元件判别，同时发出装置报警信号。

3 试验验证

为验证柔性光学CT工程应用的可行性，研制了基于柔性光学CT的选择性定子接地保护系统，分别进行静态试验与现场模拟接地试验验证。

3.1 静态试验

搭建静态试验平台，将“跑道型”柔性光学CT传感环绕制在三相平行排布导体外，分别对三相导体进行分散与集中布置，其中分散时AB、BC导体间距均为20cm，集中时AB、BC导体间距均为5cm。如图6所示，采用继保测试仪通入不同数值的电流，相位相差120°，实测零序电流大小，记录数据如表1所示。

图6 基于柔性光学CT的选择性定子接地保护静态试验接线图Figure 6 Static test wiring diagram of selective stator-grounding protection based on FOCT

表1 静态试验记录Table 1 Static test record

从上述静态试验数据可见，当三相导体分散或集中布置时，对柔性光学CT测量精度影响不大，测量误差均小于2.5%，能满足保护装置功能要求。

3.2 现场试验

在四川深溪沟电站“两机一变”扩大单元接线机组上安装基于柔性光学CT的选择性定子接地保护系统，并进行模拟接地试验，验证保护性能，试验接线参考图1所示。

机组设备参数：发电机G1（G2）容量为165MW，功率因数为0.9，机端额定电压为15.75kV，发电机接地变压器的变比：15.75kV/0.35kV，二次负载电阻Rn=0.5Ω，柔性光学CT测量机端零序电流一次值，在机端断路器QF1与柔性光学CT之间设置A相单相接地故障点K1，即为定子区外接地故障。

设置定子接地零序电压定值为5V，动作区角度为（-45°～135°），如图5所示。I时限整定为0.5s，II时限整定为1s，保护动作于报警和跳闸。

（1）G1发电机处于解列状态，零起升压至5%发电机额定电压，模拟G1发电机机端A相K1点单相金属性接地故障，记录试验波形。

由图7可见，A相定子区外接地故障时刻，A相电压为0V（二次值，下同），B、C相电压为5.5V，零序电压为5.5V，实测机端零序电流一次值为0.52A，零序电流超前零序电压226°，处于第三象限，为定子区外接地，保护I时限正确不动作。

（2）机组额定负载运行工况下，实测柔性光学CT不平衡零序电流值，记录采样数值及波形数据。

图7 模拟发电机机端区外A相接地故障电气量波形Figure 7 Waveforms of voltage and current for generator terminal phase-A ground fault outside

图8 发电机满载运行时电气量波形Figure 8 Waveforms of voltage and current for generator full load operation

由图8可见，发电机满载工况运行（负载电流一次值6700 A）时，实测不平衡零序电流一次值为0.15A，小于零起升压至5%发电机额定电压时接地零序电流一次值0.52A，完全满足保护功能要求。

4 结语

本文提出了基于柔性光学电流互感器的选择性定子接地保护方案，分析定子区内、区外接地故障的电气量特征，形成了定子基波零序方向保护判据，总结了保护关键技术点，并在此基础上开发了保护系统。根据静态与现场模拟接地试验，表明该方法能准确测量零序小电流信号，不受三相导体不规则排布影响，且方便安装，适用于机端硬导体或电缆出线方式。自2019年2月起，该原理已在四川深溪沟水电站4台165 MW机组上先后投入使用，至今运行情况良好。