大型水轮发电机消弧线圈接地方式下的注入式定子接地保护新方案

姜小龙，施利民

（杭州杭发发电设备有限公司，浙江 杭州 311251）

定子绕组单相接地故障是大型发电机定子绕组绝缘破坏比较常见的故障之一，往往对发电机的危害表现为匝间短路或相间短路，因此发电机保护需要配置不同原理的定子接地保护，定子绕组单相接地保护的灵敏动作和可靠性能够极大程度上降低发电机内部发生短路故障的概率[1]。现有的定子接地保护主要有双频注入式发电机定子接地保护和注入式定子接地保护，注入式定子接地保护主要以实际的过渡电阻大小作为判别根据，保护效果不受发电机工作情况的影响，所以，基于大型发电机对定子接地保护提出的高性能要求，更加倾向于在静止无励磁状态下由定子接地保护。装设注入式定子接地保护成为必然趋势。注入式定子接地保护成为大型发电机继电保护的标配。实质上，大型发电机中性点接地方式直接决定了注入式定子接地保护的成功与否[2]。大型发电机是电力系统的原动力，在发电机运行中必须具备应对突发障碍的能力，因此发电机中性点接地方式的选择与此产生密切的关联。一般来讲，发电机中性点的接地方式包括：中性点直接接地、中性点经低阻抗接地、中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点经高阻抗接地等。装设注入式定子接地保护在高电阻接地大型发电机上已经得到大规模应用，作为发电机中性点接地中常用的接地方式，一旦回路发生单相接地的同时，能够限制弧光接地过电压，减轻对发电机铁芯的灼伤，减少对发电机及发电机回路的机械压力，避免发电机遭受破坏。文章提出在消弧线圈接地方式下的注入式定子接地保护新方案，在充分验证方案可行性的基础上与常规方案进行对比[3]。

1 大型水轮发电机消弧线圈接地方式下的注入式定子接地保护常规方案

在常规方案中，从消弧线圈仪表线圈注入20 Hz信号，因为消弧线圈阻抗较低，所以在注入信号的过程中需要增加一个电流互感器，将其变换为适合保护装置测量的大小。20 Hz注入式定子接地保护采用导纳法计算定子绕组对地导纳，在此过程中，可以补偿接地装置参数对定子绕组对地导纳造成的影响。基于上述条件下，因为消弧线圈和仪表线圈等同于单相变压器一、二次绕组，所以可以采用T型等值电路。

在常规方案应用过程中，表现出下列局限性：首先，T型等值电路相对复杂，在进行接地故障过渡电阻计算的过程中涉及多个计算环节。其次，因为消弧线圈阻抗较低，所以消弧线圈仪表线圈和普通变压器明显不同，磁芯带有分段气隙，能够避免在交流大信号或直流偏置下的磁饱和，更好地控制电感量，然而在分段气隙降低磁导率的前提下，线圈的圈数较多，直接增加铜损。这种情况必然造成两种后果，一方面，在定子绕组对地电阻产生变化时，难以进行过渡电阻的准确计算；另一方面，难以获得消弧线圈准确的T型等值电路参数，对过渡电阻准确度的准确获得产生明显限制[4]。

2 大型水轮发电机消弧线圈接地方式下的注入式定子接地保护新方案

大型发电机在采用消弧线圈接地时，在接地端串接的电阻器能显著起到限制中性点位移电压、避免保护误动的作用。

如图1所示，针对消弧线圈接地方式下，在接地端串接电阻器的发电机，采用本文提出从接地端串接电阻器两端注入20 Hz信号的接地保护新方案。由于电阻器端口的阻抗较大，同时注入的电压也相对较大，所以被测电压需要经过分压器，再被送入保护装置。在此过程中，未增设电流互感器主要是为了在节省设备的同时简化保护计算，在新方案的注入方式下，消弧线圈可以直接等效为阻感串联支路。和常规保护方案不同，在新保护方案中，并不需要区分消弧线圈在变压器空载中的等效阻抗和漏抗，计算过渡电阻的步骤相对简化。在新方案中，由于消弧线圈在接地端串接的电阻器一端直接接地，所以其限值相对于消弧线圈自身的感抗来讲而言较小，一旦发电机出现严重接地故障并不会在注入信号的端口产生较大电压[5]。

图1 发电机消弧线圈接地方式下的注入式定子接地保护新方案

3 动模试验

3.1 动模试验设计

以某水电站3号机为例，额定电压为18 kV，消弧线圈工频电抗XL·50=1 086Ω，等效电阻RL=5.05Ω，串接电阻Rn=30Ω。计算发电机金属性接地故障过程中，20 Hz辅助电源装置工频电压在278 V左右，该电源装置对工频电压耐受为550 V，1 min，整体风险处于可控制状态。

对水电站6台发电机采取中性点经消弧线圈接地的方式设计动模试验过程，以此检验常规方案和新保护方案的效果，同时进行相应对比，6台发电机额定容量为245 MVA，额定电压为18 kV，装设在1至4号发电机的中性点消弧线圈参数与运行挡位与发电机定子绕组对地回路每相总电容一致，为1.409μF，其中以3号发电机为例，消弧线圈的额定电压为10 392 V，定子绕组对地回路每相总电容为1.409μF，该消弧线圈铁芯绕仪表线圈，在接地端串联30Ω电阻器。动模发电机额定容量30 kV·A，额定电压为400 V、额定电流43.3 A，定子绕组每相对地电容0.038 1μF，转速可达1 000 r·min-1，频率50 Hz。

为了促使定子绕组对地回路的总电容、中性点消弧线圈阻抗与动模发电机近似，消弧线圈按电压设计为18 kV，试验设备包含动模发电机、消弧线圈、保护装置和电源装置，主要参数为额定容量104 kV·A、系统电压18 kV、额定电压10 392 V、额定电流10 A、与仪表线圈的匝数比为100、电流互感器变比为25 A/5 A。消弧线圈除了有仪表线圈外，自带电流互感器，在进行试验的过程中接地端串联26Ω的电阻器，与30Ω的限制相差不大。

试验接线步骤如下。

针对保护装置测量的20 Hz电压、电流做相角校正，保证相角测量正确；进行实验设备接线，将发电机中性点对地短接，将电阻二次值R和电抗二次值X进行读数，将R+jX作为补偿定值代入保护装置；退出补偿试验后，保护装置复位到导纳计算状态，在中性点设置2 000Ω接地电阻，读出电阻二次值R，极端出电阻折算系数后填入保护装置定值单；当发电机处于静止状态时，试验多个过渡电阻值的定子接地故障，记录电压、电流和过渡电阻值；启动发电机，在空载运行条件下试验过渡电阻值定子接地故障。常规方案试验步骤与新方案试验步骤大致相同[6]。

3.2 常规方案的试验结果

在发电机处于静止状态，试验结果、误差最大已经超过50%，详见表1。

表1 常规方案应用时静止状态下定子接地故障试验结果

在空载运行状态下，接地故障分别发生在定子绕组距中性点10%、20%、90%处以及发电机机端。故障发生过程中，保护计算的过渡电阻值相差幅度较大，结果处于持续波动的不稳定状态。

3.3 新方案的试验结果

静止状态下的试验结果，见表2。

表2 新方案应用时发电机静止状态下机端发生定子接地故障试验结果

和常规方案相比，应用大型水轮发电机消弧线圈接地方式下的注入式定子接地保护新方案时，保护能测出接地故障最大过渡电阻由5.6 kΩ提升到20 kΩ，测量误差在±6%以内，保护计算结果相对更准确。

3.4 试验结果

当发电机处于静止状态下，20 Hz电压有效值与20 Hz电流有效值，随着过渡电阻变化而产生变化的程度，在两种方案中的实验结果均较小。

从新方案看，相角所产生的差变化，比常规方案中相角所产生的差变化大，尤其在过渡电阻较大时，常规方案中相角所产生的差几乎并未变化，充分验证在上文提及的常规方案存在的局限性。一旦被测信号中故障特征的量变明显，保护装置采集到的信号能充分体现出故障、无故障间的区别，进而准确推导出过渡电阻，这是常规方案中测量过渡电阻范围较小的根本原因。

在常规方案中，计算过渡电阻存在一定程度波动性，但对新方案来讲，这种波动性的产生概率较小，这种现象是由常规方案的局限性造成的，20 Hz信号特征伴随过渡电阻的变化而变化并不明显，容易造成过渡电阻计算结果被信号扰动的概率逐渐增加。

发电机处于空载运行状态时，模拟定子绕组不同位置的接地故障，注入式定子接地保护测量的电阻数值并不会被模拟的故障位置所影响，也可以认定不同接地位置的计算数值并不一定反馈出的是波动的计算结果。根据过渡电阻测量值进行计算，通过常规方案得出的结果是：（7.831-4.396）/5.6×100%=61.3%，通过新方案得出的结果是：（18.97-16.38）/20×100%=12.9%。从两个过渡电阻测量值的计算结果看，表明发电机处于空载运行状态时，常规方案结果波动明显大于新方案结果波动[7]。

4 结束语

文章提出了大型水轮发电机消弧线圈接地方式下的注入式定子接地保护新方案，用来提升保护效果并克服大型水轮发电机定子绕组对地电容增大产生的困难，主要方式是在消弧线圈接地方式的大型发电机上从消弧线圈串接电阻两端注入信号，这种定子接地保护新方案匹配新的接线方法。在动模试验部分通过进行常规方案和新方案效果的对比，得出对比结果，从对比结果中可以了解到，新方案在常规方案的基础上，接地故障最大过渡电阻由5.6 kΩ提升到20 kΩ，测量误差在±6%以内，波动并不剧烈，波动不大，整体效果明显提升。该方案可以在大型水轮发电机技术改造时进行推广应用，并且可以在采用消弧线圈接地方式的大型发电机上进行投放使用。