发电机定子接地保护动作原因分析及防范措施

巨民尚，谌 峰

（中国电建集团江西省电力建设有限公司，江西 南昌 330009）

1 引言

发电机定子及直连母线绝缘破坏或其他原因引起定子接地故障较为普遍，当故障发生后不及时采取措施，将会造成更严重的定子绝缘破坏或定子铁心灼伤。定子接地保护能有效切除接地故障，杜绝事故进一步扩大。目前，发电机定子接地保护主要有①外接开口三角电压的95%定子接地保护，②开口三角电压与三次谐波电压构成的100%定子接地保护，③外加信号源的注入式定子接地保护，④电流量的零流保护及其他后备保护[1，2]。

本文所述电厂采用了基波零序电压和3次谐波电压的100%定子接地保护，由于发电机定子直连厂用母线及公用母线，且发电机中性点经接地变接地，零流方向保护不能明显起到保护作用，母线及支路接地保护的选择性也不高，故母线及支路接地往往会引起发电机定子接地保护动作，保护无选择性跳停机组。

零流保护选择性较高，发电机、厂用母线及公用母线分支一般都予以配置，但该保护的整定值需躲过发电机及其连接母线本身的对地电容量影响，定值整定困难[3]。本文所述电厂中发电机母线上连接部件较多，其分布电容对零流保护灵敏度影响非常大。如果发电机中性点经电阻直接接地，则故障时接地电流较大，零流方向保护也可以实现保护的选择性，但发电机中性点经电阻直接接地会人为增大接地故障电流，这对发电机定子铁心不利，属不理想定子接地保护方案[4]。本文所述电厂投入了发电机低电压保护，将机端低电压保护作为定子接地保护的后备保护。

基于该电厂设备一次接线结构，以上保护都不能很好起到切除瞬间、局部故障作用，避免事故地进一步扩大。针对以上问题，本电厂采取了相应的防范措施，增加了一套接地消弧消谐装置，有效地弥补了原接地保护的不足，提高了接地保护的可靠性和选择性。

2 设备参数表及系统图

（1）发电机参数表

表1 发电机参数

（2）发电机定子接地保护配置定值表

表2 发电机定子接地保护配置定值

（3）电厂主接线图

图1 电厂主接线

3 定子接地保护动作原因分析

电厂总装机为2×30 MW，两台机于2021年2月4日全部投产发电，自投入生产运行以来，机组因10 kV接地故障多次跳停，其主要原因有以下几点：

（1）发电机定子为直连10 kV母线的主接线结构，电厂配置的接地保护单一，多次无选择性跳停机组。

（2）电厂配置的接地保护不能很好地切除瞬间接地故障，避免事故地发生。

（3）电厂配置的接地保护可靠性不高，有可能会出现保护拒动现象，进一步使事故扩大。

4 防范措施

4.1 防范措施及设备参数

针对该电厂多次因接地故障跳停机组的现象，在确定具体接地故障原因后，电厂果断采取了防范措施，增设了一套接地消弧消谐装置，装置设备并接在发电机直连的10 kV母线侧，接地消弧消谐设备及装置、接线系统图如下。

图2 接地消弧消谐装置系统接线

表3 电抗器参数

表4 接地变参数

4.2 防范措施设备的特点和功能

增设的接地消弧消谐成套组合装置为上海思源光电公司XHK-Ⅳ型装置，该装置带有接地选线功能，可与10 kV母线的零流保护配合使用，可设置该装置接地选线电流值小于10 kV各分支的零流定值，一般设定选线延时大于零流延时，便于装置快速补偿选线回路电流。

另外，XHK-Ⅳ型接地消弧消谐装置可选配24路出线接地选线功能，选线方式可选择综合选线法或者并联中电阻选线法。并联中电阻选线法是采用接地时在消弧线圈两端瞬间投切并联电阻的方法，瞬时向接地点注入电流有功分量，使接地点的电流幅值和相位都有很明显的变化，接地选线的准确率达100%。

XHK-Ⅳ型接地消弧消谐装置充分考虑到系统的安全性，一次设备采用调匝式消弧线圈，在系统出线故障时，相应闭锁消弧线圈有载开关，装置补偿感性电流不需二次设备来维持，其系统运行安全可靠。另外，XHK-Ⅳ型接地消弧消谐装置安装了阻尼电阻，可以在全范围调节时避免出线谐振过电压。

XHK-Ⅳ型接地消弧消谐装置在调节消弧线圈补偿电流时判断依据指标是脱谐度和残流值，设备投运前预先将脱谐度和接地残流值设定为某一个范围，当系统脱谐度和残流值超出此范围时，装置控制器发出指令，调整消弧线圈档位，使得调整后的脱谐度和接地残流满足要求。

XHK-Ⅳ型接地消弧消谐装置采用的独特选线法克服了对高阻接地选线不准的缺点，也克服了残流增量法接地后调整消弧线圈缺点，装置可以对金属接地、高阻接地、母线接地进行准确选线，对非常难以判断的出线也可以准确选线，选线准确率较高。

电厂增设的接地消弧消谐装置采用并联中电阻选线方式，既有预调式消弧线圈补偿速度快优点，也有电阻接地选线方式准确的优点，在确保电阻接地方式可以准确选线的同时，也减少了接地点残流，预调式补偿方式的消弧线圈还限制了弧光接地过电压，确保对瞬时性接地进行有效补偿和对永久性接地故障准确选线，必要时可以跳闸。

另外，XHK-Ⅳ型接地消弧消谐装置装设阻尼电阻后，可以限制当系统发生串联谐振时中性点的位移电压值小于15%相电压值，维持系统的正常运行，防止产生过电压。当系统发生单相接地时，中性点流过很大电流，这时须将阻尼电阻短接。

该电厂XHK-Ⅳ型接地消弧消谐装置投运后系统参数见表5。

表5 XHK-Ⅳ型接地消弧消谐装置参数

从投入运行后接地消弧消谐装置参数值来看，系统容性电流较大，这与整个10 kV系统的网络结构参数有关。装置中点电压和中点电流值正常，残流和脱谐度基本符合设计要求。

该电厂在接地消弧消谐装置投入运行近半年以来，继电保护系统未发生接地报警现象，机组已连续安全运行超6个月。

5 结语

定子接地保护在未采取措施前其可靠性和选择性不高，不管是瞬时性接地还是可以补偿接地电流的接地，机组都会跳闸停机，接地故障对机组连续生产运行已造成严重影响， 厂方在对接线结构、具体保护故障深入分析后，有力地采取了防范措施，确保了机组长期运行的安全性和稳定性。

另外，本文实例电厂采取的措施是增加一套接地消弧消谐成套组合设备，显著提高了接地保护动作特性，消弧消谐成套组合设备还完善了原有零流保护的选择性和可靠性功能，确保对瞬时性接地故障进行有效补偿和对永久性接地故障准确选择选线跳闸。