王 昕，李乃永，蘇 欣，張國輝，孫運濤，劉學思，趙 峰

(1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250002；2.國網山東省電力公司，山東 濟南 250002；3.國網山東濟南供電公司，山東 濟南 250002；4.華能國際電力股份有限公司德州電廠，山東 德州 253024；5.華能威海發(fā)電有限責任公司，山東 威海 264205)

消弧線圈接地機組的定子基波零序電壓保護誤動分析

王 昕1，李乃永2，蘇 欣3，張國輝1，孫運濤1，劉學思4，趙 峰5

(1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250002；2.國網山東省電力公司，山東 濟南 250002；3.國網山東濟南供電公司，山東 濟南 250002；4.華能國際電力股份有限公司德州電廠，山東 德州 253024；5.華能威海發(fā)電有限責任公司，山東 威海 264205)

為了分析傳遞電壓對機組定子接地保護的影響，以消弧線圈接地機組的定子接地保護誤動為例，分析了傳遞電壓自由振蕩過程，得出傳遞電壓延時衰減特性是導致保護誤動的主要原因。通過對傳遞電壓特征頻率的研究，提出了一種快速判別機組補償方式的方法，并通過PACAD仿真進行了驗證。針對定子接地保護誤動原因，完善了保護的傳遞電壓閉鎖邏輯，實現了在不犧牲保護快速性及靈敏性的前提下消除了傳遞電壓的影響。實踐證明，采取措施以后效果良好。

零序電壓；定子接地；定值計算；消弧線圈；仿真；發(fā)電機保護

0 引言

發(fā)電機定子接地保護的快速動作對遏制發(fā)電機電氣故障的發(fā)展起著重要作用。近年，某電網多次發(fā)生由系統(tǒng)接地故障引起的消弧線圈接地機組定子接地保護誤動事件，電廠內的多臺機組同時受到影響，甚至有導致多臺機組同時跳閘的危險，嚴重威脅到電網的安全運行。本文通過對一起經消弧線圈接地機組定子接地保護誤動事件的分析，闡明了傳遞電壓自由振蕩過程對定子接地保護的影響，用PSCAD仿真對分析結果進行了仿真驗證，并提出了針對性的建議，對保障機組和電網安全穩(wěn)定運行具有實際意義。

1 事故簡介

某火力發(fā)電廠，多臺機組采用經消弧線圈接地方式運行，單機額定功率均為300 MW，機組采用單元接線，通過220 kV升壓站聯(lián)入系統(tǒng)。機組保護采用國產發(fā)變組保護裝置，配置的基波零序電壓定子接地保護均采用防傳遞電壓閉鎖邏輯。

1號機組在正常運行中突然跳機，經檢查一次設備未發(fā)現異常，錄波數據顯示(如圖1所示)1號發(fā)電機出現較大幅值零序電壓，導致定子接地保護動作跳機。2號機組在1號機組跳機同時也出現了零序電壓，但因幅值未達到保護動作定值，定子接地保護未動作。本次事件險些造成多臺機組誤動的電網事故。

圖1 1號機組故障錄波圖Fig. 1 Fault recorder wave form of 1 unit

2 事故分析

2.1 故障錄波分析

如圖1故障錄波所示，220 kV系統(tǒng)側出現較大零序電壓，由此可推斷系統(tǒng)發(fā)生了接地故障，又因220 kV系統(tǒng)與發(fā)電機零序電壓同時刻出現，可初步判斷機組定子接地保護動作是由于系統(tǒng)發(fā)生接地故障所導致。

根據以往保護誤動統(tǒng)計及事故處理經驗，系統(tǒng)接地故障可以引起發(fā)電機零序電壓異常的原因主要有機組PT回路多點接地和傳遞電壓兩種原因。因此，分析工作主要從這兩個方向進行。

圖2所示波形為，系統(tǒng)故障時，因發(fā)電機PT二次回路多點接地，故障電流竄入PT二次回路后引起零序電壓異常的典型波形。其波形特點為電氣量頻率為工頻50 Hz，且發(fā)電機受干擾零序電壓隨一次故障的消失而立即消失[1-2]。從圖1可知，系統(tǒng)故障時發(fā)電機與系統(tǒng)側的零序電壓并不是同時消失，發(fā)電機零序電壓在一次故障消失后繼續(xù)存在，且逐步衰減，并且由故障錄波數據測得機端零序電壓在衰減過程中其頻率為47 Hz左右，并不為工頻50 Hz。

因此，根據以上分析，可以基本排除PT回路多點接地導致發(fā)電機零序電壓異常的原因，進而可以初步斷定，本次誤動由傳遞電壓導致的可能性較大。

2.2 保護誤動分析

機組系統(tǒng)側發(fā)生接地短路時，零序電壓將通過變壓器高、低壓繞組間的耦合電容傳遞到發(fā)電機側，傳遞電壓計算模型如圖3所示[3]。

圖2 PT回路多點接地產生的零序電壓錄波Fig. 2 3U0 waveform caused by multi-ground in PT secondary loop

圖3 計算傳遞電壓的近似簡化電路Fig. 3 Schematic diagram of transitive voltage calculation

其中，E0為變壓器高壓側接地故障產生的零序電壓；C1為主變高低壓繞組間的等效耦合電容；C2為發(fā)電機系統(tǒng)對地單相等效電容，包括發(fā)電機、變壓器繞組等電氣設備的對地電容；L1和R分別為發(fā)電機中性點消弧線圈的等效電感和電阻，電壓表V處測得電壓U0為發(fā)電機端傳遞零序電壓。

1號機組發(fā)變組保護裝置的零序基波電壓定子接地保護配置有防傳遞電壓閉鎖邏輯。在系統(tǒng)故障時，傳遞電壓可能導致定子接地保護誤動的情況下，定子接地保護將被閉鎖，以防止誤動發(fā)生。但為何保護采取了防誤動措施后，定子接地保護仍然會誤動？

RCS-985裝置的定子接地保護鎖邏輯如圖4所示，保護用系統(tǒng)側3U0電壓來檢測系統(tǒng)有無接地故障，當有接地故障時裝置將閉鎖定子接地保護功能；當系統(tǒng)故障消失后裝置則立即開放定子接地保護。從圖1故障錄波圖中得知，系統(tǒng)發(fā)生接地故障，產生3U0電壓，這時定子接地保護應被閉鎖。當系統(tǒng)接地故障切除后，系統(tǒng)3U0消失，但是發(fā)電機3U0電壓幅值依然存在，此時定子接地保護已處于開放狀態(tài)，當3U0的幅值及持續(xù)時間大于保護定值時，定子接地保護誤動跳機，顯然閉鎖邏輯沒有考慮傳遞電壓的這種延時衰減特性。

圖4 定子接地保護邏輯Fig. 4 Logic of stator earth fault protection

3 傳遞電壓特征分析

3.1 系統(tǒng)接地到切除的過程分析

圖3所示等效電路中，如果忽略電路中的電阻，發(fā)電機系統(tǒng)可等效為消弧線圈L1與發(fā)電機對地等效電容C2并聯(lián)后再與升壓變等效耦合電容C1串聯(lián)而形成的電路，如圖3電路a-b端口左邊部分所示。當系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，如同在電路a-b端接入交流電壓源E0，電壓源的幅值等于系統(tǒng)接地故障時的零序電壓，其頻率為50 Hz。此時，發(fā)電機機端的傳遞電壓是機組固有特征頻率(圖1 a-b端左邊部分電路)與接地零序電壓頻率(圖1 a-b端右部分電路)形成的混頻波形，混頻電壓幅值計算可參考文獻[4]，傳遞電壓頻率可用公式(1)計算。

式中：f為傳遞電壓頻率；f1為圖1 a、b端左部分電路的固有特征頻率；f2為系統(tǒng)側零序電壓E0頻率。

3.2 機組跳機后的過程分析

定子接地保護將機組斷路器跳開后，發(fā)電機不再與系統(tǒng)相聯(lián)，升壓變等效耦合電容C1分支處于開路狀態(tài)而不起作用，這時機組參數等效電路變?yōu)橄【€圈L1與發(fā)電機對地等效電容C2并聯(lián)電路，如圖3 c-b端口左側電路所示。此時的傳遞電壓頻率主要取決于L1與C2并聯(lián)回路的特征頻率。

由圖1所示，當系統(tǒng)接地故障切除后，E0電壓源作用消失，因LC電路自由振蕩的特點，發(fā)電機傳遞電壓并沒有隨系統(tǒng)接地故障的切除而消失，而是進入自由振蕩狀態(tài)并逐步衰減，這就是導致定子接地保護傳遞電壓閉鎖邏輯失效引起誤動的主要原因。

3.3 發(fā)電機消弧線圈補償方式診斷

采用單元接線消弧線圈接地的發(fā)電機應采用欠補償運行方式[5]。機組在過補償方式下運行時傳遞電壓系數將大于1，甚至趨于無窮大，系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，傳遞電壓輕者將導致定子接地保護誤動，重者將威脅發(fā)電機絕緣安全[3]。

在不知發(fā)電機一次參數的情況下，可利用LC電路分析理論和機組跳機后傳遞電壓頻率特征來定性判斷發(fā)電機消弧線圈的補償方式。

當定子接地保護誤動跳機后，利用故障錄波數據可測得跳機后傳遞電壓自由振蕩的特征頻率，并由并聯(lián)諧振電路特性分析可知，當電路工作頻率大于電路固有的特征頻率時電路呈容性，反之電路呈感性。因此，通過比較機組在跳閘后傳遞電壓的特征頻率可以快捷的判斷發(fā)電機消弧線圈的補償方式，電路呈容性即可定性推斷發(fā)電機消弧線圈處于欠補償狀態(tài)，呈感性處于過補償狀態(tài)。

在本次誤動事件中，由故障錄圖2測得，機組斷路器跳開后傳遞電壓特征頻率為47 Hz左右，因為機組正常運行或接地故障時的電氣量頻率為50 Hz，即工作頻率為50 Hz，大于等效并聯(lián)電路的特征頻率，因此確定電路呈容性，可定性判斷該機組消弧線圈處于欠補償運行方式。

在實際的定子接地保護誤動分析中，發(fā)現部分發(fā)電機的消弧線圈處于過補償狀態(tài)，在系統(tǒng)單相接地時發(fā)電機機端出現了較高幅值的傳遞電壓，這也是導致定子接地保護誤動的主要原因之一。

4 傳遞電壓計算與仿真

以本次誤動事件為例進行仿真計算，主要電氣實測參數為：發(fā)電機中性點消弧線圈電感L116.31H；發(fā)電機系統(tǒng)單相對地電容C20.232 uF，升壓變(242/20 kV，360 MVA)高低壓繞組單相等效耦合電容C10.008 uF，高壓側中性點不接地。

圖3所示等效電路的固有特征頻率計算如下，為簡化計算,忽略電路中的電阻參數。

式中：Z為電路的等效阻抗為角頻率。

令分子、分母為零，電路特征頻率為

將參數代入式(3)，計算電路特征頻率為46.46 Hz，用式(1)計算故障期間傳遞電壓頻率為48.32 Hz，計算頻率與圖1傳遞電壓頻率48.64 Hz基本一致。

根據發(fā)電機實測參數，計算發(fā)電機機端發(fā)生單相接地時補償電感電流IL、接地電容電流IC。

式中，UL為發(fā)電機線電壓 20 kV，如再考慮消弧線圈中電阻，實際補償電流將小于計算值。根據計算結果確定，發(fā)電機消弧線圈處于欠補償方式，與用傳遞電壓振蕩頻率進行的判定結果一致。

利用PSCAD軟件對電路進行數字仿真，圖5為系統(tǒng)側零序電壓與發(fā)電機傳遞過電壓的仿真波形。如圖所示，故障期間傳遞電壓頻率為48.87 Hz，傳遞電壓特征與圖1所示故障錄波基本一致。

圖5 傳遞電壓仿真波形Fig. 5 Waveform of transitive voltage simulation

5 建議

5.1 正確選擇消弧線圈檔位

1) 機組調試時應驗證消弧線圈檔位的正確性

在基建調試階段應對消弧線圈的補償效果進行測試，對于單元接線的機組，應確保消弧線圈工作在欠補償方式，經補償后如發(fā)電機接地故障的容性電流小于規(guī)程規(guī)定值，可不跳閘停機，宜將定子接地保護投報警[5]。

2) 機組投運后禁止隨意調節(jié)消弧線圈檔位

經消弧線圈接地的發(fā)電機在正常運行中，容易出現三相電壓不平衡現象，并伴隨零序電壓出現，為消除該現象，部分電廠隨意調節(jié)消弧線圈分接頭，極易導致消弧線圈工作在錯誤的補償方式下，引起傳遞電壓過高現象[6-8]。

3) 定子保護誤動后應對補償方式進行判別

發(fā)電機定子接地保護誤動后，在不確定一次設備參數的情況下可利用故障錄波數據確定傳遞電壓自由振蕩頻率，對消弧線圈的補償方式進行定性判斷，確保消弧線圈在正確的補償方式下工作。

5.2 定子接地保護邏輯完善

目前，國內機組保護普遍采用圖4所示的傳遞電壓閉鎖邏輯。當系統(tǒng)發(fā)生接地故障并消除后，因傳遞電壓自由振蕩、延時衰減的特性，閉鎖邏輯無法防止定子接地保護誤動，因此定子接地保護在整定時仍然按照電壓、延時定值躲過傳遞電壓而整定[9]。而實際傳遞電壓幅值較高，根據故障錄波數據統(tǒng)計，發(fā)電機機端PT開口三角繞組測得的傳遞電壓的有效值可達40V至50V，如要將定子接地保護的電壓定值與傳遞電壓進行配合，必定縮減了接地保護的保護范圍，犧牲了保護的動作靈敏性；如將保護動作時間與系統(tǒng)后備保護進行配合，這樣又犧牲了保護動作的快速性。

本文建議對系統(tǒng)零序電壓閉鎖增加延時開放邏輯。如圖6所示，在系統(tǒng)接地故障切除，系統(tǒng)零序電壓消失后，定子接地保護可整定t2延時開放，延時t2應確保能躲過傳遞電壓衰減過程。采用t2延時開放邏輯后，發(fā)電機定子接地保護的電壓定值整定時可不必考慮傳遞電壓的影響，延時按照正常延時t1整定。

當發(fā)電機定子接地時，保護可以按照短延時t1快速而靈敏地切除故障；當系統(tǒng)接地，在故障切除后，定子接地保護將經t2延時開放，以躲過傳遞電壓延時衰減特性的影響。采取該措施以后效果良好，有效防止了傳遞電壓的影響。

圖6 定子接地保護邏輯Fig. 6 Logic of stator earth fault protection

6 結論

經消弧線圈接地單元接線的機組發(fā)生定子接地保護誤動時，應首先利用錄波數據對機組補償方式進行定性判別，確保機組在欠補償方式下運行。因為經消弧線圈接地機組的傳遞電壓具有混頻特性，在系統(tǒng)故障切除后傳遞電壓呈現自由振蕩狀態(tài)，幅值衰減過程較長，目前保護裝置普遍采用的系統(tǒng)零序電壓閉鎖判據未能有效防止基波零序電壓定子接地保護的誤動，在機組保護整定計算中應引起注意。

[1] 王昕, 劉世富, 王慶玉, 等. 電壓互感器二次短路引起發(fā)電機定子接地保護動作分析[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2013, 37(6): 130-133. WANG Xin, LIU Shifu, WANG Qingyu, et al. Analysis on stator ground fault protection trip caused by ground fault in voltage transformer circuit[J]. Automation of Electric Power Systems, 2013, 37(6): 130-133.

[2] 蘇治, 韓廣瑞, 潘向華, 等. 接地故障電流入侵差動保護導致其誤動作的實例分析[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2014, 42(20): 135-139. SU Zhi, HAN Guangrui, PAN Xianghua, et al. Analysis of differential protection malfunction caused by earth current invasion[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(20): 135-139.

[3] 王維儉. 電氣主設備繼電保護原理與應用[M]. 2版. 北京: 中國電力出版社, 2002.

[4] 催家佩, 孟慶炎, 陳永芳, 等. 電力系統(tǒng)繼電保護與安全自動裝置整定計算[M]. 北京: 中國電力出版社, 1993.

[5] 水力電力部西北電力設計院. 電力工程電氣設計手冊(電氣一次部分)[M]. 北京: 中國電力出版社, 1989.

[6] 賈晨曦, 楊龍月, 杜貴府. 全電流補償消弧線圈關鍵技術綜述[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015, 43(9): 145-154. JIA Chenxi, YANG Longyue, DU Guifu. Review of key technologies on full current compensation arc suppression coil[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(9): 145-154.

[7] 王玘, 何正友, 張姝. 基于零序電荷-零序電壓關系的諧振接地系統(tǒng)單相接地故障特征分析[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2013, 41(11): 18-24. WANG Qi, HE Zhengyou, ZHANG Shu. Characteristics analysis of single-phase ground fault in resonant grounding system based on zero-sequence charge-voltage relationship[J]. Power System Protection and Control, 2013, 41(11): 18-24.

[8] 李濤, 苗曉鵬, 李曉波. 基于恒定零序電壓幅值的消弧線圈調諧新方法[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2014, 42(9): 86-90. LI Tao, MIAO Xiaopeng, LI Xiaobo. A new tuning method of arc suppression coil based on the constant zero-sequence voltage amplitude[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(9): 86-90.

[9] 電力行業(yè)繼電保護標準化技術委員. DL/T 684-2012大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算導則[S]. 北京:中國電力出版社, 2012.

(編輯 張愛琴)

Analysis on earth fault protection malfunction of generator with arc suppression coil grounding

WANG Xin1, LI Naiyong2, SU Xin3, ZHANG Guohui1, SUN Yuntao1, LIU Xuesi4, ZHAO Feng5
(1. Shandong Electric Power Research Institute, Jinan 250002, China; 2. Shandong Electric Power Company, Jinan 250002, China; 3. Jinan Power Supply Company, Jinan 250002, China; 4. HUANENG Dezhou Power Plant, Dezhou 253024, China; 5. HUANENG Weihai Power Plant, Weihai 264205, China)

By the case study on the protection malfunction of the unit with a neutral arc suppression coil grounding, the influence of transitive voltage on the stator earth fault protection is analyzed. The free oscillation of the transitive voltage is the main cause of the malfunction. By analyzing the characteristic frequency of the transitive voltage, a convenient method of estimation of compensation mode for the unit is proposed, which is proved by PSCAD simulation. As for the malfunction of the stator earth fault protection, the protection blocking logic is improved. The influence of transitive voltage is eliminated without sacrificing the rapidity and sensitivity of the protection. Practical application shows that it is effective by adoptinstre proposed measure.

zero sequence voltage; stator earth fault; protection setting; arc suppression coil; simulation; unit protection

10.7667/PSPC150939

2015-06-05

王 昕(1977-)，男，通信作者，碩士研究生，高工，研究方向為繼電保護；E-mail: 13864116877@139.com

李乃永(1980-)，男，博士研究生，高工，研究方向為繼電保護、新能源；

張國輝(1977 -)，男，碩士研究生，高工，研究方向為繼電保護。