蔡朝輝，賀儒飛

(廣州蓄能水電廠，廣東 廣州 510000)

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低頻三次諧波電壓對注入式定子接地保護(hù)的影響

蔡朝輝，賀儒飛

(廣州蓄能水電廠，廣東 廣州 510000)

根據(jù)廣州蓄能水電廠注入式定子接地保護(hù)在電氣制動過程發(fā)生誤動的現(xiàn)象，分析了發(fā)電機(jī)電氣制動工況下，定子中性點三次諧波電壓對注入式定子接地保護(hù)算法的影響，并研究導(dǎo)致保護(hù)誤動的動作條件。同時，提出了優(yōu)化保護(hù)邏輯的解決方法，以防止保護(hù)誤動，提高保護(hù)的可靠性。

發(fā)電機(jī)；定子接地保護(hù)；三次諧波電壓；注入式；保護(hù)誤動

注入式定子接地保護(hù)與發(fā)電機(jī)繞組的接地故障位置無關(guān)，能夠反映整個定子繞組的絕緣水平，在大型發(fā)電機(jī)接地保護(hù)中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。自其投入應(yīng)用以來，曾發(fā)生過一些問題，如注入電源頻率、內(nèi)阻改變對保護(hù)靈敏度的影響，機(jī)組在20Hz附近頻段運(yùn)行對保護(hù)的干擾[1，3-4]等，這些問題現(xiàn)已得到有效解決。本文要探討的是發(fā)電機(jī)中性點三次諧波電壓對注入式接地保護(hù)造成影響的新問題，提到三次諧波電壓，往往關(guān)注的是利用其構(gòu)成另一種原理的100%定子接地保護(hù)，不會關(guān)聯(lián)到注入式定子接地保護(hù)。本文通過廣州蓄能水電廠注入式定子接地保護(hù)在電氣制動過程中誤動原因的分析，發(fā)現(xiàn)了低頻三次諧波電壓影響注入式定子接地保護(hù)的現(xiàn)象，并研究其動作機(jī)理，提出了防誤措施。

1　注入式定子接地保護(hù)原理

注入式定子接地保護(hù)是在發(fā)電機(jī)定子回路與大地間外加一個電源信號，保護(hù)類型可分為外加直流型、外加12.5Hz交流電源型、外加20Hz交流電源型和外加二次諧波分量型。因為電源信號是外加的，不受接地位置影響，且在發(fā)電機(jī)靜止、啟動、停止和運(yùn)行過程中均起保護(hù)作用，更重要的是這種保護(hù)方式對定子繞組各處故障檢測的靈敏度相同，可以實時監(jiān)測定子絕緣，優(yōu)點非常突出[2，5]。以廣州蓄能水電廠為例，經(jīng)發(fā)電機(jī)中性點變壓器注入20Hz電源型的定子接地保護(hù)原理如圖1所示。

n為接地變壓器變比，；400/5為電流互感器變比；500/200為電阻式電壓互感器變比；Rn為接地變壓器二次側(cè)電阻，Rn=1.15 Ω；U64s為定子接地保護(hù)裝置電壓采樣值；I64s為定子接地保護(hù)裝置電流采樣值；P345為施耐德保護(hù)裝置。圖1　注入式定子接地保護(hù)原理

20Hz外加電源經(jīng)濾波器加于配電變壓器的二次側(cè)，通過變壓器變換到定子回路。正常運(yùn)行時發(fā)電機(jī)三相對地只有很小的電容電流。當(dāng)定子繞組發(fā)生接地故障時，零序阻抗大大減小，外加電源產(chǎn)生較大的20Hz零序電流，保護(hù)裝置檢測注入的低頻電壓、電流，計算出接地故障的過渡電阻值，可以反應(yīng)發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障，使保護(hù)動作。

2　廣州蓄能水電廠注入式定子接地保護(hù)誤動實例

廣州蓄能水電廠發(fā)電機(jī)注入式定子接地保護(hù)采用Siemens的20Hz電源發(fā)生裝置7XT33和濾波裝置7XT34，機(jī)組保護(hù)采用施耐德保護(hù)裝置P345，設(shè)定兩段接地電阻值，高定值段5kΩ延時5.0s作用于報警，低定值段1kΩ延時0.5s作用于跳閘。

圖2　注入式定子接地保護(hù)動作錄波

發(fā)電機(jī)電氣制動過程中曾出現(xiàn)定子接地保護(hù)誤動導(dǎo)致機(jī)組跳閘，保護(hù)動作錄波如圖2所示。

當(dāng)定子電流頻率降低至約6.68Hz時，機(jī)端定子三相電壓幅值、相位相等，可判斷為三次諧波電壓，且頻率與注入式電源頻率一致，均為20Hz，其對應(yīng)的波長為50ms。保護(hù)裝置電壓采樣值U64s降低至0.796V，電流采樣值I64s增大至15mA，I64s超前U64s波長約6.236ms。保護(hù)誤動時發(fā)電機(jī)定子接地電阻值的計算如式(1)至(5)所示，其中Rpri為接地故障過渡電阻一次值，Rsec為保護(hù)裝置計算電阻值。

保護(hù)裝置電阻比率

(1)

I64s超前U64s相位

(2)

電阻性電流

(3)

保護(hù)裝置計算電阻值

(4)

接地故障過渡電阻一次值

(5)

Rpri小于1 kΩ，延時0.5 s保護(hù)動作。根據(jù)錄波圖和計算結(jié)果分析，可能是電氣制動過程中，頻率為20 Hz的三次諧波電壓通過配電變壓器疊加到注入式定子接地保護(hù)采樣回路，干擾保護(hù)裝置采樣，導(dǎo)致保護(hù)誤動。

3　低頻三次諧波電壓對注入式定子接地保護(hù)影響分析

3.1機(jī)組正常運(yùn)行過程

注入式定子接地保護(hù)等效電路[6-8]如圖3所示，均折算到變壓器二次側(cè)。

R′pri為定子單相接地故障過渡電阻，；X′C為發(fā)電機(jī)對地容抗，X′C=7.16 Ω；Ri為外加20 Hz電源內(nèi)阻，Ri=8 Ω；i為外加20 Hz電源電動勢，i=25 V∠0°；64sp分別為接地變壓器二次側(cè)的電壓和電流；分別為折算到保護(hù)裝置中的值；330 Ω、660 Ω、660 Ω三個電阻用于將以500/200倍率轉(zhuǎn)換為保護(hù)裝置采樣值(參見西門子20 Hz濾波器7XT34說明書)，因其電阻值遠(yuǎn)大于Rn，在實際計算時可忽略不計。圖3　注入式定子接地保護(hù)等效電路

(6)

(7)

廣州蓄能水電廠300MW、18kV機(jī)組正常運(yùn)行時保護(hù)采樣值見表1。

表1廣州蓄能水電廠注入式定子接地保護(hù)正常采樣值

機(jī)組編號U·64s/VI·64s/mARpri/kΩθ/(°)11.284.838.884.721.356.826.884.531.164.387.687.741.134.636.495.2

3.2機(jī)組電氣制動過程

由于發(fā)電機(jī)氣隙中的主磁場非正弦分布，利用傅立葉級數(shù)可將非正弦磁場分解為基波和一系列諧波，諧波磁場將在定子繞組中感應(yīng)諧波電壓，主要含有幅值為額定電壓千分之幾到百分之十的三次諧波電壓，并可以等效看作集中在發(fā)電機(jī)中性點N和機(jī)端S[9]。

電氣制動時發(fā)電機(jī)機(jī)端三相短路，定子三相基波電壓為零，只存在三次諧波電壓，頻率為電流頻率三倍。從錄波圖已知機(jī)端確實存在三次諧波電壓，可推斷中性點也必然存在三次諧波電壓。

當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速下降至定子電流頻率為6.67Hz時，中性點三次諧波電壓頻率為20Hz。此三次諧波電壓通過配電變壓器疊加到保護(hù)裝置采樣回路，等效電路如圖4所示。

′N3為中性點三次諧波電壓；′64sp分別為在′N3單獨(dú)作用下產(chǎn)生的干擾電壓和電流；330 Ω、660 Ω、660 Ω三個電阻用于將′64sp以500/200倍率轉(zhuǎn)換為保護(hù)裝置采樣值(參見西門子20 Hz濾波器7XT34說明書)，因其電阻值遠(yuǎn)大于Rn，在實際計算時可忽略不計。圖4　中性點三次諧波電壓干擾等效電路

(10)

(11)

(12)

測量導(dǎo)納[6-8，10]

(14)

接地故障過渡電阻一次值Rpri及其動作判據(jù)如下：

(15)

即Re(Y)>0.433時保護(hù)動作，其中Re(Y)為Y的實部。

進(jìn)一步化簡可得動作判據(jù)如下：

(16)

(17)

表2導(dǎo)致保護(hù)動作三次諧波電壓取值范圍

α導(dǎo)致保護(hù)動作的U'N3取值范圍0°～130°U'N3取任意值,保護(hù)均不動作140°1.240V

綜上所述，發(fā)電機(jī)電氣制動過程中，當(dāng)定子電流頻率變化至三分之一注入式電源頻率時，中性點或機(jī)端三次諧波電壓頻率與注入式電源頻率相等，并通過中性點配電變壓器或機(jī)端電壓互感器疊加到保護(hù)測量回路中，干擾定子接地保護(hù)裝置采樣。但是只有三次諧波電壓在一定幅值和相位時，才會造成保護(hù)誤動，再加上保護(hù)出口有0.5s的延時，故此誤動現(xiàn)象在實際運(yùn)行過程中并不多見，沒有引起足夠的重視。

4　注入式定子接地保護(hù)防誤措施

由于注入式定子接地保護(hù)在機(jī)組電氣制動過程容易受干擾發(fā)生誤動，因此必須考慮有針對性的防誤措施。結(jié)合注入式定子接地保護(hù)功能邏輯以及機(jī)組啟停迅速的特點，可以從以下兩方面入手。

a)通過頻率閉鎖防止誤動。如對于頻率為20Hz的注入式電源，西門子采用10～40Hz頻段閉鎖，阿海琺采用15～25Hz頻段閉鎖，此頻段只是針對機(jī)組運(yùn)行在20Hz附近時，防止低頻基波對保護(hù)的干擾，但不能避免低頻三次諧波電壓的影響。因此可以將閉鎖頻段設(shè)為20%fn～130%fn(fn為注入式電源頻率，例如fn為20Hz時，閉鎖頻段為4～26Hz)，即能躲過低頻基波的干擾，又能躲過低頻三次諧波電壓的影響。

b)通過外部條件實現(xiàn)閉鎖。電氣制動過程均只有幾分鐘時間，在短時間內(nèi)發(fā)生定子接地故障可能性極小，且接地故障對機(jī)組影響不大。另外機(jī)組保護(hù)是雙套配置的，另外一套保護(hù)如95% 接地保護(hù)仍能為定子提供接地保護(hù)，所以可以在電氣制動過程將注入式定子接地保護(hù)跳閘出口閉鎖。利用電氣制動刀閘位置接點作為外部條件參與保護(hù)邏輯控制，保護(hù)邏輯如圖5所示。當(dāng)電氣制動刀打開，即機(jī)組不在電氣制動過程時，定子接地保護(hù)動作即能正常出口跳閘；而當(dāng)電氣制動刀合閘，即機(jī)組在電氣制動過程時，閉鎖定子接地保護(hù)動作出口跳閘，有效避免保護(hù)在電氣制動過程誤動。

圖5　注入式定子接地保護(hù)優(yōu)化邏輯

5　結(jié)論與建議

發(fā)電機(jī)三次諧波電壓是發(fā)電機(jī)運(yùn)行時所固有的，其頻率隨基波頻率(即發(fā)電機(jī)運(yùn)行頻率)變化。電氣制動工況時，機(jī)組運(yùn)行頻率不斷下降，當(dāng)降至6.67Hz附近時，由于三次諧波電壓頻率為20Hz，恰好與注入源頻率相等，三次諧波電壓通過配電變壓器疊加到注入式定子接地保護(hù)回路中，對其電壓電流采樣造成影響。在特定幅值和相位的三次諧波電壓作用下，將造成接地保護(hù)誤動。對于經(jīng)機(jī)端互感器注入的定子接地保護(hù)，雖然沒有詳細(xì)討論，但結(jié)論同樣適用。

以往廠家采取的頻率閉鎖措施并不能避免低頻三次諧波電壓的影響，建議采用外部刀閘位置信號閉鎖邏輯，簡單實用，能有效避免保護(hù)在電氣制動過程中誤動，提高保護(hù)的可靠性。

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(編輯彭艷)

Influence of Low-frequency Third Harmonic Voltage on InjectionStatorEarthingFaultProtection

CAI Zhaohui, HE Rufei

(GuangzhouPumpedStoragePowerStation,Guangzhou,Guangdong510000,China)

AccordingtomisoperationofinjectionstatoreartchingfaultprotectionintheprocessofelectricbrakinginGuangzhoupumpedstoragepowerstation,thispaperanalyzesinfluenceofthethirdharmonicvoltageofstatorneutralpointonalgorithmforinjectionstatorearthingfaultprotectionundertheworkingconditionofgeneratorelectricbraking.Italsostudiesactionconditionscausingprotectionmisoperation.Meanwhile,itpresentssolutionstooptimizeprotectionlogicsoastopreventprotectionmisoperationandimproveprotectionreliability.

generator;statorearthingfaultprotection;thirdharmonicvoltage;injection;protectionmisopeartion

2016-03-09

2016-05-24

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.08.010

TM71；TM77

A

1007-290X(2016)08-0051-05

蔡朝輝(1987)，男，廣東廣州人。助理工程師，工學(xué)學(xué)士，主要從事抽水蓄能電廠電氣二次技術(shù)工作。

賀儒飛(1977)，男，重慶人。高級工程師，工學(xué)學(xué)士，主要從事抽水蓄能電廠電氣二次技術(shù)工作。