易　帥，胡　威，莫星福

（嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司，四川 蒼溪 628400）

亭子口水電站定子接地保護(hù)配置及原理介紹

易帥，胡威，莫星福

（嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司，四川 蒼溪 628400）

簡述了亭子口水電站大型發(fā)電機定子接地保護(hù)的基本配置情況，并詳細(xì)介紹了20 Hz低頻注入式、基波零序電壓和三次諧波電壓定子接地保護(hù)的原理以及它們在亭子口水電站的具體運用。

亭子口水電站；定子接地保護(hù)；低頻注入式；基波零序電壓；三次諧波電壓

0　前言

嘉陵江亭子口水利樞紐位于四川省廣元市蒼溪縣境內(nèi)的嘉陵江干流中游河段的上段，電站總裝機容量1100MW，主廠房安裝4臺單機容量為275MW的混流式水輪發(fā)電機,是川東北地區(qū)規(guī)模最大具有年調(diào)節(jié)的水電電源。

發(fā)電機定子繞組單相接地是比較常見的故障，如果沒有及時發(fā)現(xiàn)并消除可能引發(fā)發(fā)電機內(nèi)部的相間或者匝間短路，造成更嚴(yán)重的后果，因此，擁有及時檢測到發(fā)電機定子繞組接地故障的保護(hù)裝置顯得尤為重要。目前，基波零序電壓加三次諧波電壓構(gòu)成的100%定子接地保護(hù)得到廣泛的應(yīng)用，但基波零序電壓保護(hù)在中性點存在死區(qū)和傳統(tǒng)的三次諧波電壓保護(hù)容易誤動且靈敏度不高的缺陷很難對定子繞組進(jìn)行長期有效、可靠的保護(hù)。采用計算機技術(shù)實現(xiàn)的自適應(yīng)三次諧波原理的定子接地保護(hù)的性能有所提高，但仍需改進(jìn)和完善[1]。

從發(fā)電機中性點經(jīng)接地變壓器注入20Hz附加電壓，極大的提高了定子接地保護(hù)的可靠性，它不僅不受發(fā)電機故障位置和運行狀態(tài)的影響，而且還能單獨實現(xiàn)對整個定子繞組絕緣的保護(hù)，保護(hù)無死區(qū)。采用注入信號電壓和電流大小的方法，其整定值受發(fā)電機絕緣水平的影響較小，保護(hù)比較穩(wěn)定、完善，是一種比較理想的定子接地保護(hù)[2]。

1　亭子口水電站定子接地保護(hù)的配置

亭子口水電站發(fā)電機保護(hù)采用的是許繼WFB-801A微機保護(hù)裝置，采用A、B屏雙套配置，實現(xiàn)雙套主保護(hù)，雙套后備保護(hù)，A屏的定子接地保護(hù)是外加20Hz低頻交流電源，而B屏的定子接地保護(hù)是由基波加三次諧波構(gòu)成。由于基波零序電壓原理定子接地保護(hù)在發(fā)電機中性點存在死區(qū)，三次諧波電壓原理定子接地保護(hù)在運行中容易誤動，且在對地電容增加的情況下靈敏度不高，為保證發(fā)電機能夠及時檢測到定子接地故障，保護(hù)A柜采用20Hz注入式定子接地保護(hù)[3]。

2　20 Hz注入式定子接地保護(hù)

發(fā)電機外加20Hz電源定子單相接地保護(hù)可以保護(hù)包括發(fā)電機中性點在內(nèi)的整個定子繞組，保護(hù)靈敏度高，不受接地位置影響，保護(hù)無死區(qū)，可檢測定子絕緣的緩慢老化，且在機組起停、空載和并網(wǎng)運行等各種工況下都能可靠監(jiān)視定子繞組的絕緣情況[3]。

如圖1所示，發(fā)電機中性點經(jīng)過配電變壓器接地，配電變副邊并聯(lián)一接地電阻。外加20Hz低頻電源疊加在電阻上，通過配電變副邊耦合至一次側(cè)[3]。發(fā)電機定子繞組側(cè)絕緣正常時，計算出接地電阻為無窮大，一旦發(fā)生定子繞組單相接地故障或絕緣下降，電壓U、電流I均發(fā)生變化，從而可計算得到接地電阻值，動作于信號或者跳閘。

發(fā)電機中性點經(jīng)配電變接地，考慮配電變壓器參數(shù)的等效電路圖如圖2

圖1　20Hz注入式定子接地保護(hù)接線圖

圖2　考慮配電變壓器參數(shù)的T型等效電路

R'1，X'1，R2，X2分別是一、二次側(cè)繞組漏阻抗；R'm，X'm是激磁阻抗；各參數(shù)為20Hz下折算到二次側(cè)的值，其中漏阻抗R'1=R2=Rk/2，X'1=X2=Xk/2；Rk，Xk是配電變壓器的短路阻抗。圖2中，U˙為注入電源電勢在Rn上的分壓；I˙為流過配電變副邊繞組的電流；Rn為中性點配電變副邊并聯(lián)電阻；-jX'C為三相定子繞組側(cè)對地總的容抗，R'C為三相定子繞組側(cè)對地電容的等效串聯(lián)電阻，它是由發(fā)電機制造材料引起的一種介質(zhì)損耗；Rg為一次接地電阻[4]。

由圖2可以得到下面的一組方程：

由式（1）及圖2可得

保護(hù)測得的發(fā)電機電壓系統(tǒng)對地的電阻（即單相接地的過渡電阻）R 為：

其中，nv為配電變壓器的變比。

發(fā)電機20 Hz注入式定子接地保護(hù)的邏輯框圖如圖3所示。

當(dāng)接地故障電阻計算值低于電阻的高整定值時保護(hù)發(fā)告警信號，當(dāng)接地故障電阻計算值低于電阻的低整定值時保護(hù)動作于跳閘。另外設(shè)有工頻零序過流定子接地保護(hù)作為外加交流20Hz電源發(fā)電機定子單相接地保護(hù)的補充[5]。

由于保護(hù)測量阻抗對電流、電壓大小及相位比較敏感，接地阻抗越大，裝置阻抗越大，裝置電流采樣值越小，當(dāng)電流、電壓大小及相位發(fā)生微小波動時，將導(dǎo)致測量阻抗波動比較大。

圖3　20Hz注入式定子接地保護(hù)邏輯框圖

3　100%定子接地保護(hù)

基波零序電壓和三次諧波電壓共同完成100%定子接地故障的保護(hù)任務(wù)。由基波零序電壓保護(hù)發(fā)電機距機端95%范圍內(nèi)定子繞組單相接地故障（中性點附近有5%的死區(qū)）；三次諧波電壓保護(hù)發(fā)電機中性點附近定子繞組的單相接地。當(dāng)發(fā)電機定子繞組任一點發(fā)生單相接地時，該保護(hù)按要求的時限動作于跳閘或者信號。

3.1基波零序過電壓保護(hù)

基波零序電壓設(shè)高定值、低定值兩段保護(hù)。

低定值零序電壓原則上按躲過正常運行時中性點單相電壓互感器或者機端互感器開口三角繞組的最大不平衡基波零序電壓整定，工程應(yīng)用中整定值須躲過系統(tǒng)高壓側(cè)和廠變低壓側(cè)接地短路時傳遞到發(fā)電機側(cè)的最大零序不平衡電壓。保護(hù)經(jīng)延時動作于跳閘或者信號，延時時間大于高壓側(cè)接地后備保護(hù)最大延時時間。

高定值零序電壓一般整定為20～30 V，保護(hù)經(jīng)短延時動作于跳閘或者信號，延時時間一般整定0.5s。

3.2三次諧波定子接地保護(hù)

三次諧波動作判據(jù)為：

其中U˙3s和U˙3n分別為機端電壓互感器開口三角繞組和中性點電壓互感器輸出中的三次諧波分量；K'P為機端和中性點電壓互感器的變比調(diào)整系數(shù)，由用戶輸入的電壓互感器設(shè)備參數(shù)后保護(hù)裝置自動計算。K'、K"分別是方案1、2的諧波比系數(shù)，K˙P為向量系數(shù)。方案1分并網(wǎng)前、后兩套定值，根據(jù)機組并網(wǎng)前后裝置實測到的最大三次諧波電壓比分別整定，采用斷路器輔助接點自動切換定值，在機組運行時全程投入，方案2僅在機組并網(wǎng)后投入[6]。

3.3接地電阻值整定

接地電阻低定值整定按在距發(fā)電機中性點的20%以內(nèi)發(fā)生一點接地，接地故障點電流3I0不大于安全接地電流IS（大小為1 A）為原則。即：

式中Rg為接地過渡電阻，RN為中性點一次接地電阻值，Xco為每相對地的容抗。Ugn為發(fā)電機機端額定線電壓，Rg.set為接地電阻的整定值。

按照上式可計算出Rg.set。此處應(yīng)考慮發(fā)電機、主變低壓側(cè)、廠高變高壓側(cè)、機端電壓互感器以及封閉母線的絕緣水平。一般高定值取2 kΩ～10 kΩ；低定值一般取0.5 kΩ～5 kΩ。

低定值電阻接地延時，一般取0.5 s～2 s；高定值一般取2 s～5 s。

3.4基波零序電流整定

一般取保護(hù)范圍為發(fā)電機定子繞組的80%～90%，則當(dāng)偏移電壓達(dá)到全偏移電壓的α（10%～20%）時，保護(hù)必須動作，整定值為：

式中α一般可取為20%；K1為可靠系數(shù)，一般取1.1。

按上式算出的I50.set整定值，還需校驗I50.set值應(yīng)大于正常運行時中性點點位偏移引起的I50值，保證基波零序過流保護(hù)不誤動。

3.5基波零序電壓型定子接地啟動條件

當(dāng)機端或中性點基波零序電壓大于基波零序電壓低值（或高值）整定值時，啟動元件動作[6]。

3.6定子接地保護(hù)邏輯框圖[7]

圖4　定子接地保護(hù)邏輯框圖

4　結(jié)語

亭子口水電站發(fā)電機采用“基波零序電壓加三次諧波電壓”和20Hz注入式的定子接地保護(hù)構(gòu)成雙重化的100%定子接地保護(hù)，大大提高了定子接地保護(hù)的可靠性，兩種保護(hù)互相配合，其保護(hù)范圍可以覆蓋整個定子繞組，不受故障位置的影響，且不易誤動，靈敏度高，能夠有效的保護(hù)發(fā)電機定子繞組絕緣，自投產(chǎn)發(fā)電3年來良好的運行結(jié)果證明了該保護(hù)已成功應(yīng)用于亭子口電站。

[1]季克勤，房鑫炎.用外加電源式定子接地保護(hù)提高保護(hù)靈敏度的研究[J].繼電保護(hù)，2007，35（9）.

[2]王李東，陳偉，董鐘明.三峽右岸電站國產(chǎn)定子接地保護(hù)的應(yīng)用[J].水電站機電技術(shù)，2008，31（6）.

[3]駱佳勇，李光耀.溪洛渡水電站發(fā)電機定子接地保護(hù)配置及原理介紹[J].水電廠自動化，2012，33（4）.

[4]郭寶甫，陳海龍，畢大強，等.外加20Hz電源定子接地保護(hù)在三峽右岸水電機組上的應(yīng)用[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2011，35（2）.

[5]弓小亮.積石峽水電站外加20Hz定子接地保護(hù)應(yīng)用的分析研究[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2014（2）.

[6]劉海燕，劉向磊，陳贊.柬埔寨達(dá)岱水電站定子接地保護(hù)動作分析[J].水電與新能源，2015（2）.

[7]許繼電氣股份有限公司.WFB-800A系列微機型發(fā)電機變壓器組成套保護(hù)裝置技術(shù)說明書（V1.0）[Z]，2010.

TM862

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1672-5387（2016）11-0025-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.11.008

2016-05-04

易帥（1991-），男，助理工程師，從事發(fā)電廠運行工作。