蔡朝輝，賀儒飛

（廣州蓄能水電廠，廣東 廣州 510000）

低頻三次諧波電壓對(duì)注入式定子接地保護(hù)的影響及防誤措施

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(dòng)過(guò)程發(fā)生誤動(dòng)的現(xiàn)象，深入分析了發(fā)電機(jī)電氣制動(dòng)工況下，定子中性點(diǎn)三次諧波電壓對(duì)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(dòng)的動(dòng)作條件。同時(shí)提出了優(yōu)化保護(hù)邏輯的解決方法，能夠有效防止保護(hù)誤動(dòng)，提高保護(hù)的可靠性，為發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)提供了有力參考。

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

1 引言

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(wú)關(guān)，能夠反映整個(gè)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(lái)，曾發(fā)生過(guò)一些問(wèn)題，如注入電源頻率、內(nèi)阻改變對(duì)保護(hù)靈敏度的影響，機(jī)組20Hz附近頻段運(yùn)行對(duì)保護(hù)的干擾[1,3,4]等，這些問(wèn)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(diǎn)三次諧波電壓對(duì)注入式定子接地保護(hù)影響的新問(wèn)題，談到三次諧波電壓，往往關(guān)注的是利用其構(gòu)成的另一種原理的100%定子接地保護(hù)，不會(huì)關(guān)聯(lián)到注入式定子接地保護(hù)。本文通過(guò)對(duì)廣蓄電廠注入式定子接地保護(hù)在電氣制動(dòng)過(guò)程中誤動(dòng)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，并深入研究其動(dòng)作機(jī)理，提出了防誤措施。

2 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(gè)電源信號(hào)，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2次諧波分量型。因?yàn)殡娫葱盘?hào)是外加的，不受接地位置影響，且在發(fā)電機(jī)靜止、啟動(dòng)、停止和運(yùn)行過(guò)程中均起保護(hù)作用，更重要的是這種保護(hù)方式對(duì)定子繞組各處故障檢測(cè)的靈敏度相同，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)定子絕緣，優(yōu)點(diǎn)非常突出[2,5]。經(jīng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)變壓器注入20Hz電源型的定子接地保護(hù)原理（以廣蓄電廠為例）如圖1所示。

圖1 注入式定子接地保護(hù)原理圖

20Hz外加電源經(jīng)濾波器加于配電變壓器的二次側(cè)，通過(guò)變壓器變換到定子回路。正常運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)三相對(duì)地只有很小的電容電流。當(dāng)定子繞組發(fā)生接地故障時(shí)，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(cè)注入的低頻電壓、電流，計(jì)算出接地故障的過(guò)渡電阻值，可以反映發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障，使保護(hù)動(dòng)作。

3 廣蓄電廠注入式定子接地保護(hù)誤動(dòng)實(shí)例

廣蓄電廠發(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(shí)5.0s作用于報(bào)警，低定值段1kΩ延時(shí)0.5s作用于跳閘。

圖2 注入式定子接地保護(hù)動(dòng)作錄波圖

電阻比率RFzctor：

I64S超前U64S角度：

電阻性電流I'64S：

保護(hù)計(jì)算電阻值Rsec：

一次側(cè)電阻值RPir：

RPir阻值低于1kΩ，延時(shí)0.5s保護(hù)動(dòng)作。從錄波圖和計(jì)算結(jié)果懷疑是電氣制動(dòng)過(guò)程中，頻率為20 Hz的三次諧波電壓通過(guò)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(dòng)。

4 低頻三次諧波電壓對(duì)注入式定子接地保護(hù)影響分析

4.1 機(jī)組正常運(yùn)行過(guò)程

注入式定子接地保護(hù)等效電路[7-9]如圖3所示，均折算到變壓器二次側(cè)。

接地變壓器副邊電阻：Rn=1.15Ω；

圖3 注入式定子接地保護(hù)等效電路圖

廣蓄電廠300MW、18kV機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)保護(hù)采樣值如表1所示：

可見(jiàn)正常運(yùn)行時(shí)，U64S、I64S計(jì)算值與保護(hù)裝置實(shí)際采樣值基本相符。

4.2 機(jī)組電氣制動(dòng)過(guò)程

由于發(fā)電機(jī)氣隙中的主磁場(chǎng)非正弦分布，利用傅立葉級(jí)數(shù)可將非正弦磁場(chǎng)分解為基波和一系列諧波，諧波磁場(chǎng)將在定子繞組中感應(yīng)諧波電壓，主要含有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(diǎn)N和機(jī)端S[6]。

電氣制動(dòng)時(shí)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(shí)存在三次諧波電壓，可推斷中性點(diǎn)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(shí)，中性點(diǎn)三次諧波電壓頻率為20Hz。此三次諧波電壓通過(guò)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：

圖4 中性點(diǎn)三次諧波電壓干擾等效電路圖

測(cè)量導(dǎo)納Y計(jì)算公式[7-10]為：

一次側(cè)電阻RPir及其動(dòng)作判據(jù)如下：

即Re（Y）>0.433時(shí)保護(hù)動(dòng)作，式中Re（Y）為Y的實(shí)部。進(jìn)一步化簡(jiǎn)可得動(dòng)作判據(jù)如下：

從錄波數(shù)據(jù)推算，廣蓄電廠發(fā)電機(jī)電氣制動(dòng)過(guò)程中保護(hù)誤動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的N3'約1.033∠180°，對(duì)照表2知N3'在動(dòng)作區(qū)內(nèi)，進(jìn)一步驗(yàn)證以上分析的三次諧波電壓干擾定子接地保護(hù)的算法與實(shí)際情況相吻合。

綜上所述，發(fā)電機(jī)電氣制動(dòng)過(guò)程中當(dāng)定子電流頻率變化至1/3注入式電源頻率時(shí)，中性點(diǎn)或機(jī)端三次諧波電壓頻率則與注入式電源頻率相等，并通過(guò)中性點(diǎn)配電變壓器或機(jī)端電壓互感器疊加到保護(hù)裝置內(nèi)，干擾注入式定子接地保護(hù)采樣，但是只有三次諧波電壓在一定幅值和相角時(shí)才會(huì)造成保護(hù)誤動(dòng)，再加上保護(hù)出口有0.5s的延時(shí)。故此誤動(dòng)現(xiàn)象在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中并不多見(jiàn)，沒(méi)有引起足夠的重視。

5 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(dòng)過(guò)程容易受干擾發(fā)生誤動(dòng)，因此必須考慮有針對(duì)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)組啟停迅速特點(diǎn)，可以從以下兩方面入手。

（1）通過(guò)頻率閉鎖防止誤動(dòng)。如西門(mén)子采用10~40Hz閉鎖，阿海琺采用15~25Hz閉鎖，此頻段只是針對(duì)機(jī)組運(yùn)行在20Hz頻段附近時(shí)，防止基波對(duì)保護(hù)的干擾，但不能避免三次諧波電壓的影響，因此可以將閉鎖頻段改為20%fn~130%fn（fn為注入式電源頻率），躲過(guò)三次諧波電壓的影響。

（2）通過(guò)外部條件實(shí)現(xiàn)閉鎖。電氣制動(dòng)過(guò)程均只有幾分鐘時(shí)間，在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生定子接地故障可能性極小，且接地故障對(duì)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(dòng)過(guò)程將注入式定子接地保護(hù)跳閘出口閉鎖。利用電氣制動(dòng)刀閘位置接點(diǎn)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(dòng)刀打開(kāi)，即機(jī)組不在電氣制動(dòng)過(guò)程時(shí)，定子接地保護(hù)動(dòng)作即能正常出口跳閘；而當(dāng)電氣制動(dòng)刀合閘，即機(jī)組在電氣制動(dòng)過(guò)程時(shí)，閉鎖定子接地保護(hù)動(dòng)作出口跳閘，有效避免保護(hù)在電氣制動(dòng)過(guò)程誤動(dòng)。

圖5 注入式定子接地保護(hù)優(yōu)化邏輯圖

6 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(shí)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(dòng)工況時(shí)，機(jī)組運(yùn)行頻率不斷下降，當(dāng)降至6.67 Hz附近時(shí)，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(guò)配電變壓器疊加到注入式定子接地保護(hù)回路中，對(duì)其電壓電流采樣造成影響。在特定幅值和相角的三次諧波電壓作用下，將造成保護(hù)誤動(dòng)。對(duì)于經(jīng)機(jī)端電壓互感器注入的定子接地保護(hù)，雖然沒(méi)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(hào)閉鎖邏輯，簡(jiǎn)單實(shí)用，能有效避免保護(hù)在電氣制動(dòng)過(guò)程中誤動(dòng)，提高保護(hù)的可靠性。

[1]王維儉,王祥珩，王贊基.大型發(fā)電機(jī)變壓器內(nèi)部故障分析與繼電保護(hù)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2006:190-198.

[2]王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用 [M].北京:中國(guó)電力出版社,2002:196-200.

[3]侯有韜,張麗麗.外加電源式定子接地保護(hù)影響因素的分析[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2005,33(12):27-31,81.

[4]賀儒飛.外加電源方式100%定子接地保護(hù)的拒動(dòng)與誤動(dòng)問(wèn)題[J].四川電力技術(shù),2005,28(1):29-31.

[5]王維儉,侯炳蘊(yùn).大型機(jī)組繼電保護(hù)理論基礎(chǔ) [M].北京:水利電力出版社,1989:275-282.

[6]賀家李,宋從矩.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理[M].北京:中國(guó)電力出版社,2004:298-305.

[7]畢大強(qiáng),王祥珩,王維儉.發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地裝置等效電路的分析[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2003,31(1):12-16.

[8]李德佳,畢大強(qiáng),王維儉.大型發(fā)電機(jī)注入式定子單相接地保護(hù)的調(diào)試和運(yùn)行[J].繼電器,2004,32(16):51-56.

[9]張琦雪,席康慶,陳佳勝,等.大型發(fā)電機(jī)注入式定子接地保護(hù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及分析 [J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2007,31 (11):103-107.

[10]畢大強(qiáng),王祥珩,余高旺,等.高準(zhǔn)確度外加20Hz電源定子單相接地保護(hù)研制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2004,28(16): 75-78.

TM862

B

1672-5387（2017）05-0060-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.05.015

2016-01-20

蔡朝輝（1987-），男，助理工程師，從事抽水蓄能電廠電氣二次技術(shù)工作。