鄧朝君

（長沙市湘江綜合樞紐工程辦公室，湖南 長沙410200）

1 概述

湘江長沙樞紐工程為湘江干流9級開發(fā)的最下游一級，蔡家洲電站為河床式電站，廠房內(nèi)裝設(shè)6臺單機(jī)容量為9.5 MW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量57 MW，年平均發(fā)電量2.315億kW·h，年利用小時(shí)數(shù)4061 h。發(fā)電機(jī)-變壓器采用擴(kuò)大單元接線方式，2臺主變壓器的容量均為40000 kVA，每3臺發(fā)電機(jī)與1臺主變壓器組成單母線分段接線形式；高壓側(cè)110 kV系統(tǒng)采用單母線接線，2進(jìn)1出，接至威靈220 kV變電所。發(fā)電機(jī)電壓等級為10.5 kV，中性點(diǎn)連接方式為星形，經(jīng)單相變壓器接地。6臺機(jī)組保護(hù)系統(tǒng)均采用國電南京自動(dòng)化股份有限公司SDG801D數(shù)字式保護(hù)裝置，發(fā)電機(jī)100%定子接地保護(hù)由基波零序電壓（3U0）式定子接地保護(hù)和三次諧波（3ω）式定子接地保護(hù)構(gòu)成。

2 保護(hù)原理

基波零序電壓（3U0）式定子接地保護(hù)范圍為由機(jī)端至機(jī)內(nèi)90%左右的定子繞組單相接地故障，保護(hù)接入電壓3U0取自發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓互感器TV開口三角繞組兩端。零序電壓（3U0）值隨著接地故障點(diǎn)位置的不同而改變，接地點(diǎn)距離中性點(diǎn)越遠(yuǎn)，零序電壓越高；當(dāng)接地點(diǎn)在中性點(diǎn)附近時(shí)，零序電壓接近為零。該保護(hù)設(shè)置有三次諧波濾波環(huán)節(jié)，主要反映基波零序電壓，從而降低了保護(hù)整定值，有效地提高了保護(hù)的靈敏度。由于發(fā)電機(jī)三相繞組對地電容不完全對稱，正常運(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)存在位移電壓；且在中性點(diǎn)接地時(shí)，其零序電壓（3U0）為零，因此基波零序電壓（3U0）式定子接地保護(hù)在中性點(diǎn)附近存在保護(hù)死區(qū)。

三次諧波（3ω）式定子接地保護(hù)原理是利用單相接地故障前后發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)與機(jī)端三次諧波電壓變化特點(diǎn)不同構(gòu)成的。正常運(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)三次諧波電壓U3ωN幅值比機(jī)端三次諧波電壓U3ωT幅值大；當(dāng)靠近中性點(diǎn)附近定子接地時(shí)，機(jī)端三次諧波電壓U3ωT幅值大于中性點(diǎn)三次諧波電壓U3ωN幅值。該保護(hù)設(shè)置有較高的基波分量濾過比，保護(hù)定值采用自動(dòng)整定方法，通過調(diào)試軟件確定動(dòng)作系數(shù)和制動(dòng)系數(shù)。三次諧波式定子接地保護(hù)主要是為了消除基波零序電壓式定子接地保護(hù)在中性點(diǎn)附近的保護(hù)死區(qū)，二者共同構(gòu)成了100%定子接地保護(hù)。

2.1 基波零序電壓（3U0）式定子接地保護(hù)

2.1.1 保護(hù)原理

本站機(jī)組零序電壓保護(hù)接入電壓3U0取自發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓互感器（TV）開口三角繞組兩端，其交流輸入回路如圖1所示。

保護(hù)動(dòng)作方程如下：

式中，3U0—機(jī)端TV開口三角繞組二次側(cè)電壓；

3U0g—?jiǎng)幼麟妷赫ㄖ?/p>

圖1 基波零序電壓（3U0）式定子接地保護(hù)交流接入回路

2.1.2 邏輯框圖

為確保TV一次斷線時(shí)保護(hù)不誤動(dòng)，引入TV斷線閉鎖。其保護(hù)邏輯框圖如圖2所示。

圖2 基波零序電壓（3U0）式定子接地保護(hù)邏輯框圖

2.1.3 定值清單

發(fā)電機(jī)基波零序電壓（3U0）式定子接地保護(hù)整定值如表1。

表1

基波零序電壓式接地保護(hù)設(shè)置有性能良好的三次諧波濾過器，其動(dòng)作電壓3U0g按躲過正常運(yùn)行時(shí)機(jī)端三相電壓互感器TV開口三角繞組二次側(cè)可能出現(xiàn)的最大不平衡電壓來整定；同時(shí)校核高壓側(cè)110 kV系統(tǒng)和廠變低壓側(cè)400 V系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)通過耦合電容傳遞到發(fā)電機(jī)側(cè)的零序電壓大小，主要從動(dòng)作電壓整定值和動(dòng)作延時(shí)兩方面來考慮該保護(hù)與系統(tǒng)接地保護(hù)之間的配合問題，以確保發(fā)電機(jī)零序電壓保護(hù)的可靠性。

2.2 三次諧波（3ω）式定子接地保護(hù)

2.2.1 保護(hù)原理

三次諧波電壓（3ω）式定子接地保護(hù)按比較發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)及機(jī)端三次諧波電壓的大小和相位構(gòu)成。其保護(hù)范圍是：發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)向機(jī)內(nèi)20%左右定子繞組的接地故障，與零序基波電壓（3U0）式定子接地保護(hù)聯(lián)合構(gòu)成100%定子接地保護(hù)。正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)的三次諧波電壓大于發(fā)電機(jī)機(jī)端的三次諧波電壓（即U3ωN＞U3ωT），此時(shí)保護(hù)不會(huì)動(dòng)作；而在中性點(diǎn)附近發(fā)生接地故障時(shí)，機(jī)端三次諧波電壓大于中性點(diǎn)側(cè)的三次諧波電壓（即U3ωT＞U3ωN），該保護(hù)正確動(dòng)作。

為了提高該保護(hù)的靈敏度，本站三次諧波電壓（3ω）式定子接地保護(hù)需采集兩組電壓互感器TV電壓值，即發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)TV和機(jī)端TV開口三角繞組二次側(cè)電壓，其交流接入回路如圖3所示。

圖3 三次諧波電壓（3ω）式定子接地保護(hù)交流接入回路

本站發(fā)電機(jī)三次諧波定子接地保護(hù)，采用矢量比較式（大小和相位）原理，其動(dòng)作方程如下：

在實(shí)際應(yīng)用中，對以上方程式做如下處理：

則動(dòng)作量Udz和制動(dòng)量Uzd分別為：

最終動(dòng)作方程為：

式中，k1、k2、k3——三次諧波式定子接地保護(hù)調(diào)整系數(shù)定值；

U3ωN、α——發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)三次諧波電壓及其相角；

U3ωT、β——發(fā)電機(jī)機(jī)端三次諧波電壓及其相角；

N——三次諧波通道折算系數(shù)。

2.2.2 邏輯框圖

三次諧波電壓（3ω）式定子接地保護(hù)邏輯框圖如圖4所示。

圖4 三次諧波電壓（3ω）式定子接地保護(hù)邏輯框圖

2.2.3 定值清單

發(fā)電機(jī)三次諧波電壓（3ω）式定子接地保護(hù)整定值如表2所示：

表2

幅值、相位、制動(dòng)系數(shù)k1、k2、k3的整定，利用保護(hù)裝置SDG801 D數(shù)字式繼電保護(hù)調(diào)試軟件在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)帶20%～30%額定負(fù)荷下進(jìn)行自整定和調(diào)整。

3 運(yùn)行初期存在的問題及處理

運(yùn)行初期，3號機(jī)組在并網(wǎng)帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)三次諧波電壓（3ω）式定子接地保護(hù)動(dòng)作，導(dǎo)致機(jī)組被迫停運(yùn)。

3.1 問題描述

3號機(jī)組空載運(yùn)行正常，當(dāng)并網(wǎng)帶上一定的負(fù)荷后，便發(fā)“三次諧波電壓（3ω）式定子接地保護(hù)動(dòng)作”。本站最初設(shè)計(jì)是將保護(hù)裝置的出口信號“基波零序電壓式定子接地保護(hù)”和“三次諧波電壓式定子接地保護(hù)”作為一個(gè)DI數(shù)據(jù)送至計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，即“發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作”，啟動(dòng)出口動(dòng)作流程，其動(dòng)作后果均為“跳發(fā)電機(jī)出口開關(guān)，滅磁，停機(jī)，發(fā)事故信號”。這樣，在運(yùn)行初期，3號機(jī)組并網(wǎng)帶負(fù)荷后經(jīng)常出現(xiàn)三次諧波電壓（3ω）式定子接地保護(hù)動(dòng)作，致使3號機(jī)組被迫停運(yùn)。檢查保護(hù)動(dòng)作相關(guān)信息，顯示動(dòng)作量（Udz）大于制動(dòng)量（Uzd），即Udz＞Uzd；查看故障錄波圖，發(fā)電機(jī)三相電壓均正常，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的問題。

3.2 檢查及處理

運(yùn)行初期因多次出現(xiàn)3號機(jī)組在并網(wǎng)帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)三次諧波電壓（3ω）式定子接地保護(hù)動(dòng)作出口，導(dǎo)致機(jī)組非停。相關(guān)技術(shù)人員對3號機(jī)組進(jìn)行了全面檢查，測量發(fā)電機(jī)定子絕緣正常，檢查發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)刀閘合上正常，逐一檢查發(fā)電機(jī)相關(guān)設(shè)備均未發(fā)現(xiàn)明顯問題。后經(jīng)零起升壓檢查正常并網(wǎng)帶負(fù)荷運(yùn)行，沒過幾分鐘該保護(hù)又動(dòng)作出口，機(jī)組停機(jī)。

針對這一現(xiàn)象，維護(hù)人員認(rèn)真比對6臺機(jī)組發(fā)電機(jī)三次諧波電壓（3ω）式定子接地保護(hù)整定值，并將相關(guān)情況與保護(hù)設(shè)備廠家試驗(yàn)人員進(jìn)行充分交流，確定出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是發(fā)電機(jī)三次諧波電壓（3ω）式定子接地保護(hù)調(diào)整系數(shù)k1、k2、k3整定值不合理，從而導(dǎo)致3號機(jī)組該保護(hù)誤動(dòng)作；其他幾臺機(jī)組因調(diào)整系數(shù)k1、k2、k3整定值不合理，存在發(fā)電機(jī)三次諧波定子接地保護(hù)永遠(yuǎn)不動(dòng)作的情況。

后來保護(hù)設(shè)備廠家試驗(yàn)人員來現(xiàn)場對所有機(jī)組的發(fā)電機(jī)三次諧波電壓（3ω）式定子接地保護(hù)整定值按要求進(jìn)行了重新整定。通過保護(hù)調(diào)試軟件，當(dāng)機(jī)組帶20%額定負(fù)荷，中性點(diǎn)不接電阻，待整定三次諧波動(dòng)作量接近于0時(shí)，整定并固化此時(shí)的k1和k2值；同時(shí)在該工況下，在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)和地之間接入一電阻（2 kΩ左右），調(diào)節(jié)3ω保護(hù)的動(dòng)作量及制動(dòng)量，使動(dòng)作量略大于制動(dòng)量，整定并固化k3值。按照要求，k1、k2、k3整定并固化后，要進(jìn)行真機(jī)接地試驗(yàn)來校驗(yàn)保護(hù)動(dòng)作的靈敏度。即在發(fā)電機(jī)電壓為零時(shí)，在中性點(diǎn)接入一接地電阻（2 kΩ左右），發(fā)電機(jī)零起升壓至3ω保護(hù)動(dòng)作。若發(fā)電機(jī)升至額定電壓保護(hù)還未動(dòng)作，需將中性點(diǎn)電阻減少之后，再重復(fù)試驗(yàn)，直到3ω保護(hù)動(dòng)作。

3.3 采取措施

鑒于本站發(fā)電機(jī)三次諧波電壓（3ω）式定子接地保護(hù)存在誤動(dòng)作的情況，導(dǎo)致機(jī)組非停，經(jīng)生產(chǎn)負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)同意，將6臺機(jī)組發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置出口信號“3U0定子接地保護(hù)”和“3ω定子接地保護(hù)”送至計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)分開，在計(jì)算機(jī)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)置2個(gè)獨(dú)立的DI數(shù)據(jù)點(diǎn)，并完善相關(guān)二次回路的布線等工作，分別執(zhí)行不同的動(dòng)作程序，即“3U0定子接地保護(hù)”的動(dòng)作后果是“跳發(fā)電機(jī)出口開關(guān)，滅磁，停機(jī)，發(fā)事故信號”；“3ω定子接地保護(hù)”僅發(fā)告警信號。

4 結(jié)語

基波零序電壓式定子接地保護(hù)原理簡單，動(dòng)作可靠，但其存在保護(hù)死區(qū)，當(dāng)從中性點(diǎn)向機(jī)內(nèi)10%左右的定子繞組發(fā)生接地故障時(shí)，該保護(hù)不動(dòng)作。與基波零序電壓式定子接地保護(hù)配合共同完成100%定子接地保護(hù)的三次諧波式定子接地保護(hù)存在誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，且目前難以進(jìn)行很好地改進(jìn)。在今后的運(yùn)行維護(hù)工作中，技術(shù)人員還需不斷摸索和總結(jié)，積極探索新技術(shù)，確保蔡家洲水電站100%定子接地保護(hù)的可靠性和靈敏性。