定子繞組單相接地保護

1、1定子繞組單相接地保護（一）概述 定子繞組單相接地（定子繞組與鐵芯間的絕緣破壞）是發(fā)電機最常見的一種故障。由于大中型發(fā)電機中性點不接地或經(jīng)高阻接地，定子單相接地并不產(chǎn)生大的故障電流。所以定子繞組單相接地通常只發(fā)信號而不跳閘，故障機組經(jīng)轉(zhuǎn)移負荷后平穩(wěn)停機。同時也應(yīng)指出：發(fā)電機單相接地故障往往是相間或匝間短路的先兆。因此對于大型發(fā)電機組，在定子單相接地保護動作發(fā)信號后應(yīng)立即通知系統(tǒng)調(diào)度部門，瞬間減少故障機組負荷，盡快實現(xiàn)停機檢修。2（二）發(fā)電機接地電流允許值 發(fā)電機單機容量的增大，一般使三相定子繞組對地電容增加，相應(yīng)的接地電流也增大。如不采取措施（如增設(shè)消弧線圈），單相接地故障將危及定子鐵芯，而近

2、代大型汽輪機組采用復(fù)雜的輻相和軸向冷卻通道，其定子鐵芯是在幾兆牛壓力下鍛壓成的單一整體。因此定子鐵芯的檢修比較困難，停機時間比較長，造成相當(dāng)大的直接和間接經(jīng)濟損失。因此必須對大型發(fā)電機的頂子單相接地電流制定一個合理的安全允許值。 為確保大型發(fā)電機的安全，不使單相接地故障發(fā)展成相間或匝間短路，應(yīng)使單相接地故障處產(chǎn)生電弧或使接地電弧瞬間熄滅。這個不產(chǎn)生電弧的最大接地電流被定義為發(fā)單相接地的安全電流。其值與發(fā)電機的額定電壓有關(guān)。3 當(dāng)單相接地電流小于上述安全短路電流時，定子接地保護動作后只發(fā)信號而不跳閘，但應(yīng)及時處理，轉(zhuǎn)移負荷，平穩(wěn)停機，以免再發(fā)生另一點接地故障而燒毀發(fā)電機。我國曾有過單相接地電流小

3、于2A，調(diào)相機繼續(xù)長時間運行，以至最終發(fā)展為相間短路的嚴重教訓(xùn)。發(fā)電機額定電壓（KV）單相接地電流允許值（A）發(fā)電機額定電壓（KV）單相接地電流允許值（A）6.3及以下413.815.752*10.5318及以上1 表1 發(fā)電機接地電流允許值* 對氫冷發(fā)電機可取為2.5A4（三）大中型發(fā)電機定子接地保護的基本要求 國內(nèi)外運行經(jīng)驗證明，由于機械原因或水內(nèi)冷機組的定子漏水，單相接地故障有可能首先在中性點附近發(fā)生（幾率較?。?，也可能故障初始是由位于中性點附近的定子多匝線圈中發(fā)生部分匝間短路。由于短路匝數(shù)少，橫差保護不能反應(yīng)，故障繼續(xù)發(fā)展，最終中性點附近繞組的繞組對鐵芯擊穿，形成單相接地故障。如果定子

4、接地保護在中性點附近存在死區(qū)，則故障將進一步蔓延為相間或?qū)娱g短路，使機組嚴重損壞。因此應(yīng)強調(diào)大中型發(fā)電機裝設(shè)無死區(qū)（100%保護區(qū)）定子接地保護的必要性。對于10萬kW及以上的發(fā)電機組，除此以外，還要求在定子繞組任一點經(jīng)過渡電阻接地時，保護能靈敏動作。這是考慮到當(dāng)中性點附近首先經(jīng)過渡電阻接地時，若保護靈敏度不夠而未能動作，隨之在機端附近再發(fā)生第二點接地，中性點電位升高，第一個5 接地點的接地電流增大而過渡電阻減小，結(jié)果發(fā)生相間或匝間的嚴重短路。 綜上所述，大中型發(fā)電機中性點接地方式和定子接地保護應(yīng)滿足三個基本要求，即：n接地故障點電流不應(yīng)超過安全電流，確保定子鐵芯安全。n保護動作區(qū)覆蓋整個定子

5、繞組。保護區(qū)內(nèi)任一點接地故障應(yīng)有足夠高的靈敏度（即經(jīng)一定過渡電阻接地仍能動作）。n暫態(tài)過電壓數(shù)值較小，不威脅發(fā)電機的安全運行。 在以上三個要求下，定子接地保護最好能判定接地故障位于機內(nèi)或機外，但實現(xiàn)這一點要求是比較困難的。6（四）發(fā)電機定子繞組單相接地的特點 現(xiàn)代的發(fā)電機，其中性點都是不接地或經(jīng)消弧線圈接地的。因此，當(dāng)發(fā)電機內(nèi)部單相接地時，流經(jīng)接地點的電流仍為發(fā)電機所在電壓網(wǎng)絡(luò)（即與發(fā)電機有直接電聯(lián)系的各元件）對地電容電流之總和，而不同之處在于故障點的零序電壓將隨發(fā)電機內(nèi)部接地點的位置而改變。dD0eC0eC0lC0lC0TAC B A0dU0TA(a)(b)圖15 發(fā)電機內(nèi)部單相接地時的電流

6、分布 (a) 三相網(wǎng)絡(luò)接線；(b) 零序等效網(wǎng)絡(luò)7 如圖15(a)所示，假設(shè)A相接地發(fā)生在定子繞組距中性點 處， 表示由中性點到故障點的繞組占全部繞組匝數(shù)的百分數(shù)，則故障點各相電勢為 、 和 ，而各相對地電壓分別為： （2-4-1） 因此，故障點的零序電壓為： （2-4-2） 上式表明，故障點的零序電壓將隨著故障點位置的不同而改變。由此可作出發(fā)電機內(nèi)部單相接地的零序等效網(wǎng)絡(luò)，如圖15(b)所示。圖中 為發(fā)電機每相的對地電容， 為發(fā)電機以外電壓網(wǎng)絡(luò)每相對地的AEBECE0ADBABDCACDUUEEUEE0( )1()3AdaADBDCDUUUUE 0eC0lC8 等效電容。由此即可求出發(fā)電機的

7、零序電容電流和網(wǎng)絡(luò)的零序電容電流分別為： （2-4-3） 則故障點總的接地電流即為： （2-4-4） 其有效值為 ，式中 為發(fā)電機的相電勢，一般在計算時，常用發(fā)電機網(wǎng)絡(luò)的平均額定相電壓 來代替，即表示為 。 流經(jīng)故障點的接地電流也與 成正比，因此當(dāng)故障點位于發(fā)電機出線端子附近時， ，接地電流為最大，其值為 。 當(dāng)發(fā)電機內(nèi)部單相接地時，流經(jīng)發(fā)電機零序電流互感器 一次側(cè)的零序電流，如圖15(b)所示，為發(fā)00( )0000( )00333333eAdaeelAdallIjC UjCEIjC UjCE ( )003d aAeeIjCCE 003eeCCE003eeCCUU1003eeCCU0TAE9

8、 電機以外電壓網(wǎng)絡(luò)的對地電容 電流 ，而當(dāng)發(fā)電機外 部單相接地時，如圖16所示， 流過 的零序電流為發(fā)電機 本身的對地電容電流。 當(dāng)發(fā)電機內(nèi)部單相接地時，實際上無法直接獲得故障點的零序電壓 ，而只能借助于機端的電壓互感器來進行測量。由圖15可見，當(dāng)忽略各相電流在發(fā)電機內(nèi)阻抗上的壓降時，機端各相的對地電壓分別為： （2-4-5）0TA0eC0lC圖16 發(fā)電機外部單相接地的零序等效網(wǎng)絡(luò)(1)AADBABDCACDUEUEEUEE03eCU0TA0 ( )daU10 其向量關(guān)系如圖17所 示。由此可求出機端的零 序電壓為： （2-4-6）其值和故障點的零序電壓相等。AEADUDCEBEOCDU0d

9、UAEBDU圖17 發(fā)電機內(nèi)部單相接地時，機端的電壓向量圖00( )1()3dADBDCDAdaUUUUEU11（五）利用零序電壓構(gòu)成的定子保護 一般大、中型發(fā)電機在電力系 統(tǒng)中大都采用發(fā)電機變壓器組的 接線方式。在這種情況下，發(fā)電機 電壓電壓網(wǎng)絡(luò)中，只有發(fā)電機本 身、連接發(fā)電機與變壓器的電纜以 及變壓器的對地電容（分別以 、 、 表示）其分布圖可用圖18來 說明。當(dāng)發(fā)電機單相接地后，接地 電容電流一般小于允許值。對于大 容量的發(fā)-變組，若接地后的電容電流大于允許值， 則可在發(fā)電機電壓網(wǎng)絡(luò)中裝設(shè)消弧線圈予以補償。TEX0tC0 xC0eC圖18 發(fā)電機-變壓器組接線中，發(fā)電機電壓系統(tǒng)的對地電容

10、分布 0tC0 xC0eC12 由于上述三項電容電流的數(shù)值基本上不受系統(tǒng)運行方式變化的影響，因此，裝設(shè)消弧線圈后，可以把接地電流補償?shù)胶苄〉臄?shù)值。在上述兩種情況下，均可以裝設(shè)作用于信號的接地保護。 發(fā)電機內(nèi)部單相接地的信 號裝置，一般是反應(yīng)于零序電 壓而動作，其原理接線如圖19 所示，過電壓繼電器連接于發(fā) 電機電壓互感器二次側(cè)接成開 口三角的輸出電壓上。 由于在正常運行時，發(fā)電 機相電壓中含有三次諧波。因 此，在機端電壓互感器接成開 口三角的一側(cè)也有三次諧波電TEX圖19 發(fā)電機-變壓器組單相接地的信號裝置接線圖0U 3U過濾器Vt信號13 壓輸出。此外，當(dāng)變壓器高壓側(cè)發(fā)生接地故障時，由于變壓

11、器高、低壓繞組之間有電容存在，因此，在發(fā)電機端也會產(chǎn)生零序電壓。為了保證動作的選擇性，保護裝置的整定值應(yīng)躲開正常運行時的不平衡電壓（包括三次諧波電壓），以及變壓器高壓側(cè)接地時在發(fā)電機端所產(chǎn)生的零序電壓。根據(jù)運行經(jīng)驗，繼電器的啟動電壓一般整定為1530V左右。 按以上條件的整定保護，由于整定值較高，因此當(dāng)中性點附近發(fā)生接地時，保護裝置不能動作，因而出現(xiàn)死區(qū)，可采取如下措施來降低啟動電壓。n如圖19所示，加裝三次諧波濾過器。n對于高壓側(cè)中性點直接接地的電網(wǎng)，利用保護裝置的延時來躲開高壓側(cè)的接地故障。n在高壓側(cè)中性點非直接接地電網(wǎng)中，利用高壓側(cè)的零序電壓將發(fā)電機接地保護閉鎖或利用其對保護制動。14

12、采取以上措施以后，零序電壓保護范圍雖然有所提高，但在中性點附近接地時仍然有一定的死區(qū)。 由此可見，利用零序電流和零序電壓構(gòu)成的接地保護，對定子繞組都不能達到100%的保護范圍。對于大容量的機組而言，由于振動較大而產(chǎn)生的機械損傷或發(fā)生漏水（指水內(nèi)冷的發(fā)電機）等原因，都可能使靠近中性點附近的繞組發(fā)生接地故障。如果這種故障不能及時發(fā)現(xiàn)，則一種可能是進一步發(fā)展成匝間短路或相間短路；另一種可能是如果又在其它地點發(fā)生接地，則形成兩點接地短路。這兩種結(jié)果都會造成發(fā)電機的嚴重損壞。因此，對大型發(fā)電機組，特別是定子繞組用水內(nèi)冷的機組，應(yīng)裝設(shè)能反應(yīng)100%定子繞組的接地保護。 目前，100%定子接地保護裝置一般由

13、兩部分組成，第一部分是零序電壓保護，如上所述，它能保護定子繞組的85%以上；第二種保護則用來消除零序電15 壓不能保護的死區(qū)。為提高可靠性，兩部分的保護區(qū)應(yīng)相互重疊。構(gòu)成第二部分保護的方案主要有：n發(fā)電機中性點加固定的工頻偏移電壓，其值為額定相電壓的10%15%。當(dāng)發(fā)電機定子繞組接地時，利用此偏移電壓來加大故障點的電流（其值限制在1025A左右），接地保護即反應(yīng)于這個電流而動作，使發(fā)電機跳閘。n附加直流或低頻（20Hz或25Hz）電源，通過發(fā)電機端的電壓互感器將其電流注入發(fā)電機定子繞組，當(dāng)定子繞組發(fā)生接地時，保護裝置將反應(yīng)于此注入電流的增大而動作。n利用發(fā)電機固有的三次諧波電動勢，以發(fā)電機中性

14、點側(cè)和機端側(cè)三次諧波電壓比值的變化，或比值和方向的變化，來作為保護動作的判據(jù)。16（六）利用三次諧波電壓構(gòu)成的100%定子接地保護1、發(fā)電機三次諧波電勢的分布特點 由于發(fā)電機氣隙磁通密度的非正弦分布和鐵磁飽和的影響，在定子繞組中感應(yīng)的電勢除基波分量外，還含有高次諧波分量。其中三次諧波電勢雖然在線電勢中可以將它消除，但在相電勢中依然存在。因此，每臺發(fā)電機總有約百分之幾的三次諧波電勢，設(shè)以 表示。如果把發(fā)電機的對地電容等效地看作集中在發(fā)電機的中性點N和機端S，每端為 ，并將發(fā)電機端引 出線、升壓變壓器、廠用變壓 器以及電壓互感器等設(shè)備的每 相對地電容 也等效地放在機 端，則正常運行情況下的等效3N

15、U3SU02eC02eC0SC03INS3E圖20 發(fā)電機三次諧波電勢和對地電容的等值電路圖3E012eC0SC17 網(wǎng)絡(luò)如圖20所示。由此即可求出中性點及機端的三次諧波電壓分別為： （2-6-1） 此時，機端三次諧波電壓與中性點三次諧波電壓比為: （2-6-2） 由上式可見，在正常運行時，發(fā)電機中性點側(cè)的三次諧波電壓 總是大于發(fā)電機機端的三次諧波電壓 。極限情況是，當(dāng)發(fā)電機出 線端開路（即 ）時， 當(dāng)發(fā)電機中性點經(jīng)消弧線 圈接地時，其等值電路如圖213NU3SU02eC02eC0SC03INS3E圖21 發(fā)電機接有消弧線圈時，三次諧波電勢和對地電容的等值電路圖0033000330022()2

16、()eSNeSeSeSCCUECCCUECC3030012SeNeSUCUCC3SU00SC 33SNUU3NU3L18 所示，假設(shè)基波電容電流得到完全補償，則： （2-6-3） 此時發(fā)電機中性點側(cè)對三次諧波的等值電抗為： （2-6-4） 將式（2-6-3）代入整理后可得： （2-6-5） 發(fā)電機機端對三次諧波的等值電抗為： （2-6-6） 因此，發(fā)電機機端三次諧步電壓和中性點三次諧波電壓之比為： （2-6-7） 上式表明，接入消弧線圈后，中性點的三次諧波0013 ()eSLCC0303 (3 )( 2/3)3 (3 )(2/3)eNeLCXjLC3006(72)NeSXjCC 30023 (

17、2)SeSXjCC 33003300729(2)SSeSNNeSUXCCUXCC19 電壓 在正常運行時比機端三次諧波電壓 更大。在發(fā)電機出線端開路時， ，則： （2-6-8） 在正常運行情況下，盡管發(fā)電機的三次諧波電勢隨著發(fā)電機的結(jié)構(gòu)及運行狀況而改變，但是其機端三次諧波電壓與中性點三次諧波電壓的比值總是符合以上關(guān)系的。 當(dāng)發(fā)電機定子繞組發(fā)生金屬性單相接地時，設(shè)接地發(fā)生在距中性點 處，其等值電路如圖22所示。此 時不管發(fā)電機中性點 是否接有消弧線圈， 恒有：3NU3SU02eC0(1)2eC0SC3E圖22 發(fā)電機內(nèi)部單相接地時，三次諧波電勢分布 的等值電路圖3(1)E3NU3SU00SC 3

18、3/7/9SNUU33NUE20 則 （2-6-9） 、 隨 而變化的關(guān)系 如圖23所示。當(dāng) 時，恒 有 。 因此，如果利用機端三次 諧波電壓 作為動作量，而用中性點側(cè)三次諧波電壓作為制動量來構(gòu)成接地保護，且當(dāng) 時為保護的動作條件，則在正常運行時保護不可能動作，而當(dāng)中性點附近發(fā)生接地時，則具有很高的靈敏性。利用這種原理構(gòu)成的接地保護，可以反應(yīng)定子繞組中性點側(cè)約50%范圍以內(nèi)的接地故障。0 10 20403050 60 70 80 90 100%3E3E3SU3NU（中性點）（機端）圖23 、 隨 的變化曲線3SU3NU33(1)SUE33/(1)/SNUU3SU3NU50%33SNUU3SU3

19、3SNUU212、反應(yīng)三次諧波電壓的比值 和基波零序電壓構(gòu)成 的100%定子接地保護執(zhí) 行執(zhí) 行TESU1L3C1TAL1C1U1R1RP2R2U2TAL5C6C4C2L2Cab1TVTM3U7C8C3R2RPcd0TVNU33NSUU圖24 反應(yīng)三次諧波電壓的比值 和基波零序電壓 的100%定子接地保護原理接線圖33NSUU03U22 反應(yīng)三次諧波電壓比值和基波零序電壓構(gòu)成的100%定子接地保護的原理接線圖如圖24所示，用 和 分別表示從發(fā)電機端和中性點側(cè)電壓互感器二次側(cè)所取出的交流電壓以輸入保護裝置。 反應(yīng)于三次諧波電壓比值而動作的保護部分如下:由電抗互感器 、 的一次線圈分別與電容 、

20、組成三次諧波串聯(lián)諧振回路，由電感 、 分別與電容 和 組成50周串聯(lián)諧振回路。當(dāng)有三次諧波電壓輸入時，在每個電抗互感器的原邊回路中，由于三次諧波的感抗和容抗互相抵消只剩下回路電阻，因此，雖然 和 的輸入電壓很小，但也能產(chǎn)生較大的電流，因而在副邊就有較大的電壓輸出。當(dāng)有基波零序電壓輸入時，由于電抗互感器原邊回路對它呈現(xiàn)很大的阻抗，而且在副邊還接有對50周串聯(lián)諧振的濾波回路，SUNU1U2U1C2C1L2L3C4C3SU3NU23 因此，雖有較大的基波零序電壓輸入時，在副邊也只有很小的電壓輸出。這樣，由 的二次輸出電壓正比于發(fā)電機端三次諧波電壓 ， 的二次輸出電壓則正比于發(fā)電機中性點三次諧波電壓

21、，將這兩個電壓信號經(jīng)過整流濾波后，用環(huán)流法接線進行幅值比較，則a、b 兩點之間的電壓即為： （2-6-10） 當(dāng) 時，執(zhí)行回路動作。調(diào)節(jié)電位器 便可改變保護的整定值。 反應(yīng)于基波零序電壓而動作的保護部分如下：由機端電壓互感器接成開口三角側(cè)取得的電壓 ，通過中間變壓器TM，經(jīng)整流濾波后輸出直流電壓 ，然后接入執(zhí)行回路。在此， 的大小與發(fā)電機接地時的1U3SU2U3NU33SNabUUU0abU1RPSUcdUcdU24 基波零序電壓成正比，調(diào)節(jié)電位器 ，便可以改變基波零序電壓的啟動值。 如上所述，利用三次諧波電壓構(gòu)成的接地保護可以反應(yīng)發(fā)電機繞組中 范圍以內(nèi)的單相接地故障，且當(dāng)故障點越接近中性點時

22、，保護的靈敏度越高；而利用基波零序電壓構(gòu)成的接地保護，則可以反應(yīng) 以上范圍的單相接地故障，且當(dāng)故障點越接近于發(fā)電機出線端時，保護的靈敏度越高。因此，利用三次諧波電壓比值和基波零序電壓的組合，就構(gòu)成了100%的定子繞組接地保護。2RP00500015253、提高三次諧波電壓型定子接地保護的靈敏度 三次諧波電壓型單相接地模擬式保護，為了確保在各種正常工況下都能可靠不誤動，制動系數(shù) 不敢調(diào)得太小，因為動作量由于 和 隨工況而改變，按某種工況調(diào)平衡的系數(shù) 值，工況一變，又失去平衡，動作量又出現(xiàn)較大值。 值采用保守的較大數(shù)值,必然降低保護的靈敏度。 考慮到發(fā)電機運行工況的改變以及系統(tǒng)振蕩對 和 的影響是

23、比較緩慢的，微機保護可以隨時跟蹤 的變化，不斷修正動作判據(jù)，使保護在任何工況下均處于較理想的靈敏狀態(tài)。該保護的動作判據(jù)為： （2-6-11） 式中： 跟蹤計算時間間隔，可取23個工頻周期 新的制動系數(shù)，考慮 前后的計算誤差, 可取 0SU0NUPK0SU0NU00SNUU1( )() /()( )( )SSNNNccUtUttUttUtUtct1ct10.10 0.1526 按式（2-6-11）整定的微機保護，在300MW、20kV、 的汽輪發(fā)電機上做過中性點的接地故障試驗，結(jié)果證明靈敏度大幅度提高（見表2）。 倘若定子繞組對地絕緣水平的下降是緩慢變化的,最終絕緣損壞形成單相接地故障的過程持續(xù)

24、多個跟蹤計算時間間隔 ，則可改用下述動作判據(jù)： （2-6-12）發(fā)電機工況空載 U=20kV222735輕載 P=10MW,Q=9Mvar243644重載 p=200MW,Q=85Mvar30435010.1510.1210.10表2 300MW汽輪發(fā)電機中性點接地故障保護試驗 最大允許值fRk0.224/gCFphct2()PSNNUKP UU27 式中： ，隨發(fā)電機的有功功率P改 變而改變； 制動系數(shù)， 。 應(yīng)該認為：定子絕緣水平的下降是一個緩慢的量變過程，但是絕緣擊穿發(fā)生單相接地故障卻是一個快速的質(zhì)變（突變）過程，因此作為三次諧波電壓型微機保護的動作判據(jù)宜采用式（2-6-11）。 以三峽

25、水電站發(fā)電機組 為例，當(dāng) = 、 、 時，最大過渡電阻 如圖25 中的曲線所示。當(dāng) 時 發(fā)電機中性點經(jīng) 過渡電()()()PSNKPUPUP22100.083 0.167 0.25 0.333 0.417 0.5 0.583 0.667 0.75 0.833 0.9171246810max()Rk00( )圖25 式（2-6-11）單相接地保護靈敏度10.1210.0610.04510.0450.060.1210.045maxR8k28 阻接地時，保護能動作，但在定子繞組中部，此保護方案的靈敏度（ ）仍達不到 。 在實際工作中，調(diào)整系數(shù) 非常困難，因為無法確定在哪種運行工況下調(diào)整 使 達可能的

26、最小值，也就無法整定制動系數(shù) 的大小以保證正常運行中不誤動。利用微機的強大記憶功能，可以隨時測定 ，使 隨運行工況自適應(yīng)調(diào)整，不再像模擬式保護那樣 經(jīng)整定后固定不變，造成某些工況下 較大，必須選用較大的制動系數(shù) 結(jié)果降低了保護的靈敏度。 上述自適應(yīng)式三次諧波電壓單相接地微機保護之所以能取得較高靈敏度，是因為雖然發(fā)電機運行工況改變時 、 和 都有不同程度的變化，但微機保護隨時隨地改變調(diào)整系數(shù) （即 ）， maxR8kPKPKPSNUKU()()SNccUttUttPKPKPSNUKUSUNUSNUU()()SNccUttUttPK29 使保護裝置的動作量在正常運行條件下總是保持不大的數(shù)值，這樣為

27、防止誤動所需的制動系數(shù) 就可以取較小的值，確保單相接地故障時有較高的靈敏度。 當(dāng)發(fā)電機在改變正常運行方式（P、Q的調(diào)整）或系統(tǒng)發(fā)生振蕩時， 、 和 的改變是比較緩慢的，而發(fā)生定子繞組單相接地故障時，這些三次諧波電壓量將迅速改變,微機保護能方便地實現(xiàn)“自動跟蹤”，達到發(fā)電機正常運行時保護可靠不誤動，單相接地故障時保護靈敏動作。 SUNUSNUU130（七）外加電源方式的定子接地保護1、概述 以上討論的定子接地保護都是利用發(fā)電機本身固有的工頻和三次諧波電動勢，在定子接地故障時所產(chǎn)生的相應(yīng)頻率的電流或電壓作為保護的動作參量。本節(jié)將要討論的定子接地保護，其共同特點是:為了得到100%的定子接地保護，根

28、據(jù)發(fā)電機正常運行時整個三相定子回路對地是絕緣的，而發(fā)生單相接地故障時這種對地絕緣就被破壞，利用這個最直接的區(qū)分正常運行和接地故障的特征，在發(fā)電機定子回路與大地之間外加一個信號電源，在正常運行時，這個信號電源不（或很少）產(chǎn)生電流，只是在發(fā)生接地故障后，這個信號電源才產(chǎn)生相應(yīng)頻率的接地電流，使保護動作。31 根據(jù)這個概念，很容易引出有關(guān)外加電源方式的定子接地保護的幾個共同問題：n這種保護方案不能只用于發(fā)電機中性點經(jīng)低阻、消弧線圈、配電變壓器高阻接地的場合（包括電壓互感器的原邊中性點接地在內(nèi)）。因為所有這些情況下，發(fā)電機定子回路與大地之間有電的直接聯(lián)系。但是上述這些情況幾乎包括了所有發(fā)電機，因此在應(yīng)

29、用這種保護方案時必須有相應(yīng)的措施。例如，對于外加交流的方案（圖26），外加電源不從一次側(cè)直接送入，而是由電壓互感器的開口三角繞組接入零序電源，經(jīng)過TV的傳變再加到發(fā)電機定子回路去（此時發(fā)電機中性點不接地）；如果發(fā)電機中性點經(jīng)消弧線圈接地，而且電壓互感器TV的一次中性點，根據(jù)安全觀點的測量的要求也必須直接接地，那么為了應(yīng)用外加交流的接地保護方案，就必須在32 保護裝置的設(shè)計上采取一些必要的措施（如圖26所示）。下面分別介紹這些具有代表性的外加電源方式的定子接地保護。Z2K2K1Z1GTTVRBTAAU (20)UHzURA動作補償圖26 外加20Hz電源的定子接地保護原理圖33n外加信號電源的頻

30、率一定不用工頻,以便明確分清正常工作的工頻電流和接地故障時的信號電流。同時也應(yīng)避開三次諧波頻率和二分之一次諧波頻率，因為這些頻率是發(fā)電機電壓回路比較容易發(fā)生諧振過電壓的。n定子繞組對地參數(shù)主要是電容，為減少在發(fā)電機正常運行時外加信號電源的電流，既有利于提高接地故障保護的靈敏度，又能減小外加電源的容量，外加信號電源的頻率宜低不宜高，但也不能采用外加直流電源的方案，因為這種方案難以使一、二次側(cè)在電氣上嚴格隔離，以保證人身及二次設(shè)備安全。n這種保護方案的可靠性直接與外加電源的可靠性有關(guān)。為此，外加電源往往取自廠用電或機端電壓互感器，這些電源在發(fā)電機單相接地故障時仍能保證可靠供給。34n從理論上看，這

31、種方案的靈敏度可以非常高，只要相應(yīng)提高外加電源的電壓就可實現(xiàn)。實際上由于發(fā)電機單相接地電流不應(yīng)過大、外加電源的電壓和容量也有限、保護裝置本身的安全和經(jīng)濟等。這種保護方案的靈敏度也是有限的。對于定子繞組采用水內(nèi)冷方式的發(fā)電機，正常運行的絕緣電阻就不高，客觀上對定子接地保護靈敏度的要求也不是很高。n從原理上看，外加電源方式定子接地保護反映定子繞組絕緣的均勻下降，因此它能對絕緣老化起到監(jiān)督作用。利用發(fā)電機固有的基波或三次諧波電動勢的定子接地保護卻只能反映定子絕緣的局部惡化和破壞。因此絕緣的年久均勻老化較少影響基波或三次諧波電壓定子接地保護的動作，它們的整定值受正常運行絕緣水平均勻下降的影響較小。35

32、2、外加20Hz交流電的定子接地保護 如圖26所示，Z1、Z2是20Hz帶通濾波器。接入TV的開口三角繞組的繼電器K1是通常的基波零序電壓型定子接地保護。 20Hz電源經(jīng)Z1加于TV的開口三角繞組，經(jīng)TV傳到定子回路。正常運行時，發(fā)電機三相對地電容流有小量的20Hz零序電流，這個電流反映到中間電流互感器TAA的一次，最后經(jīng)Z2濾波和U整流后成為繼電器K2的不平衡動作電流，為了補償這個電流，20Hz電源電壓又經(jīng)過電阻RA并整流得到一個反方向的補償電流，調(diào)整RA使發(fā)電機正常運行時K2中的電流等于或近于零，保護不動作。n 既然是外加電源，這種保護方案易于實現(xiàn)大型發(fā)電機在停機狀態(tài)或啟、停過程中的定子接

33、地保護。36 當(dāng)發(fā)電機發(fā)生單相接地故障時，定子回路零序阻抗大大減小，20Hz的零序電流驟增，使K2的動作電流相應(yīng)增大，此時右側(cè)的反向補償電流卻不變，所以保護動作。 這一方案也可用于中性點經(jīng)消弧線圈接地的發(fā)電機，但是靈敏度要差些。因為在正常運行時定子回路20Hz零序阻抗比沒有消弧線圈時小。設(shè)發(fā)電機定子回路總電容電抗為 ，完全補償時消弧線圈電感電抗的大小 與 相等，這是對工頻而言的，對于20Hz，頻率為工頻的0.4，所以20Hz的零序阻抗為： （2-7-1） 即零序電抗下降到47.6%，從而正常運行時的K2不平衡動作電流要大一倍以上，反向補償電流也必須相應(yīng)地增大，這樣在接地故障時靈敏度就低了。Cx

34、LxCx0.4 ( 2.5)11.00.4/0.4760.40.42.52.1CLCCCxxxxx 37接地保護裝置同圖(a)，但TNNR20I20I1TAASEFISEFUVD500/200VVFkRgCgCgCTGLNkRgCgCgCNR (a) 發(fā)電機中性點經(jīng)接地變壓器TN電阻接地(b) 發(fā)電機中性點經(jīng)消弧線圈LN接地圖27 外加20Hz電源的定子單相接地微機保護38 微機型20Hz定子接地保護原理圖見圖27，其中20Hz電源是由三相交流電源經(jīng)整流、整形得方波交流電壓，經(jīng)隔離變壓器T帶通濾波器F，獲得以20Hz為主的交流電源，再經(jīng)分壓器VD（500V/200V），最終有定子單相接地電壓

35、，進入接地保護裝置。 20Hz交流電源同時通過發(fā)電機中性點接地變壓器YN或消弧線圈LN送入發(fā)電機三相定子繞組對地的回路中，產(chǎn)生20Hz電流，經(jīng)中間變流器1TAA得定子單相接地信號電流 。根據(jù) 和 經(jīng)數(shù)字濾波后的大小可推算出單相接地故障電阻 的數(shù)值。SEFUkRSEFUSEFISEFI39數(shù)字濾波SEFUSEFI20U20IkR20U 中斷20Hz電源失效信號20U20I/kS E FR /kS E FR /S E FI 40fHz&111&/S E F失效kTRkTR/S E F報警/S E F跳閘/S E故障跳閘矩陣返回時間中止跳閘信號/S E F中止并發(fā)信號/S E F中止

36、圖28 20Hz定子接地保護裝置的邏輯框圖40 圖28是數(shù)字式20Hz定子接地保護裝置的邏輯框圖。由圖27輸出的 和 進入圖28的保護裝置中，首先經(jīng)數(shù)字濾波得20Hz正弦交流信號 和 ,當(dāng)頻率在40Hz70Hz之間， ， 則利用 和 的大小，可計算單相接地故障過渡電阻值 。當(dāng) 較大時（20500 ，可整定的二次阻值），保護動作于報警；當(dāng) 較小時（10 300 ，二次值，可整定），保護動作于跳閘。如果單相接地故障過渡電阻很小，接地故障電流很大，則 不經(jīng)數(shù)字濾波，直接由“ ”（閾值為20mA80mA，可整定）判定，動作于跳閘，不受頻率條件限制。SEFUSEFI20U20I200.515UV2084

37、0ImAmA20U20IkRkRkRSEFISEFII 413、外加12.5Hz交流電源的定子接地保護 圖29為發(fā)電機中性點經(jīng)配電變電阻接地的本保護方案的原理示意圖。發(fā)電機接地故障電流主要由 來控制，在 與地之間接入一注入分流電阻 和注入變壓器T。該變壓器兩個原邊繞組分別接到兩組可控開關(guān)VT1和VT2，通過它們的交替導(dǎo)通接到輔助交流電源(UPS電源),交替導(dǎo)通頻率為1/4系統(tǒng)頻率，即12.5Hz,這樣注入電壓 的相位被周期地切換 。選通控制乘法器交流輔助電壓（UPS）積分器比較發(fā)電機中性點GTNTMNRPRT1VT2VTYisXII圖29 原理示意圖TN發(fā)電機中性點接地變壓器； 接地電阻； 注

38、入分流電阻；VT1、VT2可控開關(guān)； T注入變壓器；TM測量變壓器NRPRNRNRPRiU18042 圖30為一個完整的選通 信號期間內(nèi)的注入電壓 的 波形。在一個選通信號期間 AJ內(nèi)，包括BC一個完整的 負向變化區(qū)間和FG一個完整的正向變化區(qū)間。AD、DE、EH、HJ各為工頻的一個周期。保護測量僅在BC和FG期間進行，在此期間通過控制器將注入電壓 送至保護內(nèi)部的乘法器，若不考慮變換系數(shù) （以下分析 、 類同），則Y信號的函數(shù)表達式為： （2-7-2）iUABCDEFHGJt圖30 注入電壓理想波形圖iUiUuKiIsI1200223340iiUtTTtTYUTtTTtT43 且 （2-7-3

39、） 式中： 工頻角頻率 工頻周期 實測注入電壓波形初相位 圖31為注入等值電路。由 圖可知，流過電阻 的電流由 兩部分組成，即注入電流 和 寄生電流 。由注入電源 產(chǎn)生，在保護測量BC和FG期 間，由于注入電源 的相位僅 僅被切換 ，因此 可表示為 （2-7-4） isIILKxNRiUsUSRCKx 圖31 注入等效電路 注入電壓； 接地電阻； 接地變等值短路電抗； 等值“寄生”電壓； 定子回路等值漏電阻； 測量變壓器iUNRLKxsUSRK120cos()iiuuUUAt 0TuNRiIsIiUiU180iI12023iiiItTIITtT44 其中： （2-7-5） 為發(fā)電機運行時中性點

40、上固有電流，它具有基波和諧波分量，且有任意的相位和一定的幅值。 可表示為（k為諧波次數(shù)）： （2-7-6） 因此，流過電阻 的總電流為： （2-7-7） 將X信號和Y信號相乘，然后將乘積在一個注入波期間內(nèi)積分，且以式（2-7-2）和式（2-7-7）代入得： （2-7-8） 將式（2-7-2）式（2-7-6）代入式（2-7-8），利用定積分的換元法得：1201cos()iiiIIAt 01,2 ,3sin()0sskskkIAkttNRisXII44003122202()()()TTiisTTiiiiisTX Y d tUIId tUIId tUIId tsI45 （2-7-9） 由上述分析可知

41、，GIX104型100%定子接地保護具有如下技術(shù)特點：n在一個注入波期間，由于注入電壓 周期性地切換 ，使得 項變?yōu)榱?，但由?和 的方向在同一時刻變化，積分項 不為零，因此，切 換注入信號相位和積分的原理可以把在接地故障時流過的注入電流 與可能流過電阻 的其它“寄生”電流 區(qū)分開來。n積分值與注入電源消耗在電阻 和定子繞組漏電阻 上的能量之和成正比，因此積分值反映了發(fā)電機繞組的絕緣情況。當(dāng)發(fā)電機正常運行時， 是一個很小的容性電流，積分值不很大。當(dāng)發(fā)電機定子繞 400002c o s () c o s ()c o s ()TTuiuiuiuiX Y d tAAtd tAA TiU18040Ti

42、sU I dtiUiI40TiiU I dtiINRsINRSRiI46 組絕緣降低時，就會產(chǎn)生一個增大的主要成電阻性的電流 ，積分值就相應(yīng)變大。n保護裝置將積分值以百分數(shù)在裝置面板上顯示出來，實時地反映了發(fā)電機定子繞組的絕緣狀況。n保護工作狀態(tài)與機組的運行狀況無關(guān)，機組無論是在運行還是在停機狀態(tài)，保護都能正常工作。n該保護既可作為大容量機組的發(fā)電機100%定子接地保護，也可用來作為各種勵磁方式的發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護。iI474、采用電流突變量的外加電源式定子單相接地保護 外加12.5Hz或20Hz電源方式的定子單相接地保護靈敏度與發(fā)電機中性點接地方式、三相對地電容大小及中性點接地電阻或電感數(shù)值、外加電源內(nèi)阻大小、接地變壓器變比和二次阻值等有關(guān)，有時靈敏度比較低。對于發(fā)電廠來說，總希望盡可能提高保護的靈敏度，因此介紹一種新思路。kRkIiR20E圖32 單相接地故障時20Hz等值電路(a) 經(jīng)接地變壓器二次電阻 接地；(b