發(fā)電機的單相接地保護原理及整定方法

1、發(fā)電機的單相接地保護原理及整定方法浙江旺能環(huán)保股份有限公司 作者：周玉彩根據(jù)安全的要求發(fā)電機的外殼都是接地的，因此，定子繞組因絕緣破壞而引起的單相接地故障比較普遍。當接地電流比較大，能在故障點引起電弧時，將使繞組的絕緣和定子鐵心燒壞，并且也容易發(fā)展成相間故障，造成更大的危害。我國規(guī)定，當接地電容電流等于或大于5A時，應裝設(shè)動作于跳閘的接地保護，當接地電容電流小于5A時，一般裝設(shè)作用于信號的接地保護。一、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

2、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。 UA UB UC 3I0 U0 圖1發(fā)電機定子繞組單相接地故障電壓電流分布如圖1：假設(shè)A相接地發(fā)生在定子繞組距中心點處，表示由中心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而各相對地電壓分別為： 因此，故障點的零序電壓為 上式表明，故障點的零序電壓等于故障相的電勢，再反一個方向，但是前面要乘一個，說明發(fā)電機定子繞組單相接地時，故障點的零序電壓將隨著故障點位置的不同而改變。同樣我們也可以求出發(fā)電機的零序電容電流和網(wǎng)絡(luò)的零序電容電流分別為則故障點總的接地電流即為 當發(fā)電機內(nèi)部單相接地時，實際上無法直接獲得故障

3、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。機端各相的對地電壓分別為 由此可求得機端的零序電壓為 由于取得了零序電流和零序電壓，因此我們可以利用零序電流構(gòu)成定子接地保護，也可以利用零序電壓構(gòu)成定子接地保護。但是無論是零序電流和零序電壓的接地保護，對定子繞組都不能達到100%的保護范圍。這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)或消除，則一種可能是進一步發(fā)展成匝間或相間短路；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

4、是定子繞組用水內(nèi)冷的機組，應裝設(shè)能反應100%定子繞組的接地保護，100%定子接地保護裝置一般由兩部分組成，即是利用三次諧波電壓和基波零序電壓配合工作。其中三次諧波電壓構(gòu)成的接地保護可以反應發(fā)電機繞組中50%范圍以內(nèi)的單相接地故障，且當故障點接近于中性點時，保護的靈敏性越高；而利用基波零序電壓構(gòu)成的接地保護，則可以反應15%以上范圍的單相接地故障，且當故障點越接近于發(fā)電機出線端時，保護的靈敏性越高。因此，利用三次諧波電壓比值和基波零序電壓的組合，構(gòu)成了100%的定子接地保護。定子接地保護邏輯框圖邏輯框圖見圖2。圖2定子接地保護邏輯框圖二、基波零序電壓原理的發(fā)電機定子繞組單相接地保護保護反應發(fā)生

5、單相接地故障的零序電壓分量。對微機保護來說，主要是采取措施擴大它的保護范圍。為此，采取的措施是用高壓側(cè)零序電壓閉鎖和加強三次諧波的濾波效果。保護的構(gòu)成方案如圖3所示。Un0Us0Ut0三次諧波濾過器三次諧波濾過器與門與門或門延時 跳閘或 發(fā)信 圖3發(fā)電機定子繞組單相接地保護原理圖圖3中，為發(fā)電機中性點電壓互感器的零序電壓；為機端電壓互感器的零序電壓；為主變高壓側(cè)電壓互感器零序電壓。在軟件中，每一個零序電壓分量是否投入使用，均由控制字選擇。當系統(tǒng)中有中性點PT時，可將與構(gòu)成與門關(guān)系。這樣可防止機端電壓互感器一次側(cè)發(fā)生斷線時造成的保護誤動。在不具備中性點PT時，可退出此功能，機端零序電壓和中性點零

6、序電壓均可單獨出口。為提高保護的靈敏度，采用高壓側(cè)零序電壓閉鎖。三、反映三次諧波的發(fā)電機定子繞組單相接地保護 保護（反應機端與中性點三次諧波電壓比的保護）的動作判據(jù)為： 理論分析表明，發(fā)電機正常與系統(tǒng)并列運行時，無論發(fā)電機中性點是否接有消弧線圈，總有機端三次諧波電壓小于中性點的三次諧波電壓，而當發(fā)電機定子繞組靠近中性點的50%范圍內(nèi)發(fā)生金屬性接地故障時，機端三次諧波電壓大于于中性點的三次諧波電壓，判椐滿足。但在實際上，由于多種因素的影響，例如機端電壓互感器飽和的影響、發(fā)電機所帶負荷的影響、升壓變壓器高壓繞組三次諧波電勢的影響等，造成正常運行時就是的關(guān)系。發(fā)電機正常運行機端和中性點三次諧波電壓的

7、比值最大達到1.95倍。因此，采用這種方案構(gòu)成保護時，必須提高定值門檻。這就勢比影響保護的靈敏度和保護范圍。四、100%的定子接地保護1、基波零序過電壓保護的整定該保護的動作電壓Uop應按躲過正常運行時中性點單相電壓互感器或機端三相電壓互感器開口三角繞組的最大不平衡電壓Uunb.max整定，即UopKrelUunb.max 式中： Krel可靠系數(shù)，取1.21.3。 Uunb.max 為實測不平衡電壓，其中含有大量三次諧波。為了減小Uop，可以增設(shè)三次諧波阻波環(huán)節(jié)，使Uunb.max主要是很小的基波零序電壓，大大提高靈敏度，此時Uop5V，保護死區(qū)5%。應校核系統(tǒng)高壓側(cè)接地短路時，通過升壓變壓

8、器高低壓繞組間的每相耦合電容CM傳遞到發(fā)電機側(cè)的零序電壓Ug0大小，傳遞電壓計算用近似簡化電路，見圖4。圖4傳遞電壓計算用近似簡化電路圖4中，E0為系統(tǒng)側(cè)接地短路時產(chǎn)生的基波零序電動勢，由系統(tǒng)實際情況確定，一般可取 ，UHn為系統(tǒng)額定線電壓。Cg為發(fā)電機及機端外接元件每相對地總電容。CM為主變壓器高低壓繞組間的每相耦合電容。Zn為3倍發(fā)電機中性點對地基波阻抗。 Ug0可能引起基波零序過電壓保護誤動作。因此，應從動作電壓整定值及延時兩方面與系統(tǒng)接地保護配合。2、三次諧波電壓單相接地保護的整定 對于100MW及以上的發(fā)電機，應裝設(shè)無動作死區(qū)(100%動作區(qū))單相接地保護。一種保護方案是基波零序過電

9、壓保護與三次諧波電壓保護共同組成100%單相接地保護。 電壓互感器變比為： 機端 TV ； 中性點TV ； 如發(fā)電機中性點經(jīng)消弧線圈或配電變壓器接地，保護裝置應具有調(diào)平衡功能，否則應增設(shè)中間電壓互感器。設(shè)機端和中性點三次諧波電壓各為 和 ，三次諧波電壓單相接地保護可采用以下兩種原理： 實測發(fā)電機正常運行時的最大三次諧波電壓比值設(shè)為a0，則取閾值a(1.051.15)a0。根據(jù)發(fā)電機定子繞組對地電容和中性點對地三次諧波阻抗的大小，見圖5，可計算a0。a0可能小于或大于1.0。E3發(fā)電機三次諧波相電動勢；EH3系統(tǒng)高壓側(cè)三次諧波相電動勢；Zn發(fā)電機中性點對地三次諧波感抗或電阻的三倍；C1發(fā)電機每相

10、對地電容之半；C2機端外接元件每相對地總電容；CM主變壓器高低壓繞組間每相耦合電容圖5發(fā)電機三次諧波電壓分析計算用等值電路五、發(fā)電機的單相接地保護整定實例已知條件：保護采用 ，發(fā)電機額定容量為135MW，額定功率因數(shù)0.85，額定電壓13.8KV。主變高壓側(cè)開口角電壓變比: 220:3/0.1:3/0.1:3/0.1 KV；機端開口三角零序電壓TV變比: 13.8:3/0.1:3/0.1:3 KV；發(fā)電機中性點零序電壓TV變比: 13.8:3/0.1 KV。1、基波零序過電壓保護基波零序電壓保護發(fā)電機85%90%的定子繞組單相接地.由于中性點單相電壓互感器不接熔斷器,而機端三相電壓互感器必須接

11、熔斷器,所以基波零序過電壓保護靈敏段取中性點零序電壓,Uop應按躲過正常運行方式下中性點單相電壓互感器的最大不平衡電壓Uunb.max整定靈敏段：Uop=Krel·Uunb.max式中Krel可靠系數(shù)取1.3；Uunb.max為中性點實測不平衡基波零序電壓。廠家建議Uop=2030V ；高端值取Uop=30V ，保護時限取top=1s；低端值取Uop=10V ， 保護時限取top=5s。 2、三次諧波電壓比率接地保護三次諧波電壓比率判據(jù)只保護發(fā)電機中性點25%左右的定子接地.2.1暫時整定值:a=Krel×3×/=1.5×3×79.67/239

12、=1.5。實測發(fā)電機并網(wǎng)前最大三次諧波電壓比值為a1；并網(wǎng)前比率定值：(1.31.5)×a1實測發(fā)電機并網(wǎng)后運行時最大三次諧波電壓比值為a2并網(wǎng)后比率定值:(1.31.5)×a2式中:Krel可靠系數(shù)取1.5；為機端開口三角零序電壓TV變比，13.8:3/0.1:3=239 KV；為機端中性點零序電壓TV變比13.8:3/0.1KV=79.67（中性點變壓器）。該計算值不能作為最終的整定值.在最終整定時,并網(wǎng)前后都必須經(jīng)過實測。2.2、實際修正值待機組正常運行后根據(jù)實測值進行修正計算。 a=2.294/2.765=0.83實測發(fā)電機正常運行時的最大三次諧波電壓比值設(shè)為a0， 根據(jù)實測值修正整定值，即a1.5×0.83=1.2。 六、WFB-800A發(fā)電機定子接地保護裝置保護定值表1發(fā)電機定子接地保護定值1基波零序低值投退0，11：投入 2基波零序高值投退0，1 1：投入 3三次諧波方案一投退0，1 1：投入 4三次諧波方案二投退0，10：退出； 520Hz電源消失投退0，10：退出； 620Hz接地高定值投退0，10：退出； 720Hz接地