抽水蓄能电站发电机启停机注入式定子接地保护的研究高学洪

抽水蓄能电站发电机启停机注入式定子接地保护的研究高学洪

高学洪

(江苏国信溧阳抽水蓄能发电有限公司江苏213334)

摘要：当发电机定子绕组及与定子绕组回路直接相连的一次系统发生的单相接地短路后，接地电流较大时可能在故障点引起电弧，使定子绕组的绝缘和定子铁芯烧坏，容易发展成危害更大的定了绕组相间或匝间短路。在实际运行中发电机定子接地保护显得尤为重要，对保护装置的功能也提出了更高要求。本文通过电厂实际运行经验和现场保护调试方法，对发电机定子接地保护改造加装“注入式定子接地保护”的方案做进一步介绍。并通过相关实验与计算，验证其保护的可靠性与传统定子接地保护相比的优越性。

关键词：改造注入式定子接地保护可靠性

随着电力事业在我国的飞速发展，一些地区开始呈现出小电网大机组的特征，再加之单机容量的不断增大，使得定子接地保护越来越重要。一般情况下发电机中性点都采用经高阻抗接地的方式或不接地的方式，如果定子绕组采用单相接地，就可能会导致匝间短路或发电机定子绕组相间，因为发电机电压系统在流过故障点时对地的电容电流而生成的电弧可能会将铁芯灼伤。

1、发电机定子接地保护的要求

大型发电机的结构比较复杂，一旦损坏会很难修复，并且大型发电机在整个系统中的地位十分重要，所以需要在大型发电机上安装无动作死区，且灵敏度较高的定子单相接地保护。针对于主变压器直接连接的大规模的发电机定子单相接地保护的要求是可以查出发电机中性点周围保护范围为100%的接地故障，并且要求还需要可以监测出水内冷发电机中性点附近的绕组绝缘下降，绝缘水平会因为中性点附近的漏水现象而降低，不断的漏水现象还可能导致线棒在相邻线槽中绝缘或者同一线槽的损坏，进而引发相间短路或匝间短路。出线端附近如果出线接地故障，发电机中性点对地电压的升高会导致靠近中性点的绝缘下降以及发生部分闪络，最终引发两点接地故障和发电机的严重损坏。在母线上直接联接着的发电机定子绕组如果出线单相接地故障，在忽略消弧线圈的补偿作用并且发电机电压网络的接地电容电流超过5A的时候，应当安装跳闸与动作的接地保护。然而，如果没有设置安装专门的定子绕组接地保护，那么可以利用与母线电压互感器连接的绝缘监视设备产生信号。在发电机电压回路三相对地电容电流超过5A的情况下，应当安装消弧线圈予以补偿，如果三相对地电容电流少于5A的情况下，可以在接地点运行少许时间之后适时移转负荷和停机。据此我们认为接地电容电流大于5A的情况下，铁芯由于灼伤严重将很难修复；如果接地电容电流少于5A的情况下，铁芯只是被轻微灼伤。事实上在运行中，定子铁芯可以被允许存在适当的损坏，被熔化铁芯的体积和被熔化的迭片数量和铁芯被灼伤的程度都需要限制在一点的范围内。

2、注入式定子接地保护

2.1组成及原理

注入式定子接地保护是由RCS-985U低频注入电源和PCS-985AW保护装置两部分共同实现。其中，RCS-985U定子接地保护辅助电源装置提供外加低频电源（20HZ/25V），将低频电压电流信号注入到发电机定子绕组中。PCS-985AW发电机保护装置检测注入的低频电压、电流信号，当发电机定子绕组发生接地故障，注入的电压、电流信号随之发生变化，通过导纳法可准确计算出接地故障的过渡电阻阻值，计算的电阻阻值与定子绕组的接地故障位置无关，可以反映发电机100%的定子绕组单相接地。

2.2保护所具特点

（1）整个定子绕组各处具有相同的保护灵敏度，不受接地位置影响。

（2）低频信号和发电机的工频、分数次谐波、整数次谐波频率不同，机组正常运行或振荡时不会影响接地故障电阻阻值的计算。保护不受发电机运行工况的影响，在发电机静止、起停过程、空载运行、并网运行等各种工况下，该保护均能可靠工作。

（3）接地电阻跳闸判据设置了独有的安全电流限制技术，当接地故障电流很小时，可避免不必要的机组停机。

（4）采用注入回路阻抗精确补偿技术，无需测试接地变压器的详细参数，直接进行现场模拟接地故障试验即可完成参数补偿。

（5）可监视定子绕组绝缘的缓慢变化。

3、发电机定子接地的保护方式

3.1零序电流定子接地保护

零序电流定子接地保护装置通常是由安装在发电机端的电流继电器和相应的零序电流互感器组成。如果发电机零序电流保护接在零序电流互感器上，那么它的整定值的选择可以是：（1）零序电流定子接地保护装置的一次动作电流的灵敏度应当较高，并且不能超过5A。（2）在外部的单相接地被避免时，零序电流互感器的一次侧三相导线和发电机自身的电容电流排列不对称，会引发的不平衡电流在二次侧。（3）为避免外部单相接地发电机的瞬间暂态电容电流的影响，则保护装置通常需要1～2s的时限。（4）在相间保护动作的时候需要把接地保护锁闭，以避免外部相间短路引发的不平衡电流，造成接地保护的误动作。

3.2基波零序电压定子接地保护

基波零序电压在发电机定子回路的各点是相同的，所以定子接地保护以基波零序电压作动作参量根本无法区分接地故障点在发电机的外部或者内部。发电机中性点在大中型发电机组中如果以消弧线圈接地的时候，定子接地仅发信号，同时较小数值的故障电流被补偿；如果发电机中性点在大中型发电机组中以接地变压器高阻接地的时候有较大的故障电流。动作电压一般以5～15V为宜，为使保护动作的选择性得到保护，避免高压侧接地故障的耦合过电压和在正常运行过程中产生的不平衡电压。由于此种保护有超过5%死区，所以在中小型机组的发电机定子接地保护中较为适用。

3.3100%定子接地保护

针对大中型机组来说，如果出现机械损伤或者其他情况时，在发电机中性点周围的绕组比较容易出现接地故障。如果没有立即发现和处理此种故障，则容易造成定子两点接地故障、相间短路或者匝间短路。因此，100%的定子绕组的接地保护装置在现代大中型机组中是必不可少的。

4、发电机定子接地保护动作的实例分析

4.1发电机定子接地保护动作的原因分析

100%定子绕组接地保护在很多发电厂可能出现误动，经分析这种情况归因于发电机中性点接地的方式。一般当发电机中性点经消弧线圈接地或者直接接地时，机端三次谐波电压通常要小于中性点的三次谐波电压。机端三次谐波电压在电机的中性点经配电变压器接地时通常要大于中性点的三次谐波电压，保护装置的动作量大于制动量，保护出现误动作。

4.2处理措施

通常情况下，接地变压器高阻接地故障电流大约是接地电容电流的1.4倍。接地故障电流会随着接地变压器电抗的增大而减小。这不仅会导致限流作用和消弧线圈相比相差甚远，故障点能量加大，而且还可能造成故障电流增大，提高了可靠性和保护灵敏度。发电机中性点接地的方式要与发电机定子接地的保护方式相适应，依据我国相应的发电机单相接地电流允许值的规定来限制保护投入方式，投跳闸需要在接地电流比允许电流大的时候，而投信号在接地电流允许的电流值范围之内。

5、结语

发电机在实际的运行过程中，应当能够应对突发性情况，及时、积极地处理故障，尽可能地把损失降低到最低。发电机中性点接点方式的选择需要考虑传递过电压对绝缘的损耗、暂态过电压、定子单相接地故障电流对铁芯的消耗、正常运行情况下的中性点位移电压以及定子单相接地保护的出口和整定的动作方式等问题。

参考文献：

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[2]高春如.大型发电机组继电保护整定计算与运行技术[M].中国电力出版社出版，2010

[3]毕大强.注入式发电机定子接地保护的自适应整定[J].电力系统自动化，2010

[4]兀鹏越，陈飞文，黄旭鹏.等.1036MW机组注入式定子接地保护调试及动作分析[J].电力自动化设备，2011