发电机注入式定子接地保护的整定

发电机注入式定子接地保护的整定

张昱

（华东电力设计院 上海市武宁路 409号 200063）

摘要：注入式定子接地保护可以保护发电机100％定子绕组，具有灵敏度在整个定子绕组范围内保持不变，且不受故障点位置、机组运行工况等因素的影响；在起停机过程中也能持续地监视定子回路绝缘状态等优点，在火电和核电机组中应用广泛。本文以北京四方的CSC-300数字式发电机保护装置为例，简述其注入式定子接地保护装置应用在某核电机组时的应用和参数整定。

关键词：注入式定子接地保护；整定；

1 注入式定子接地保护的原理

根据GB/T 14285-2006《继电保护和安全自动装置技术规程》要求，对100MW及以上的发电机，应装设保护区为100%的定子接地保护。目前大型发电机常采用基波零序过电压保护+三次谐波电压单相接地保护；基波零序过电压保护+注入式定子接地保护这种不同原理的双套保护构成100%定子接地保护。注入式定子接地保护通过外加电源向发电机定子绕组中注入幅值很低的20Hz低频交流信号，并采集测量20Hz电压信号和流过发电机接地变压器的20Hz电流。在发电机定子绕组绝缘正常情况下，注入电流主要为电容电流，当发生接地故障后，注入电流出现电阻性电流。保护装置通过20Hz电压和20Hz电流计算发电机定子绕组对地绝缘电阻，监视定子绕组的对地绝缘状况，可以检测定子回路的接地故障。

注入式低频定子接地保护动作有以下特点：

1. 保护范围为100%的定子绕组单相接地，包括发电机中性点，无保护死区

2. 整个定子绕组各点具有相同的动作灵敏度，不受接地位置影响。

3. 当定子绕组对地绝缘电阻下降至报警定值时，发报警信号，所以能监视定子绕组对地绝缘的缓慢老化。

4. 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、甩负荷等各种工况下均能正常工作^[1]。

某核电机组的主接线图如图1所示。保护通过测量图中20Hz低频交流信号回路的电压和电流矢量U_G0和I_G0，计算出复合阻抗，可以得出接地电阻的欧姆值。

核电机组一次系统具有2个接地点：发电机中性点经过单相接地变压器接地、主变低压侧经过接地变压器接地。在发电机并网运行时，有2个接地点。当发电机机端断路器（GCB）断开，发电机带厂用电运行时，只有1个接地点。在发电机并网前后，系统分别具备单个和2个接地点，导致常规注入式定子接地保护电阻测量出现较大偏差。因此，用于核电机组的注入式定子接地保护需考虑两种工况时接地电阻的不同。

图1 注入式定子接地保护接线图

2 注入式定子接地保护定值整定

四方CSC-300数字式发电机保护装置注入式定子接地保护定值清单如下：

定值清单中需整定的参数有：接地电阻告警值及延时、接地电阻跳闸值及延时、安全电流值、零序电流跳闸值。电压回路监视定值、电流回路监视定值、电阻折算系数、相角补偿值、电抗补偿值、电阻补偿值和并联电阻补偿值等定值需要通过现场试验实测。

2.1 注入式定子接地保护等效电路

考虑回路中的接地电阻及各元件对地电容，注入式定子接地保护等效电路如图2所示：

图2 注入式定子接地保护等效电路图

图中，Rn表示发电机接地变二次接地电阻，Cg为发电机绕组对地电容，C_M1为发电机侧封闭母线对地电容，C_Cb1为发电机出口断路器发电机侧对地电容，C_cb2为发电机出口断路器变压器侧对地电容，C_M2为主变低压侧封闭母线对地电容，C_T为主变压器对地电容，R_2n为主变压器低压侧接地变二次接地电阻。

2.2 接地电阻整定值

计算接地电阻整定值前，需要收集的数据发电机、GCB、封闭母线、主变等设备的对地电容、接地变压器变比、接地电阻值、发电机定子绕组接地故障电流允许值。发电机定子绕组接地故障电流允许值应按制造厂的规定值选取。

计算接地电阻时，应将接地变二次接地电阻折算至一次侧。对于发电机接地变二次接地电阻Rn,折算至一次侧的电阻为 。对于主变低压侧接地变二次接地电阻，折算至一次侧的电阻为 。

计算定子绕组机端接地电流为I_PER时的接地电阻R_G。

式1

式中： ——发电机额定相间电;

——发电机定子绕组接地故障电流允许值;

——中性点接地变变比；

——中性点接地变二次接地电阻；

——工频下定子三相对地总容抗；

CSC-300数字式发电机保护装置的接地电阻定值按一次值整定，不需将定子绕组的接地电阻折算为保护装置实际测量到的接地电阻值。保护装置通过电阻折算系数进行折算。电阻折算系数根据设计参数按公式 计算参考值，其中 为保护装置电阻分压器的分压比， 为保护装置中间电流互感器电流变比，通过模拟接地故障确定整定值。

当测量电阻值低于定值后保护动作，保护设置为2段，低定值段跳闸，高定值段发信。整定时取接地电阻告警值 ，接地电阻跳闸值 。

接地变压器的激磁阻抗、两侧绕组漏抗等会影响到定子绝缘的测量，为了保证20Hz注入式定子接地保护的灵敏度和可靠性，需要通过一次侧试验的方法进行实测并补偿这些参数。

由于某核电机组具有2个接地点，在GCB分闸的情况下，注入式定子接地保护计算出的电阻只包含 ；在GCB合闸的情况下，计算出的电阻包含 和 两个部分。所以在GCB分闸和合闸时，注入式定子接地保护的回路存在差异，经过补偿后的参数也会不同。为了在机组停机和运行工况时能够精确的计算接地电阻，保护装置内设置两组并联电阻补偿值^[2]。

2.3 安全接地电流整定值

在注入式定子接地保护接地电阻判据的跳闸段，可使用安全接地电流作为接地电阻判据的辅助判据。采用安全接地电流判据，当测量电阻低于接地电阻跳闸值时，需判断发电机接地电流是否大于机组允许的安全接地电流。当发电机接地电流大于机组允许的安全接地电流时，允许保护动作出口。

安全接地电流整定值为保护装置实际测量到的接地电流，因此应将故障点接地电流折算为接地变二次侧电流。

取接地故障电流为发电机定子绕组接地故障电流允许值 ，根据图2的等效电路图计算安全接地电流整定值。当GCB分闸时，图2的等效电路仅包含发电机到GCB部分。

式2

式中： ——可靠系数；

——发电机定子绕组接地故障电流允许值；

——工频下定子三相对地总容抗（仅计算Cg，C_M1，C_Cb1）；

——中性点接地变变比；

——中性点接地变二次接地电阻；

当GCB合闸时，需考虑主变低压侧接地变二次接地电阻。式2变为

式3

式中：

——中性点接地变二次接地电阻折算至一次侧的值；

——主变低压侧接地变二次接地电阻折算至一次侧的值；

安全接地电流整定值，除了可通过计算方法得到，还可通过现场试验方法获得。在发电机静止时，机端金属性接地，串一电流表，发电机零起升压，当电流表读数为发电机定子绕组接地故障电流允许值时，保护装置测得的电流即为安全接地电流值。

使用安全接地电流判据，当发电机中性点附近单相接地时，则因接地电流小停机段保护不能动作，有发展成相间短路故障的可能，为防止单相接地故障发展为更严重的故障，也可不使用该判据。

2.4 零序电流跳闸

零序电流跳闸值作为电阻判据的后备，应该躲过发电机正常运行时的不平衡零序电流，一般按距离发电机机端80%~90%范围的定子接地故障时的零序电流整定。

3 注入式定子接地保护实测定值与现场试验

由于注入式定子保护装置的定值由系统对地电容、阻抗等参数计算得出，而这些参数的设计值和实际制造值可能存在差别，系统中还存在接地变压器的激磁阻抗、两侧绕组漏抗等影响因素。因此，为了提高保护定值的准确性，注入式定子接地保护在投入前需要通过现场试验，并设置了需要现场实测的定值，来对保护的整定值进行补偿和调整。

比如四方的保护装置中，除上文中提到的可以通过现场试验得到的安全接地电流定值以外，需要通过现场试验得到的定值有电压回路监视定值、电流回路监视定值、电阻折算系数、相角补偿值、电抗补偿值、电阻补偿值和并联电阻补偿值。

其中，电压回路监视定值按照发电机正常运行时保护实测的用于计算接地故障电阻的20Hz电压的0.5倍整定。电流回路监视定值按照发电机正常运行时保护实测的用于计算接地故障电阻的20Hz电流的1.1~1.3倍整定。电阻折算系数通过模拟接地故障确定，将发电机定子绕组通过阻值为跳闸段定值 的电阻接地，此时 与保护实测的接地电阻值的比值就是电阻折算系数的整定值。在发电机绝缘正常时通过调整相角补偿值使保护实测的接地电阻值达到最大值。电抗补偿值和电阻补偿值通过短路试验确定^[3]。

4 小结

本文简述了发电机注入式定子接地保护的应用和整定计算。在进行整定时应先收集系统的准确参数，根据系统运行方式确定等效电路，并计算接地电阻整定值等定值。在现场调试时，除了应保证接线的正确，还需进行现场试验，获得系统实际参数下需实测的定值，对保护定值进行补偿，从而提高保护动作的准确性和可靠性。

参考文献：

[1] 高春如.大型发电机组继电保护整定计算与运行技术 第二版[M].北京：中国电力出版社，2010：158-159.

[2] 陈佳胜, 张琦雪, 郭自刚等. 核电机组注入式定子接地保护若干问题探讨[J]. 电力自动化设备, 2016, 第36卷(10):176-179.

[3] 朱宇聪, 包明磊, 李玉平等. 注入式定子接地保护现场试验、分析及建议[J]. 华电技术, 2019, 第41卷(8):38-43.