潘雪梅

广西方元电力股份有限公司桥巩水电站分公司，广西来宾 546119

桥巩水电站定子接地保护无选择性的整改

潘雪梅

广西方元电力股份有限公司桥巩水电站分公司，广西来宾 546119

本文介绍了桥巩水电站发电机组定子接地保护无无选择性的整改方案及试验结果。采用机端电流计算零率功率作为零序功率方向元件，实现两机一变扩大单元接线下的定子接地保护选择。理论计算与试验结果实现了整改的要求

桥巩水电站；定子接地保护；误动；选择性；零序电流采样

桥巩水电站为红水河第九个梯级电站，共安装8台57MW的灯泡贯流式机组，发电机及变压器采用两机一变扩大单元接线，为检测单台发电机定子线圈及出口短路故障，要求装设带选择性的定子接地保护。该保护设计采用了综合基波零序电压、三次谐波零序电压、零序功率方向等各判据的工作原理。要求带选择性的定子接地保护动作后，选择性的跳故障发电机开关。但2009年6月发生了一起#3机组定子出口母排发生B相接地短路故障，但发电机定子接地保护未能实现选择性跳发电机出口开关，而是同时跳开#3及#4机组的出口开关，因此原设计的发电机组定子接地保护动作未能实现选择性，下面就定子接地保护无选择性动作的原因进行分析，并提出整改方案。

1 无选择性原因分析

1.1 桥巩水电站定子接地保护设计方案

在桥巩水电站发电机保护招标设计讨论时，针对如何实现定子接地保护的选择性，由桥巩水电站业主与设计院，会同国内大学的有关专家进行了研讨。研讨后审定，两机一变接线的定子接地保护，实现选择性由零序功率方向作为判别故障元件，从而实现选择性。保护原理为在中性点不接地电网发生单相接地故障时，存在全系统均存在零序电压，在非故障元件上的电容性无功功率方向由母线流向非故障元件，而故障元件上的电容性无功功率方向由故障元件流向母线。因此利用零序功率方向可来判定发电机内部是否发生故障，且相对于零流电流保护，零序功率方向保护的灵敏度相对较高。因此桥巩水电站在发电机保护招标时确定了以零序功率方向来实现接地保护的选择性。

1.2 保护要求实现的功能

要求装设对于二机一变接线的单台发电机内部定子接地具有选择性的保护。投标人应结合基波零序电压、三次谐波零序电压、零序功率方向角等给出适用于本工程并具有一定运行经验的带选择性定子接地保护方案，要求基波零序三次谐波滤过比>100。

要求保护动作情况：

1）带选择性的定子接地保护

延时跳发电机出口断路器、跳磁场断路器、停机；

发事故信号。

2）中性点三次谐波电压保护

延时发预告信号；

3）保护的技术参数要求

零序电压定值范围：5～20V，误差不超过±2.5%；

三次谐波比率定值范围：0.5～5，定值误差±10%；

零序电流一次定值范围：1～10A，误差不超过±2.5%；

零序电流二次定值范围：5～100mA，误差不超过±2.5%；

时间元件定值范围：0.1～10s，误差不超过±1%。

1.3 实际运行存在的问题及对策：

1.3.1 问题1

由于定子接地电流很小，一般采用小变比的电流互感器。由于正常情况下零序不平衡电流相对较大，而发生故障时产生的故障零序电流又较小，给零序电流采样带来了很大的困难。采用变比小的电流互感器（以下简称TA）传变精度就难以达到保护要求。对策1：就目前的国内市场而然,生产这种变比小的电流互感器的的时间较短，能够成功生产出传变精度较高，满足保护要求的厂家不多，必须在采购阶段预予保证。

1.3.2 问题2

保护投运时未能根据机组实际TA的特性及机组的不平衡电流来整定机序电流与机端3UO的相位角,因此保护虽然设定了选择性保护,但确很难保证正确性。发生区内、区外故障时，如果零序电流变化较大，零序功率方向元件的正确性不容易得到保证。对策2：零序功率方向元件的选择比较重要。通过比较，采用复合电流作为零序功率方向元件的测量电流时，电流变化较大，对正确性影响很大，常常不能保护正确性。要保证正确性，需根据实际现场TA及机端的电压互感器（以下简称TV）来整定保护各数据，即采用机端电流作为零序功率方向元件的测量电流，这时，区内、区外故障时电流变化不大，较容易实现正确性。

2 定子接地保护整改方案

2.1 原理分析

图1为两机一并扩大单元接线方式。

图1 扩大单元接线示意图

假定图1中发电机G1发生区内定子接地故障，故障点位于定子绕组A相距中性点α处，接地故障电阻为Rf,其等值电路如图2所示。

图2 发电机G1发生定子接地故障时等值电路

由图2可知，零序电压：

机端零序电流（通过TA1的零序电流）为：

式中，RN=N2Rn

一般系统中，为抑制间歇性的单相接地故障重燃弧引起的尖峰过电压，接地变二次电阻Rn折算到一次侧应满足要求：RN≤1/(3ω(Cg+Cl+Cb)),结合（2）式可知，发电机区内发生接地故障时，零序电流应超前零序电压0～45º。

当发生区外故障时，等效电路图如图3所示。

图3 区外单相接地时零序等效电路

机端零序电流（通过TA1电流）：

由式（3）可知，发生区外单相接地故障时，零序电流滞后零序电压135°～180°。

由式（2）可计算发电机区内故障时，零序电流超前零序电压的角度为：φ=arctan(3ω(2Cl+Cg+Cb)RN),定义φ为零序方向元件的灵敏角。

由以上分析可知，采用机端电流可明确判断发电机区内区外单相接地故障，满足扩大单元接线发电机定子接地保护动作选择性的要求。下面以某一算例分析说明。

2.2 算例分析

参数如下：

发电机定子单相接地电容Cg=0.791uf,机端引出电缆对地电容Cl=0.1088uf，机端电压为13.8KV，接地变变比为13.8/0.23KV,接地变二次电阻为0.25Ω，机端TA变比为20/1。

设发电机G1机端发生A相金属性接地短路故障，α=1，所有计算都归算到一次侧。

零序电压 U0=13.8/1.732=7.9677 KV

接地变一次电阻 Rn=0.25*(13.8/0.23)*(13.8/0.23)=900 Ω

发电机G1机端零序电流为：

I0t1=U0*(1/Rn+j*3*ω*(2Cl+Cg))

=7967.7*(1/900+j*3*2*3.14*50*(2*0.1088+0.791)*10-6)

=8.85+j*7.57 （A）=11.64∠40.54°（A）

保护装置测得电流：11.64∠40.54°/20=0.528∠40.54°（A）

发电机G1中性点零序电流：

I0n1=U0/Rn =7967.7/900 =8.85 （A）

I01= I0t1+ I0n1=19.25∠23.15°（A）

母线发生A相接地故障时（区外故障），G1机端零序电流：

I0t2=-U0*(1/Rn+j*ω*3Cg)

=-7967.7*(1/900+j*3*2*3.14*0.791*10-6)

=-8.85-j*5.94=10.658∠213.87°（A）

中性点零序电流：

I0n2=U0/Rn =7967.4/900=8.85 （A）

I02 = I0t2+ I0n2 =5.94∠-90°（A）

基波零序电压式定子接地保护，保护范围为由机端至机内90%，在靠近发电机G1中性点发生A相接地短路时，取零序电压为U0’=0.1*7967.4=796.74 V,

发电机G1零序电流为 I0t1’=1.164∠40.54°（A）

保护装置测得电流1.164∠40.54°/20=0.0528∠40.54°（A）

中性点零序电流为I0n1’=0.885 （A）

I01’= I0t1’+ I0n1’=1.925 ∠ 23.15°（A）

在靠近发电机G2中性点发生A相接地故障时，对G1而言为区外故障，其机端零序电流为I0t2’=1.0658∠213.87°（A）

中性点零序电流为I0n2’=0.885 （A）

I02’= I0t2’+ I0n2’=0.594 ∠ -90°（A）

由表1可以看出，在发生区内单相接地故障时，采用复合零序电流来计算零序功率时，零序电流幅值稍有增加，但在区外发生单相接地故障时，零序电流幅值大为减小，这对零序功率方向的判断是不利的。采用机端电流计算零序功率方向时，区外区内故障零序电流的幅值大小变化不大，只要保护装置TA的选型得当，完全可以满足选择性定子接地方案的要求。

表1 发电机发生接地故障时，采用机端零序电流和复合零序电流计算零序功率比较

2.3 扩大单元定子接地方案

1）将3U0设为两段，3U0(t1)未经零序功率方向闭锁，3U0(t2)经零序方向闭锁，要求t1=t2+∆t。

2）选择机端零序电流和机端PT开口三角3U0计算零序功率。

3）三次谐波保护不变，即采用常规三次谐波保护。

2.4 试验方案及结果

1）为保证接地试验对发电机和电网不构成威胁，试验在一台未并网的发电机上进行。

2）在停机状态下，在发电机的定子出线端设置单相接地点，模拟发电机区内单相接地故障，启动机组至空载，手动投励磁，递升励磁电流，观察参数显示界面3U0，3I0，P0显示值，直到3Uo超过整定定值，检验保护动作行为。

3）在停机状态下，在机端TA与断路器之间或在机端出口母线设置单相接地点故障，模拟发电机区外单相接地故障，启动机组至空载，手动投励磁，递升励磁电流，观察参数显示界面3U0，3I0，P0显示值，直到3Uo超过整定定值，检验保护动作行为。

4）在开机并网带满负荷状态下，观察不平衡电流的大小，看是否对方向原件构成影响。

2010年3月初首先对#1机组按上述方案进行了试验，表明了原保护装置TA的选型满足定子接地的保护要求。多次接地试验结果表明，发生区内单相接地故障时，接地保护能正确选择故障机组，跳开故障机组的出口开关，发生区外单相接地故障时，接地保护能可靠闭锁。

2010年3月份对桥巩水电站全部机组均进行了模拟接地试验，试验结果证明了零序方向元件动作的正确性。

5）存在的死区问题

保护的一次接线图上述见图1：

由于桥巩水电站设计的机端TA安装在发电机出口处，从TA处由共相母线接至发电机组出口开关，再接至两台发电机的离箱母线。在TA至QF的离箱母线下端发生单相接地故障时，保护将存在区死，无法实现选择性切除故障，将可能同时跳开两台发电机出口开关。由于从TA处至发电机出口开关一次部分接线均为封闭式的共箱母线接线，发生接地故障的概率很小。因此存在的死区对整个定子接地保护影响很小。

3 结论

桥巩水电站发电机定子接地保护，经过整改，实现保护选择性。采用3UO作为动作判据，选择机端零序电流和机端PT开口三角3U0计算零序功率构成零序功率方向元件。比较零序电流及机端零序电压的相位关系，能准确地判断区内区外故障，从而保证了扩大单元定子接地保护运作的选择性，避免了误跳非故障机组,解决了桥巩水电站两机一变接线的发电机定子接地保护无选择性的难题。目前该保护方案已在桥巩电站8台机组已全部整改完成并投入运行。

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1674-6708（2010）23-0170-02

潘雪梅，工程师，从事水电建设、管理工作