赵 林，胥亚宁

（金安桥水力发电厂，云南 丽江 674100）

0 引言

定子绕组的单相接地是发电机较常见的一种故障，发电机单相接地故障往往是相间或匝间短路的先兆。金安桥水电站发电机空气冷却器、轴承冷却器的热交换方式为水冷式，如果冷却器发生漏水会引起发电机定子绝缘逐步劣化，虽不会立即击穿，但接地保护必须立即检测出来，否则发电机定子绝缘持续恶化将引起机组单相接地故障，甚至进一步扩展为相间或层间短路故障，将严重损坏机组。

针对定子绕组的单相接地故障，传统保护方法是由发电机基波零序电压和3次谐波电压构成100%定子接地保护，但是在发电机启停机过程中往往监测不到发电机定子绕组绝缘水平的下降和绝缘的破坏，并且由3次谐波电压电气量构成的保护也存在很多不可靠的因素，故在金安桥水电站定子接地保护双重配置B套保护中，使用了在国内有一定运行经验的20 Hz电源注入式保护，它不但能100%保护发电机定子绕组接地故障，还能保护包括引出线、主变低压、厂变励磁变高压任一点的单相接地故障，保护无动作死区且与接地位置无关，接地电阻灵敏度能够达到10 kΩ，且在发电机停机状态能起保护作用。从原理上看，外加电源方式定子接地保护反映定子绕组绝缘的均匀下降，对绝缘老化能起到监督作用。

金安桥水电站发电机中性点采用变压器电阻接地方式 （又称高阻接地方式），注入式定子接地保护采用WFB-801A装置，定子接地注入单元采用HMZRD-20220-1，注入频率20 Hz。

1 注入式定子接地保护原理

注入式定子接地保护是通过辅助电源装置将20 Hz低频电压加在负载电阻上，并通过接地变压器将低频电压信号注入到发电机定子绕组对地的零序回路中。发电机正常运行时，20 Hz电源几乎不产生电流，注入的电流主要表现为电容电流；而发生定子单相接地故障时，注入电流出现电阻性电流，保护装置检测注入的电压、电流信号，经过滤波和测量环节的补偿，通过导纳法可计算出接地故障的过渡电阻。为了消除50 Hz电压的干扰，保护采用了与系统频率不同的注入电源，这样就可简单地利用滤波器将干扰隔开。

由于发电机定子发生一点接地后，定子回路的阻抗将会发生变化，保护测量到的动作电流相量是不等于正常电流相量的。为了充分利用这种故障前后电流相量的差别，利用导纳判据可计算出接地故障的过渡电阻，公式为

式中， RK为接地电阻；n为中性点接地变压器的综合变比；U20为保护装置测量到的20 Hz电压；I20为保护装置测量到的20 Hz电流。

图1 外加20 Hz电源单相接地保护原理示意

当接地故障电阻计算值低于电阻的高整定值时保护发信号告警，当接地故障电阻计算值小于电阻的低整定值时保护动作于跳闸。保护通过对导纳型判据进行修正，提高了故障电阻计算的准确度，进一步提高检测的灵敏度。

发电机中性点经配电变压器高阻接地，外加20 Hz电源单相接地保护的接线如图1所示，等效电路如图2所示。

图2 考虑配电变压器参数的T型等效电路

另外设有独立于电阻判据且与辅助电源无关的工频零序过流 （直接反映流过中性点接地设备的零序电流）定子接地保护作为外加交流20 Hz电源发电机定子单相接地保护的补充。外加交流20 Hz电源发电机定子单相接地保护通常仅在有限的频率范围内计算的电阻才是有效的，其频率范围与所采用的滤波器有关。有效频率范围设为f=47.5 Hz～52.5 Hz，在发电机启、停过程中，只要频率超过这个范围就不计算电阻值并闭锁，而靠接地工频零序过流保护动作。这是因为发电机频率过低会干扰20 Hz测量值。

2 金安桥水电站接地变压器设计原则和有关参数的确定

发电机中性点的接地方式有经消弧线圈接地和经配电变压器接地，但经消弧线圈接地方式存在着中性点位移电压过大，基波零序过电压保护不易配置和有可能发生谐振过电压等种种不足之处；经配电变压器高阻接地，正常运行不会引起中性点电压偏移增大，另外经高阻接地增加了零序回路阻尼，没有传递过电压和暂态过电压的危险。采用配电变压器高阻接地，由于接地电流大于消弧线圈接地，定子接地保护动作于停机，金安桥水电站中性点选用中性点经配电变压器接地。

2.1 配电变压器的设计原则

2.1.1 负载电阻的设计原则

为避开间歇性单相接地故障重燃弧引起的尖峰过电压，使其小于2.6倍的相电压峰值，负载电阻折算到一次侧后的电阻值应当与发电机定子侧系统对地电容的容抗基本相等。这里的电容是指金安桥发电机定子绕组及与定子绕组直接相连的设备对地电容，主要包括：发电机定子绕组对地电容、主变低压侧绕组对地电容、励磁变高压侧绕组对地电容、断路器对地电容、发电机出口至其他连接设备之间连线的对地电容等。容抗是指工频频率下的容抗。

2.1.2 接地变压器电压变比

机端发生金属性接地故障后，中性点电压被抬高至相电压，因此接地变压器高压侧电压选择为发电机的额定相电压。

2.1.3 接地变压器、负载电阻容量

按发电机额定运行时机端发生短时金属性接地故障情况设计。一般的定子接地保护跳闸延时时间不超过4 s，考虑到跳闸后发电机励磁电流不能立刻降至0，为留有足够的裕度，短时时间可按20～60 s考虑。

2.2 金安桥水电站接地变压器负载电阻

2.3 金安桥水电站接地变压器容量

2.4 金安桥水电站电流互感器的选取

20 Hz定子一点接地保护包括反映50 Hz基波电流的后备保护和反映20 Hz测量电阻的主保护，保护装置的测量电流输入回路是公用的。因此，中间变流器变比的选择要两方面兼顾。

对于中间电流互感器的变比选择原则：①在保护灵敏度及测量精度期望值的要求下，首先要保证二次保护装置的测量精度；②在考虑接地故障时基波电流的影响下，选取电流互感器的额定值，不使电流互感器饱和。

3 结语

由WFB-801A发电机保护装置和HMZRD-20220-1定子接地注入单元组成的定子接地保护先后在秦山核电站、三峡右岸电站等成功投运，满足大型发电机对定子接地保护的要求，目前国内大型水轮发电机采用传统双频式定子接地保护和注入式定子接地保护双重配置，注入式定子接地保护消除了双频式定子接地保护在机组启停机发生定子接地故障时无保护的问题，同时可监视定子绕组绝缘缓慢老化的问题，定子注入式接地保护对配电变压器有关参数的选择有严格的要求，金安桥水电站配电变压器与定子注入式保护是否配合得当，需要在现场进一步做试验来调整有关参数使其保护运行在最佳状态。

［1］ 王维俭.电气主设备机电保护原理与应用［M］.北京：中国电力出版社，2001.

［2］ 姚晴林，赵斌，郭宝甫，等.自适应20 Hz电源注入式定子接地保护［J］.电力系统自动化， 2008（18）： 71-73.

［3］ 王维俭，徐振宇，张振华.大型发电机定子单相接地保护的研讨［J］.继电器， l999（4）： 6-9.