注入式定子接地保護(hù)在錦屏二級水電站的應(yīng)用

陳熙平，張 偉，馬金濤，曹 鋼

（錦屏水力發(fā)電廠，四川 西昌 615000）

注入式定子接地保護(hù)在錦屏二級水電站的應(yīng)用

陳熙平，張 偉，馬金濤，曹 鋼

（錦屏水力發(fā)電廠，四川 西昌 615000）

介紹了注入式定子接地保護(hù)原理，總結(jié)分析了錦屏二級水電站定子接地保護(hù)的現(xiàn)場具體調(diào)試方法，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際測量數(shù)據(jù)，計(jì)算得出注入式保護(hù)裝置的定值，對現(xiàn)場調(diào)試提出注意事項(xiàng)。

定子接地保護(hù)；調(diào)試方法；計(jì)算

0 引言

錦屏二級水電站作為雅礱江流域水電開發(fā)有限公司開發(fā)雅礱江下游河段的龍頭水電站，是國家“川電外送”能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。該電站最大水頭321m，額定水頭288m，共安裝八臺混流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量600MW，總裝機(jī)容量4800MW。發(fā)電機(jī)采用密閉自循環(huán)空氣冷卻方式。由于該發(fā)電機(jī)組定子繞組對地電容較大，當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)端附近發(fā)生接地故障時(shí)，故障點(diǎn)的電容電流比較大，該電容電流在接地點(diǎn)產(chǎn)生電弧，將灼傷接地點(diǎn)的鐵芯，影響發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行；同時(shí)由于接地故障的存在，會引起接地弧光過電壓，可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)其他位置絕緣的破壞，形成危害嚴(yán)重的相問或匝間短路故障[1]。鑒于此，錦屏二級發(fā)電機(jī)配置兩套定子接地保護(hù)，分別是由基波零序電壓型和3次諧波型構(gòu)成的100%定子接地保護(hù)，外加20Hz電源的注入式定子接地保護(hù)。

本文分析總結(jié)南瑞RCS-985注入式定子接地保護(hù)的原理以及現(xiàn)場具體調(diào)試方法，通過模擬發(fā)電機(jī)發(fā)生定子接地故障來校驗(yàn)該保護(hù)裝置對接地電阻測量的準(zhǔn)確性。

1 南瑞注入式定子接地保護(hù)原理

注入式定子接地保護(hù)的靈敏度與發(fā)電機(jī)的工況無關(guān)，且可以監(jiān)測發(fā)電機(jī)絕緣老化。通過將低頻電流注入到發(fā)電機(jī)接地變壓器二次側(cè)，檢測接地變壓器二次回路中的電壓、電流量來計(jì)算發(fā)電機(jī)定子接地電阻。

1.1 錦屏二級發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)配置

錦屏二級發(fā)電機(jī)注入式定子接地保護(hù)輔助電源裝置RCS-985U安裝在主變保護(hù)非電量C柜內(nèi)，具體保護(hù)接線圖詳見圖1。

圖1 發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)系統(tǒng)接線圖

圖1中輔助電源裝置RCS-985U將20Hz的低頻電壓通過電纜注入到接地變壓器二次負(fù)載電阻Rn上，同時(shí)將接地變壓器二次負(fù)載上的部分電壓和二次電流引入到發(fā)電機(jī)A柜的RCS-985保護(hù)裝置中，通過保護(hù)裝置的計(jì)算得出定子接地電阻值。變壓器二次負(fù)載上的電壓也引入到發(fā)電機(jī)B柜的RCS-985保護(hù)裝置中，作為基波零序電壓型和3次諧波型定子接地保護(hù)的動作量。

1.2 保護(hù)原理分析

若接地變?yōu)槔硐胱儔浩?，忽略接地變的漏抗和勵磁阻抗的影響，利用?dǎo)納法計(jì)算得出接地電阻的二次值R'g[2]為：

但是實(shí)際上接地變的短路阻抗并非為0[3]，勵磁阻抗也并非為無窮大，所以保護(hù)算法中應(yīng)該考慮接地變壓器參數(shù)的影響。圖2為根據(jù)變壓器的 ? 型等效電路得出定子繞組發(fā)生單相接地故障時(shí)的等效電路圖。

表1 設(shè)備參數(shù)

圖2 發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)系統(tǒng)接線圖

根據(jù)圖1具體的測量檢驗(yàn)方法如下：

（1）現(xiàn)場解開在端子6U1D1、6U1D5的外部接線，測量端子6U1D1、6U1D5之間的電壓和電流，即得到RCS-985U裝置的空載電壓U0和短路電流IR，由此計(jì)算出RCS-985U的內(nèi)阻Rin。

（2）現(xiàn)場恢復(fù)端子6U1D1、6U1D5的外部接線后，分別測量端子 6U1D1、6U1D5之間和 6U2D1、6U2D5之間的電壓，此電壓分別為RCS-985U裝置要注入到負(fù)載電阻上的電壓UL和負(fù)載電阻電壓返送至RCS-985U裝置的電壓UFL，由此驗(yàn)證現(xiàn)場電纜分壓以及接線的正確性。

（3）測量端子6U2D4、6U2D5之間的用于保護(hù)裝置計(jì)算用電壓U，驗(yàn)證分壓比。

根據(jù)圖2可計(jì)算得出的接地電阻的二次值R'g為：

由于接地電阻二次值R'g＜＜Rm+Xm，接地電阻與接地變勵磁阻抗在電路中相并聯(lián)，所以在計(jì)算接地電阻的二次值R'g時(shí)可以忽略接地變的勵磁阻抗。

南瑞RCS-985保護(hù)裝置為保證計(jì)算定子接地電阻的準(zhǔn)確性，將（2）式中接地變短路阻抗進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)補(bǔ)償接地變的傳變誤差和現(xiàn)場接線電纜分壓引起的誤差。參數(shù)補(bǔ)償時(shí)先模擬發(fā)電機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下發(fā)電機(jī)定子發(fā)生金屬性接地故障，記錄該狀態(tài)下的阻抗測量值，將該值整定到定子接地保護(hù)的定值中，整定后保護(hù)測量到的阻抗值應(yīng)為0。

表2 錦屏二級2號機(jī)R C S-985U裝置現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)

通過表2數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算如下：RCS-985U的內(nèi)阻：

負(fù)載電阻上電壓大于負(fù)載電阻返回電壓，說明現(xiàn)場所用電纜確實(shí)存在壓降。負(fù)載電阻返回電壓理論計(jì)算值：

2 南瑞注入式定子接地保護(hù)現(xiàn)場調(diào)試

錦屏二級2號發(fā)電機(jī)及其中性點(diǎn)接地變壓器等設(shè)備的參數(shù)如表1。

2.1 注入式定子接地保護(hù)參數(shù)測量計(jì)算

注入式定子接地保護(hù)調(diào)試時(shí)應(yīng)先測量出RCS-985U裝置的內(nèi)阻，檢驗(yàn)現(xiàn)場接線的正確性，以確保注入式定子接地裝置有正確的低頻電源輸出。

理論計(jì)算值與現(xiàn)場實(shí)測值相差不大，說明現(xiàn)場接線正確。

裝置分壓比計(jì)算：

分壓比k接近1/5，驗(yàn)證裝置分壓比正確。

RCS-985U進(jìn)行分壓后，當(dāng)一次系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，進(jìn)入到985GW保護(hù)裝置的電壓為接地變壓器二次側(cè)電壓的1/5，起到保護(hù)裝置的作用。

2.2 CT極性的驗(yàn)證

模擬發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行狀態(tài)，將主變、接地變、電壓互感器等設(shè)備都帶上，此時(shí)由于發(fā)電機(jī)對地電容的影響，測得的電流應(yīng)該是容性的。但保護(hù)裝置顯示的相角為電壓超前電流的角度，此容性角度應(yīng)該在270°附近，如果是90°附近，則掉換電流或電壓的極性。

錦屏二級2號機(jī)在第一次測量該角度時(shí)只有82.4°，但現(xiàn)場完成二次回路接線后廠家已經(jīng)將CT極性調(diào)整正確。后詢問現(xiàn)場施工人員得知是試驗(yàn)班人員查線時(shí)，根據(jù)施工圖紙將CT接線極性更改了。后又經(jīng)廠家更改CT極性接線后，該狀態(tài)下測得電壓超前電流角度為261.3°，說明此時(shí)CT極性正確。同時(shí)測得該狀態(tài)下的20Hz低頻電流5.52mA，因?yàn)樵跊]有故障的時(shí)低頻電流有最小值，發(fā)生金屬性接地短路時(shí)，電流有最大值，由該低頻電流乘以可靠系數(shù)可得出“電流回路監(jiān)測值”。

2.3 相角補(bǔ)償角的測量

在發(fā)電機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下，更改接線，將疊加低頻電壓到負(fù)載電阻的電纜一端將中間CT帶入，記錄此時(shí)相角值為168.1°。在該接線下中間CT流過的電流就是負(fù)載電阻上的電流，此時(shí)裝置采得的電壓與電流之間的角度應(yīng)該為180°，但是由于低頻電壓電流經(jīng)過985GW的各種元器件，將會有一定的誤差，所以通過此辦法進(jìn)行檢驗(yàn)、修正。故相角補(bǔ)償定值為168.1°-180°=-11.9°，即348.1°。在恢復(fù)接線后，測得補(bǔ)償后的相角值為269.4°。

2.4 阻抗補(bǔ)償值的測量

發(fā)電機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)下，投入保護(hù)裝置“補(bǔ)償試驗(yàn)狀態(tài)投入”控制字，在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地刀閘處引出電纜與地網(wǎng)相接，即模擬發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)金屬性接地故障。其目的是測量接地變壓器的短路阻抗，以用于在985GW測得的數(shù)據(jù)中將此阻抗減去，這樣才能得到發(fā)電機(jī)對地實(shí)際接地阻抗。在該狀態(tài)下，測得該機(jī)組測量二次電阻值和電抗值分別為3Ω、5.8Ω。將該組數(shù)據(jù)作為電阻補(bǔ)償定值、電抗補(bǔ)償定值輸入保護(hù)裝置。

退出“補(bǔ)償試驗(yàn)狀態(tài)投入”控制字，測得此時(shí)二次電阻值和電抗值分別為0、0.4Ω。同時(shí)測得該狀態(tài)下20Hz低頻電壓0.05V。因?yàn)樵诙搪返臅r(shí)候低頻電壓為最小值，由此電壓值乘以可靠系數(shù)可得到“電壓回路監(jiān)視定值”。

2.5 電阻折算系數(shù)的計(jì)算

在現(xiàn)場調(diào)試時(shí)，為方便計(jì)算，對于水輪發(fā)電機(jī)電阻折算系數(shù)可以預(yù)先取1。發(fā)電機(jī)在靜態(tài)下，模擬正常運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)發(fā)生金屬性接地故障，讀取保護(hù)裝置所測到的電阻值（一次值）。接地電阻實(shí)際值（一次值）與測量值相比即得到電阻折算系數(shù)。調(diào)整電阻折算系數(shù)后，再次驗(yàn)證保護(hù)裝置的測量精度，直到保護(hù)裝置有最小測量誤差。

表3 錦屏二級2號機(jī)定子接地試驗(yàn)數(shù)據(jù)

經(jīng)現(xiàn)場多次試驗(yàn)，當(dāng)電阻折算系數(shù)為14.7時(shí)，保護(hù)裝置的測量相對誤差之和有最小值。且由表3數(shù)據(jù)可知，在當(dāng)前電阻折算系數(shù)下，當(dāng)接地電阻在4kΩ左右時(shí)，保護(hù)裝置測量接地電阻誤差最小，測量誤差隨著接地電阻的增大而增大。整定計(jì)算出的注入式定子接地保護(hù)報(bào)警定值為10.2kΩ，跳閘定值為3.6kΩ。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，保護(hù)裝置在該跳閘定值附近有最小測量誤差。

3 現(xiàn)場調(diào)試注意事項(xiàng)

根據(jù)錦屏2號發(fā)電機(jī)的現(xiàn)場調(diào)試，總結(jié)現(xiàn)場調(diào)試時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

（1）現(xiàn)場調(diào)試前應(yīng)先檢查回路的正確性。現(xiàn)場可能因?yàn)槿说囊蛩卦斐慑e接、漏接的錯誤還是存在的。此外還要檢查接線所使用的電纜是否有屏蔽層。為最大限度減小接線電纜電阻分壓引起的誤差，接線用的電纜除分壓電阻的電壓引至RCS-985GW保護(hù)裝置的導(dǎo)線截面積不應(yīng)低于2.5mm2外，其他接線電纜都不應(yīng)低于4mm2。

對于低頻回路必須使用帶屏蔽的電纜防止電磁干擾。電壓回路應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行電壓回路一點(diǎn)接地。

（2）在測量計(jì)算電阻折算系數(shù)時(shí)一定要把主變、勵磁變、高廠變、發(fā)電機(jī)PT、接地變都帶上，模擬發(fā)電機(jī)真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)的接地電阻跟各設(shè)備的對地容抗是并聯(lián)的關(guān)系，所以接地電容的大小直接關(guān)系到裝置所能測量到的電阻值范圍，所以必須把這些設(shè)備都帶上，以保證測量更加精確。

（3）在做試驗(yàn)時(shí)不要一直把電阻接在上面，以防止電阻發(fā)熱壞掉?，F(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)，可以用對講機(jī)聯(lián)系，在保護(hù)裝置上看到了測量數(shù)據(jù)后立即把接地電阻拿開，需要再做時(shí)再將接地電阻接上。

（4）在升壓過程中做接地試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)事先將接地電阻接好，現(xiàn)場人員都撤離故障點(diǎn)后，再緩慢將發(fā)電機(jī)升壓。

（5）為達(dá)到保護(hù)裝置有最大測量精度，在計(jì)算電阻折算系數(shù)時(shí)，應(yīng)計(jì)算出不同的折算系數(shù)、測量多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。最后得出誤差值最小時(shí)一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的折算系數(shù)作為保護(hù)裝置定值。

折算時(shí)可以舍棄誤差較大的測量值。錦屏二級2號機(jī)現(xiàn)場測量時(shí)，當(dāng)電阻大于10kΩ時(shí)，測量誤差直線上升。故在測量第三組試驗(yàn)數(shù)據(jù)事舍棄10kΩ以上數(shù)據(jù)，只測量10kΩ以內(nèi)的電阻值，多次校正后得出最小測量誤差下的電阻折算系數(shù)作為保護(hù)裝置的定值。

4 結(jié)語

每臺機(jī)組雖然設(shè)計(jì)參數(shù)相同，但可能由于現(xiàn)場安裝工藝、設(shè)計(jì)連接方法不同等因素的影響使得對發(fā)電機(jī)地電容、接地變短路阻值不一樣，所以每臺機(jī)組的注入式定子接地保護(hù)的值都需通過現(xiàn)場調(diào)試時(shí)整定。按照正確步驟做好現(xiàn)場調(diào)試，正確的計(jì)算出保護(hù)裝置定值，使得保護(hù)裝置正確動作，達(dá)到保護(hù)發(fā)電機(jī)定子的目的。

[1]王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2002：186-262.

[2]張琦雪，席康慶，陳佳勝，等.大型發(fā)電機(jī)注入式定子接地保護(hù)的現(xiàn)場應(yīng)用級分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2007，31（11）：103-105.

[3]畢大強(qiáng)，王祥珩，王維儉.發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地裝置等效電路的分析[J].繼電器，2003，31（1）：12-15.

TM772

B

1672-5387（2013）05-0024-04

2013-04-27

陳熙平（1986-），男，助理工程師，從事發(fā)電廠繼電保護(hù)工作。