阿薩漢水電站注入式定子接地保護(hù)應(yīng)用探析

章日成，周方華

(浙江華電烏溪江水電廠(chǎng)，浙江 衢州 324000)

0 引言

阿薩漢一級(jí)水電站位于印度尼西亞北蘇門(mén)答臘島，距離省會(huì)棉蘭市約130 km，是中國(guó)華電集團(tuán)公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)華電集團(tuán))投資控股并自主建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)的海外水電項(xiàng)目。電站安裝2臺(tái)90 MW立式混流式水輪發(fā)電機(jī)組，是北蘇門(mén)答臘省最大的水電機(jī)組，電站裝機(jī)占當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)總?cè)萘康?5%左右，且電站來(lái)水充沛，可保持常年發(fā)電，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀(guān)，在當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)有著舉足輕重的作用。電站自2010年4月投運(yùn)以來(lái)，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，向印尼電網(wǎng)源源不斷地輸送綠色清潔能源，為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)。該電站機(jī)電設(shè)備采用我國(guó)國(guó)產(chǎn)設(shè)備，保護(hù)裝置全部來(lái)自國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)國(guó)電南自)，在印尼行業(yè)內(nèi)保持領(lǐng)先水平。華電集團(tuán)配合廠(chǎng)家和施工單位對(duì)電站保護(hù)裝置進(jìn)行了精心調(diào)試，從1年多的運(yùn)行情況來(lái)看，國(guó)電南自DGT-801系列發(fā)電機(jī)變壓器組(以下簡(jiǎn)稱(chēng)發(fā)變組)保護(hù)能適應(yīng)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)波動(dòng)大和潮熱的地理環(huán)境，其可靠性經(jīng)得住考驗(yàn)。通過(guò)分析電站投運(yùn)初期，電站2臺(tái)發(fā)電機(jī)注入式定子接地保護(hù)相繼動(dòng)作這一行為，提出了發(fā)電機(jī)注入式定子接地保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中的一些應(yīng)用問(wèn)題，探討了解決問(wèn)題的辦法。

1 電站注入式定子接地保護(hù)原理

阿薩漢一級(jí)水電站定子接地保護(hù)注入電源由某公司生產(chǎn)的7XT33型20 Hz低頻發(fā)生器和7X34型帶通濾波器組成，濾波后的低頻電源加在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器二次負(fù)載電阻上，通過(guò)接地變壓器把外加20 Hz低頻電源注入到發(fā)電機(jī)定子回路中，加入到定子繞組上的低頻電壓不超過(guò)1%～3%額定電壓，接線(xiàn)原理如圖1所示。

圖1 阿薩漢電站注入式定子接地保護(hù)原理

國(guó)電南自保護(hù)裝置采集負(fù)載電阻上的分壓值Ug0和中間變流器(4NC5225)二次電流Ig0，通過(guò)導(dǎo)納法準(zhǔn)確計(jì)算出發(fā)電機(jī)定子接地故障時(shí)的接地電阻值，計(jì)算出的電阻阻值與定子繞組的接地故障位置無(wú)關(guān)，可以反映發(fā)電機(jī)100%的定子繞組單相接地故障。

接地電阻判據(jù)反映發(fā)電機(jī)定子繞組接地電阻的大小，設(shè)有2段接地電阻定值，高定值段作用于報(bào)警，低定值段作用于延時(shí)跳閘，低定值段出口加入注入電源回路故障閉鎖，保護(hù)裝置檢測(cè)到Ug0和Ig0低于設(shè)定值時(shí)，閉鎖保護(hù)跳閘出口。

2 保護(hù)動(dòng)作分析

2.1 第1次保護(hù)動(dòng)作過(guò)程

2010-09-07，阿薩漢一級(jí)水電站2臺(tái)機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷正常運(yùn)行。09：31：16，上位機(jī)監(jiān)控屏顯示“#1機(jī)組注入式定子接地保護(hù)動(dòng)作”“#1機(jī)組電氣事故停機(jī)”等信號(hào)。經(jīng)運(yùn)行人員現(xiàn)場(chǎng)檢查確認(rèn)，#1機(jī)組保護(hù)屏定子接地保護(hù)信號(hào)燈亮，保護(hù)出口事故燈亮，水輪機(jī)組事故停機(jī)。

從保護(hù)裝置動(dòng)作報(bào)告可知，雙保護(hù)中央處理器(CPU)都出口動(dòng)作，報(bào)告顯示接地電阻值均小于1.2 kΩ(整定值2 kΩ)，注入20 Hz檢測(cè)電流達(dá)130 mA(閉鎖電流為8 mA)。保護(hù)動(dòng)作時(shí)，基波零序電壓3U0達(dá)51 V，是定子繞組接地時(shí)的典型特征。但查看保護(hù)動(dòng)作報(bào)告,基波零序電壓保護(hù)沒(méi)有動(dòng)作,經(jīng)分析是由于注入式定子接地保護(hù)動(dòng)作第一時(shí)限設(shè)為0.1 s，而基波零序電壓出口延時(shí)整定0.5 s，還沒(méi)來(lái)得及動(dòng)作，故障點(diǎn)已被切除。

保護(hù)裝置動(dòng)作波形如圖2所示，圖中上方3個(gè)波形分別來(lái)自機(jī)端電壓Uab,Ubc，Uca，圖下方2個(gè)波形分別來(lái)自中性點(diǎn)壓變和機(jī)端壓變的3U0電壓，3U0n為中性點(diǎn)電壓，3U0t為機(jī)端儀變開(kāi)口三角形電壓，x軸0點(diǎn)坐標(biāo)為故障時(shí)間點(diǎn)，y軸為電壓幅值。由圖2可以看出，發(fā)電機(jī)定子繞組發(fā)生單相接地時(shí)相間電壓是對(duì)稱(chēng)的，無(wú)法看出哪相發(fā)生接地故障，但通過(guò)查看發(fā)變組故障錄波圖可以看出，C相發(fā)生了持續(xù)近8個(gè)周波的短時(shí)接地故障，與出現(xiàn)3U0電壓是同時(shí)的。但機(jī)組停機(jī)后，專(zhuān)業(yè)人員在實(shí)際測(cè)量定子絕緣電阻值時(shí)并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其出現(xiàn)明顯降低，因而懷疑故障是保護(hù)誤動(dòng)作所引起的。專(zhuān)業(yè)人員將查找范圍擴(kuò)大至主變壓器低壓封閉母線(xiàn)，當(dāng)運(yùn)行人員隔離主變壓器高壓開(kāi)關(guān)后，再次測(cè)試主變壓器低壓引線(xiàn)絕緣電阻時(shí)，發(fā)現(xiàn)引線(xiàn)C相絕緣電阻非常低。通過(guò)對(duì)封閉母線(xiàn)全線(xiàn)段逐一排查，最終找出故障點(diǎn)在主變壓器低壓引線(xiàn)C相出口垂直段，原因?yàn)槟妇€(xiàn)密封不嚴(yán)，長(zhǎng)期雨水滲漏積水導(dǎo)致C相通過(guò)積水放電，從而引起短路接地。

圖2 #1機(jī)組注入式定子接地保護(hù)動(dòng)作波形

2.2 第2次保護(hù)動(dòng)作過(guò)程

2010-09-07 T 17：53，#2機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行。當(dāng)排除#1機(jī)組定子接地故障恢復(fù)運(yùn)行時(shí)，在操作#1機(jī)組主變壓器空載合閘瞬間，監(jiān)控顯示#2機(jī)組電氣事故停機(jī)，上傳信號(hào)為“#2機(jī)組定子注入式接地保護(hù)動(dòng)作”，專(zhuān)業(yè)人員第一判斷為#2機(jī)組定子引出線(xiàn)也發(fā)生了積水接地故障。

第2次保護(hù)動(dòng)作波形如圖3所示，從此次保護(hù)裝置動(dòng)作報(bào)告可看出，注入式定子接地保護(hù)檢測(cè)到定子接地電阻值為0.2 kΩ，比#1機(jī)組動(dòng)作值還小。但報(bào)告同時(shí)顯示，保護(hù)動(dòng)作記錄下的基波零序電壓僅為1 V,為不平衡電壓，而且注入20 Hz檢測(cè)漏電流沒(méi)有明顯增大，為8.6 mA，只略大于保護(hù)出口閉鎖值(8 mA)。進(jìn)一步查看發(fā)變組故障錄波圖形時(shí)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)電壓波形畸變，也沒(méi)錄到機(jī)組3U0電壓，說(shuō)明發(fā)電機(jī)并沒(méi)有真正發(fā)生接地故障。圖3中記錄的3U0n和3U0t不是工頻電壓，是近似于注入的20 Hz電壓(Vin)，濾波后的工頻電壓僅1 V左右。鑒于#1機(jī)組的經(jīng)驗(yàn)，在發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)狀態(tài)下，檢查運(yùn)行主變壓器保護(hù)低壓側(cè)引入基波零序電壓值，顯示電壓值也很小，不存在單相接地故障。

圖3 #2機(jī)組注入式定子接地動(dòng)作波形

3 定子接地保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

從以上#1，#2機(jī)組注入式定子接地保護(hù)先后2次動(dòng)作情況分析，顯然第1次保護(hù)動(dòng)作具有定子單相接地特征，第2次檢測(cè)接地電阻達(dá)到整定值，但從有關(guān)錄波數(shù)據(jù)和事后一次絕緣實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，確認(rèn)為保護(hù)誤動(dòng)作。

3.1 電源回路故障閉鎖整定

注入式定子接地保護(hù)實(shí)時(shí)檢測(cè)定子絕緣情況，實(shí)時(shí)檢測(cè)定子絕緣電阻，保護(hù)動(dòng)作主判據(jù)選用接地電阻是合理的，也直觀(guān)反映了定子運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)絕緣狀況，比采用發(fā)電機(jī)自身電氣量判斷定子接地具有優(yōu)越性。在該保護(hù)動(dòng)作中，定子接地電阻發(fā)信段動(dòng)作值為5 kΩ,跳閘段電阻值為2 kΩ,比較符合水電機(jī)組實(shí)際。

外加電源工作的可靠性是該保護(hù)動(dòng)作設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在該保護(hù)動(dòng)作中，注入電源發(fā)生器和帶通濾波器都選用進(jìn)口元件，運(yùn)行穩(wěn)定性相對(duì)可靠，在跳閘出口判據(jù)中采用了低頻電源異常閉鎖保護(hù)的措施，即當(dāng)外加低頻注入電流Ig0<8 mA或Ug0<0.5 V時(shí)，閉鎖定子接地保護(hù)出口。

低頻注入電源在水輪機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)可以在線(xiàn)檢測(cè)定子絕緣電阻和低頻漏電流，而低頻漏電流不大，為5～7 mA，其閉鎖漏電流整定值也往往參考該值。但事實(shí)上，當(dāng)定子系統(tǒng)真正發(fā)生接地故障時(shí)，其接地故障檢測(cè)漏電流明顯增大，成倍數(shù)增加，已發(fā)生過(guò)的接地故障和實(shí)際接地試驗(yàn)證實(shí)，其故障漏電流達(dá)到100 mA以上。就以上2次故障為例，第1次故障記錄Ig0達(dá)到132 mA，第2次故障記錄Ig0僅為8.6 mA，略微超過(guò)閉鎖值。從經(jīng)驗(yàn)得出，該閉鎖值整定偏小，可根據(jù)電站實(shí)際適當(dāng)提高低頻漏電流閉鎖值，以避免干擾等因素影響。

3.2 保護(hù)跳閘出口延時(shí)整定

比較2次保護(hù)動(dòng)作錄波圖可發(fā)現(xiàn)，第1次機(jī)端和中性點(diǎn)3U0波形中僅含有基波零序電壓，而第2次錄制的3U0波形中并沒(méi)有基波零序電壓，而是近似于外加20 Hz的低頻波，并在其波形上調(diào)制了高次諧波，這近似于20 Hz的低頻波就是影響注入式定子接地電阻計(jì)算的主要原因。

分析第2次跳閘時(shí)的工況可知，當(dāng)系統(tǒng)對(duì)#1機(jī)組主變壓器空載充電時(shí)，在運(yùn)行的#1機(jī)組將汲出大量勵(lì)磁涌流，而涌流波形將隨著不同的合閘角等因素隨機(jī)變化。查閱以往的運(yùn)行記錄可知，這種操作屬于正常方式，以往并沒(méi)有發(fā)生過(guò)注入式定子接地保護(hù)誤出口事件，說(shuō)明這次故障僅是各種因素的巧合。

為了避免這種近似注入電源的低頻波的影響，有些廠(chǎng)家建議在機(jī)組啟機(jī)低頻段退出注入式保護(hù)，但并沒(méi)有提出解決類(lèi)似空載合閘時(shí)低頻波影響的辦法。由于定子繞組單相接地允許機(jī)組在一定時(shí)間內(nèi)繼續(xù)運(yùn)行，原本保護(hù)跳閘延時(shí)設(shè)定為0.1 s，可以通過(guò)延長(zhǎng)注入式定子接地保護(hù)跳閘出口時(shí)間的方法，來(lái)避免空載合閘涌流對(duì)保護(hù)產(chǎn)生影響。

3.3 定子接地保護(hù)的配置

目前大中型發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)主要配置分為3種類(lèi)型：基波零序過(guò)電壓、三次諧波電壓保護(hù)和外加低頻注入式100%定子接地保護(hù)。阿薩漢一級(jí)水電站配置以上3種保護(hù)措施，但由于三次諧波電壓保護(hù)在投運(yùn)時(shí)廠(chǎng)方專(zhuān)業(yè)人員沒(méi)到場(chǎng)，該套保護(hù)一直沒(méi)有投運(yùn)，為日后的故障分析帶來(lái)不便。在發(fā)生以上2次注入式接地保護(hù)動(dòng)作事件后，及時(shí)聯(lián)系廠(chǎng)方人員進(jìn)行了各種工況下的三次諧波動(dòng)作方程系數(shù)測(cè)試，機(jī)組已投入運(yùn)行，與注入式接地保護(hù)構(gòu)成了不同原理的雙套定子接地保護(hù)。

基波零序過(guò)電壓保護(hù)是一套原理簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠的定子接地保護(hù)，由于同時(shí)采用了機(jī)端壓變開(kāi)口三角電壓和中性點(diǎn)接地壓變電壓，出口邏輯可選用與門(mén)方式，動(dòng)作可靠，保護(hù)范圍可達(dá)定子繞組90%以上。

但從第1次故障現(xiàn)象可以看出，運(yùn)行機(jī)組在主變壓器低壓繞組及引線(xiàn)上發(fā)生接地時(shí)，發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)可以反映出故障，當(dāng)發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)機(jī)組出口斷路器后，接地故障點(diǎn)仍然存在，但發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)已不能反映故障狀態(tài)，此時(shí)只能借助主變壓器低壓側(cè)自身接地保護(hù)來(lái)反映故障。但由于設(shè)計(jì)單位的疏忽，盡管主變壓器低壓母線(xiàn)三相電壓及開(kāi)口電壓引入主變壓器保護(hù)裝置，但沒(méi)有專(zhuān)門(mén)設(shè)置接地保護(hù)。這樣，當(dāng)發(fā)電機(jī)出口斷路器跳開(kāi)前后，主變壓器保護(hù)一直未能發(fā)出主變壓器低壓側(cè)接地信號(hào)，給故障查找?guī)?lái)了極大不便。鑒于此，對(duì)主變壓器低壓側(cè)接地保護(hù)也進(jìn)行重新設(shè)置并投入運(yùn)行，對(duì)整個(gè)主變壓器低壓側(cè)接地保護(hù)進(jìn)行了完善。

4 注入式定子接地保護(hù)探討

隨著大型發(fā)電機(jī)組的廣泛應(yīng)用，對(duì)發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)也提出了更高的要求，注入式接地保護(hù)成為大型機(jī)組接地保護(hù)主流保護(hù)。注入式接地保護(hù)由于其保護(hù)原理不受接地位置和機(jī)組運(yùn)行工況影響，無(wú)保護(hù)死區(qū)，具有可在線(xiàn)監(jiān)視定子繞組絕緣的緩慢變化等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛接受。針對(duì)目前應(yīng)用的各型注入式接地保護(hù)，本文就以下3個(gè)問(wèn)題作一探討。

4.1 定子接地保護(hù)跳閘判據(jù)宜引入接地安全電流

根據(jù)DL/T 684—2012《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》規(guī)定，當(dāng)發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障電流小于安全電流時(shí)，單相接地保護(hù)設(shè)置帶時(shí)限動(dòng)作于信號(hào)，允許發(fā)電機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間；當(dāng)單相接地電流大于允許值時(shí)，保護(hù)應(yīng)切換為動(dòng)作于停機(jī)。

阿薩漢一級(jí)水電站定子接地動(dòng)作主判據(jù)為測(cè)量接地電阻，由于該測(cè)量值受到系統(tǒng)運(yùn)行方式、注入電源及外部干擾等因素的影響，致使第2次注入式接地保護(hù)誤動(dòng)作。實(shí)查此時(shí)安全電流極少，如果用安全電流值來(lái)閉鎖保護(hù)出口，既增加了可靠性，也符合規(guī)程的有關(guān)規(guī)定。

比較大型發(fā)電廠(chǎng)常用的注入式定子接地保護(hù)，判斷邏輯適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，如圖4所示。

圖4 注入式定子接地保護(hù)動(dòng)作邏輯

4.2 定子機(jī)端電壓宜采用三相四線(xiàn)

早期的發(fā)電機(jī)保護(hù)采用的機(jī)端引入電壓多為三相四線(xiàn)制，即有N中性線(xiàn)。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，保護(hù)裝置采樣值既顯示單相電壓值，也可查看相間電壓值。當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生單相接地時(shí)，接地相電壓通常降低，非接地相電壓升高，3U0出現(xiàn)不平衡電壓，極易判斷是哪相發(fā)生接地現(xiàn)象。

但目前有些微機(jī)型發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置不引N線(xiàn)，裝置也就無(wú)法測(cè)量發(fā)電機(jī)單相電壓。國(guó)內(nèi)主要廠(chǎng)家接入方式統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)主要廠(chǎng)家保護(hù)裝置電壓引入方式統(tǒng)計(jì)

由表1可知，不少?gòu)S家并不引入機(jī)端電壓N線(xiàn)。但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，不引入機(jī)端電壓N線(xiàn)對(duì)事故分析不利，因?yàn)椴灰隢線(xiàn)，保護(hù)裝置采樣值只能是相間電壓，當(dāng)發(fā)生定子接地或壓變回路不正常時(shí)給運(yùn)行分析帶來(lái)不便。如阿薩漢一級(jí)電站，當(dāng)2次定子接地保護(hù)動(dòng)作時(shí)，保護(hù)動(dòng)作報(bào)告只記錄3U0值和相關(guān)保護(hù)動(dòng)作值，調(diào)看保護(hù)裝置動(dòng)作波形圖，并無(wú)定子單相電壓記錄，只錄下相間電壓。當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生接地故障時(shí)，包括主變壓器低壓側(cè)在內(nèi)，不論哪相接地，發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置采樣相間電壓不會(huì)變化，盡管3U0值增大，但保護(hù)動(dòng)作后無(wú)法區(qū)分哪相接地，為事故查找和分析帶來(lái)不便。

按照大型發(fā)變組保護(hù)配置要求，單機(jī)100 MW及以上機(jī)組要配置發(fā)變組故障錄波器，通過(guò)故障錄波器來(lái)分析故障可以彌補(bǔ)不引入機(jī)端電壓N線(xiàn)的不足，但對(duì)一些不配故障錄波裝置的中小型機(jī)組來(lái)說(shuō)，分析難度仍然很大。

4.3 注入式接地保護(hù)的頻率閉鎖問(wèn)題

大部分保護(hù)裝置廠(chǎng)家在其裝置說(shuō)明中都認(rèn)為無(wú)需考慮注入式接地保護(hù)的頻率閉鎖問(wèn)題，理由是發(fā)電機(jī)絕大部分時(shí)間的運(yùn)行頻率不會(huì)低于注入電源頻率(通常為20 Hz)。在實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)電機(jī)雖然在啟、停機(jī)階段運(yùn)行時(shí)間不長(zhǎng)，但發(fā)電機(jī)在低頻段產(chǎn)生的低頻磁場(chǎng)對(duì)注入低頻信號(hào)源產(chǎn)生了影響，其影響需通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)來(lái)觀(guān)察，決定是否投入頻率閉鎖。但如阿薩漢一級(jí)電站遇到的情況，在變壓器空投時(shí)產(chǎn)生的包括低頻在內(nèi)的各種諧波對(duì)注入源的影響，同樣也應(yīng)引起保護(hù)廠(chǎng)家設(shè)計(jì)人員的重視。

若在圖4所示的注入式接地保護(hù)邏輯中增加頻率閉鎖投入控制選項(xiàng)，可極大地方便現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)整定和運(yùn)行人員的選擇。

5 結(jié)束語(yǔ)

定子接地保護(hù)是發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中最重要的組成部分之一。隨著大型發(fā)電機(jī)組的大量投入運(yùn)行，單機(jī)容量增加，機(jī)組造價(jià)提高，機(jī)組容量占電網(wǎng)總?cè)萘康谋戎丶哟螅坏C(jī)組發(fā)生接地?fù)p壞事故，將對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成巨大損失。發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生單相接地故障，接地點(diǎn)流過(guò)的電流是發(fā)電機(jī)本身及其引出回路對(duì)地電容總電流，當(dāng)該電流超過(guò)發(fā)電機(jī)允許值時(shí)，會(huì)燒傷定子鐵芯，進(jìn)而損壞定子繞組絕緣，引起匝間或相間短路，擴(kuò)大事故范圍。而由于注入式定子接地保護(hù)靈敏度高，能100%反映定子接地故障，受定子繞組對(duì)地電容影響小，能全天候反映定子繞組絕緣水平，成為大中型發(fā)電機(jī)組所必配的保護(hù)裝置，在定子接地事故中發(fā)揮了重要作用。

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