注入式定子接地保護的應用分析及整定計算

王文貞

摘要： 發(fā)電機定子繞組單相接地故障是發(fā)電機最常見的故障之一，配置高靈敏度的100%定子接地保護意義重大。本文主要介紹了發(fā)電機注入式定子接地保護的配置、保護原理、整定計算、現(xiàn)場調(diào)試以及應用實例，說明了該保護的優(yōu)點和實用性，必將得到更為廣泛的應用。

Abstract： The generator stator winding single-phase grounding fault is one of the most common faults of generator， configuration of high sensitivity 100% stator ground fault protection is of great significance. This paper mainly introduces the configuration， protection principles， setting calculation， site commissioning and application examples of injection-type stator ground protection， which will get more extensive application for its advantage and practicability.

關鍵詞： 注入式；定子接地保護；應用分析；整定計算

Key words： injection-type；stator ground protection；application analysis；setting calculation

中圖分類號：TM772 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）22-0224-03

0 引言

近年來發(fā)電機單機容量不斷增大，對定子接地保護提出了更高的要求。目前，國內(nèi)應用較多的100%定子接地保護是基波+三次諧波雙頻式定子接地保護，但由于其受發(fā)電機工況和接地位置影響較大，難以完全滿足大型發(fā)電機對高靈敏度的要求。而注入式定子接地保護的靈敏度不僅與運行狀況和接地位置無關，還可以反映發(fā)電機定子繞組絕緣下降，實時監(jiān)視絕緣老化的現(xiàn)象。因此，可以和雙頻式定子接地保護構成大型發(fā)變組的2套不同原理的100%定子接地保護。

1 注入式定子接地保護原理

注入式定子接地保護需要相應的外部附加設備，現(xiàn)場實際接線如圖1所示。

在發(fā)電機定子系統(tǒng)中注入低頻電源，等效電路如圖2所示。其中，US為注入電源電壓；Rin為注入電源等效內(nèi)阻；Rn為接地變二次負載電阻；-jXC為發(fā)電機定子繞組對地容抗；RE為接地過渡電阻；UG0為經(jīng)分壓器采集的零序電壓；IG0為零序電流二次值。

發(fā)電機正常運行時，定子繞組對地絕緣，回路中只有很小的電容電流，接地故障后，絕緣破壞，發(fā)電機定子繞組對地阻抗變化，此時電壓信號會通過接地電阻產(chǎn)生電流信號。通過檢測注入的電壓、電流信號，并忽略其他一些因素的影響，根據(jù)導納法可以計算出單相接地故障時接地電阻一次值，計算公式如下。

RE=■

其中，K為電阻折算系數(shù)，K=n2■，n為接地變變比，ndiv為分壓器分壓比；nCT為電流互感器變比。通過比較過渡電阻阻值，判定保護是否動作。

2 注入式定子接地保護整定計算

以某電廠600MW汽輪發(fā)電機組（3號機）為例，介紹注入式定子接地保護的整定過程。

2.1 接地電阻判據(jù)

2.1.1 測量電阻報警定值

600MW機組，3Io=■？燮Isafe

300～1000MW發(fā)電機當額定電壓為20～27kV時，Isafe=1A，考慮機端接地，？琢=1

所以，REH=■=■=11.5k？贅

根據(jù)運行經(jīng)驗取REH=（10.0～15.0）k？贅，一般取REH=10.0k？贅。

2.1.2 報警延時

一般延時1～5s，取t=5s，報警。

2.1.3 測量電阻跳閘定值

一般定子接地電阻定值可取1kΩ～5kΩ，本工程取REL=1k？贅。

為避免機組不必要的停機，跳閘段可增加接地電流閉鎖判據(jù)，僅當接地電流超過安全電流時才允許發(fā)電機跳閘。安全電流定值，可通過現(xiàn)場試驗或參數(shù)估算的方法確定。

2.1.4 跳閘延時

延時可取0.3～1.0s，取t=0.3s。

2.2 零序電流跳閘定值

IE.SEF=■=■=143.56A

？琢取20%；URn.SEC：機端金屬性接地時，負載電阻兩側電壓；Rn：發(fā)電機中性點接地變壓器二次側負載電阻。

二次值：IE.SEF=■=0.29A

2.3 測量回路監(jiān)視定值

2.3.1 電壓回路監(jiān)視定值

根據(jù)短路試驗檢測的最低注入電壓Umin，考慮一定的可靠系數(shù)得到。

ULF0.set=Krel×Umin=0.5×Umin

Krel：可靠系數(shù)，取0.4～0.6。

若檢測電壓值小于此監(jiān)視定值，則認為出現(xiàn)異常情況，裝置發(fā)出告警并閉鎖保護。

現(xiàn)場試驗確定電壓回路監(jiān)視定值為0.02V。

2.3.2 電流回路監(jiān)視定值

根據(jù)正常狀態(tài)下檢測的最低注入電流Imin，考慮一定的可靠系數(shù)得到。

ILF0.set=Krel×Imin=0.5×Imin

Krel：可靠系數(shù)，取0.4～0.6。

若檢測電流值小于此監(jiān)視定值，則認為出現(xiàn)異常情況，裝置發(fā)出告警并閉鎖保護。

現(xiàn)場試驗確定電流回路監(jiān)視定值為0.43mA。

2.4 補償環(huán)節(jié)定值確定

①相角補償定值。按相角補償試驗確定整定值為358.3°；②電阻補償定值。按阻抗補償試驗確定整定值為1.4Ω；③電抗補償定值。按阻抗補償試驗確定整定值為3.8Ω；④并聯(lián)電阻補償定值。一般情況下，該電阻值都比較大，可直接取默認的最大值，無需整定。

⑤電阻折算系數(shù)。

K=N■■×■=■■×■=6.58

現(xiàn)場模擬接地故障試驗，確定修正計算值為10。

3 注入式定子接地保護現(xiàn)場調(diào)試及實際應用

根據(jù)上述介紹，保護裝置要準確測量接地過渡電阻，前提是能夠準確測量注入電壓和電流信號，通過適當?shù)难a償，最后折算成接地電阻一次值。由于現(xiàn)場實際中性點接地變、負載電阻和定子繞組對地電容設計值與實際值都有較大的差別。因此注入式定子接地保護在投運前必須進行現(xiàn)場試驗來確定相關補償值以及整定值。這里還以上述600MW汽機機組為例，介紹現(xiàn)場相關調(diào)試情況。首先，根據(jù)注入式定子接地保護接線圖1正確接線，確保各輸入輸出信號正常。實驗內(nèi)容主要包括：相角校正、短路試驗、模擬接地故障試驗。

3.1 相角校正

保護裝置是通過檢測所采集的電壓電流信號大小和相位來計算接地過渡電阻的，因此相位角的準確與否決定了保護裝置能否可靠動作。由于電壓電流回路的硬件檢測通道相位檢測延遲存在差異，因此保護裝置需要內(nèi)置一個補償角度進行校正。

一種情況，我們可以考慮接地變?yōu)槔硐胱儔浩?，即發(fā)電機正常運行時，僅存在電容電流，即電流超前電壓90°，我們可以根據(jù)裝置顯示角度確定定值中的補償相角，使補償后的相角為電流滯后電壓270°。但由于接地變參數(shù)影響，這種校正會有一定的誤差。

另一種情況，可以利用負載電阻呈純阻性的特點來進行相角校正。此時需要將接線做一下改動，如圖1中虛線所示。此時相角校正為180°即可。本次試驗測量相角為178.3°，相角補償值為358.3°。

另外，正常運行時，檢測得到零序電流為0.86mA，因此電流監(jiān)測回路定值整定為0.43mA。

3.2 短路試驗

短路試驗是將接地變高壓側出線（發(fā)電機中性點）對地金屬性短接。這是注入式回路最嚴重的接地故障，此時注入電壓信號被拉到最低，檢測該電壓值為0.04V，故電壓監(jiān)視回路定值整定為0.02V。通過短路試驗測量補償電阻值1.4Ω，補償電抗值3.8Ω，補償后保護裝置檢測出的接地過渡電阻阻值接近于0。

3.3 模擬接地故障試驗

為了保證在發(fā)生接地故障時，保護能可靠動作，投運前需在發(fā)電機靜止狀態(tài)、30%額定負載甚至并網(wǎng)負荷下進行模擬接地故障試驗，驗證接地變高壓側經(jīng)不同阻值（500Ω、2KΩ、5KΩ、10KΩ）電阻接地時保護均能可靠動作。試驗時需要做好相關安全防護工作。通過模擬接地故障試驗，可以實際修正電阻折算系數(shù)理論值。

另外還可以進行電源的空載試驗，確定電源的內(nèi)阻；電源的負載試驗驗證接線以及分壓比的正確性。

4 結束語

本文結合注入式定子接地保護的原理，總結了保護定值的整定以及現(xiàn)場試驗過程。注入式定子接地保護與傳統(tǒng)定子接地保護相比，具有保護靈敏度高，不受機組運行情況影響的特點，是大型發(fā)電機組雙重化的主要選擇。通過分析、探討，希望能對注入式定子接地保護的工程推廣有一定的推進作用。

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