一種發(fā)電機（調(diào)相機）定子接地保護的接地電阻測量電路

崔敏 樊瑩 梁爽

摘 要：本文介紹了一種發(fā)電機（調(diào)相機）定子接地保護的接地電阻測量電路，采用合適變比的隔離變壓器構(gòu)建外加20Hz電源注入式定子接地保護系統(tǒng)，建立等效電路，通過導(dǎo)納法計算出定子接地故障時的接地電阻值。此方法可實現(xiàn)在原有保護裝置平臺上不受發(fā)電機（調(diào)相機）中性點接地變壓器負載電阻大小影響的定子接地保護功能，能提高發(fā)電機（調(diào)相機）定子接地保護的靈敏度和可靠性，具有較大的推廣價值。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機;隔離變壓器;定子接地保護

中圖分類號：TM31文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2018）29-0120-04

Abstract： This paper introduced a method for measuring the grounding resistance of stator grounding protection of generator （phase modulator）. A 20Hz power injection type stator grounding protection system was constructed by using an appropriate transformer， and the equivalent circuit was established. The grounding resistance of stator grounding fault was calculated by admittance method. This method can realize the stator grounding protection function which is not affected by the load resistance of the neutral grounding transformer of the generator （phase modulator） on the original protection platform. It can improve the sensitivity and reliability of the stator grounding protection of the generator （phase modulator）， and has great popularization value.

Keywords： generator;isolation transformer;stator grounding protection

發(fā)電機（調(diào)相機）定子接地保護作為發(fā)電機定子回路單相接地故障保護，當(dāng)發(fā)電機定子繞組任一點發(fā)生單相接地時，該保護按要求的時限動作于跳閘或信號。利用基波零序電壓原理可以保護發(fā)電機85%～95%的定子繞組單相接地，利用三次諧波電壓原理可以保護發(fā)電機中性點附近定子繞組的單相接地[1]。

發(fā)電機（調(diào)相機）外加20Hz電源注入式定子接地保護可以保護包括發(fā)電機（調(diào)相機）中性點在內(nèi)的整個定子繞組，保護靈敏度高，不受接地位置影響，保護無死區(qū)，可檢測定子絕緣的緩慢老化，且在發(fā)電機（調(diào)相機）停機狀態(tài)能起到保護作用，已廣泛應(yīng)用于大型發(fā)電機（調(diào)相機）繼電保護[2-5]。

1 技術(shù)背景

現(xiàn)有外加電源注入式定子接地保護對應(yīng)的接地電阻測量電路原理示意圖如圖1所示，其中G表示發(fā)電機，[Tn]表示中性點配電變壓器，[Rn]表示中性點接地變負載電阻，VD表示二次側(cè)分壓器，CT是中間電流互感器。注入電源裝置經(jīng)過帶通濾波器由中性點配電變壓器[Tn]的二次側(cè)注入發(fā)電機G，接地保護裝置通過中間電流互感器CT和二次側(cè)分壓器VD測量中性點二次側(cè)的電流[I20]和電壓[U20]。

對于基于上述電路原理圖的定子接地保護，如果遇到發(fā)電機的中性點接地變負載電阻[Rn]很小時（約0.1Ω級），接地保護裝置采集的電壓[U20]、電流[I20]量值將很微小，測量相位也無法正確跟蹤，直接導(dǎo)致所測接地電阻值Rg計算錯誤，影響了定子接地保護的可靠性。

假定中性點配電變壓器Tn為理想變壓器，不考慮漏阻抗和勵磁阻抗，表1給出了一組20Hz電源注入式定子接地保護的仿真數(shù)據(jù)。系統(tǒng)參數(shù)中，20Hz電源電壓為12V;20Hz電源內(nèi)阻為6Ω;接地變一次電壓為11 574V;接地變二次電壓為127V;發(fā)電機每相對地電容C為0.945 48[μF];接地變電阻R為0.000 1Ω;接地變電抗X為0.000 1Ω;接地變二次電阻Rn=0.124Ω;接地變CT變比200;二次分壓比為1。表1中二次側(cè)電壓[U20]和[I20]的數(shù)據(jù)表明，原有接地保護裝置的采集精度已經(jīng)無法滿足該數(shù)量級，以至無法準(zhǔn)確計算出定子接地故障時的接地電阻，嚴(yán)重影響定子接地保護功能的靈敏性和可靠性。

2 解決方法

下面結(jié)合圖1和表1中的實施案例對本技術(shù)方案進行進一步的詳細說明。為完成上述任務(wù)，本技術(shù)方法是在外加20Hz電源注入式定子接地保護的注入電源處增加隔離變壓器[Tn2]。使注入電源裝置輸出的低頻電壓經(jīng)過隔離變壓器[Tn2]后加在發(fā)電機（調(diào)相機）中性點接地變壓器負載電阻[Rn]兩端，通過接地變壓器將低頻信號注入到發(fā)電機（調(diào)相機）定子繞組上。負載電阻[Rn]兩端的電壓經(jīng)過分壓器VD分壓后得到電壓[U20];另外，通過電流互感器（即CT）得到電流[I20]。電壓[U20]和電流[I20]引至發(fā)電機（調(diào)相機）保護裝置中。

圖2為增加隔離變的外加20Hz電源注入式定子接地保護系統(tǒng)接線圖。

從圖2可以看出，該系統(tǒng)包括：發(fā)電機（調(diào)相機）、20Hz電源、20Hz帶通濾波器、發(fā)電機（調(diào)相機）保護裝置、隔離變壓器[Tn2]、接地變壓器[Tn]和分壓器VD。

其中，中性點配電變壓器[Tn]的一次側(cè)用于連接發(fā)電機或調(diào)相機G的中性點，其二次側(cè)并聯(lián)連接中性點接地變負載電阻[Rn]。電流互感器CT的一次側(cè)與中性點配電變壓器[Tn]二次側(cè)串聯(lián)連接，其二次側(cè)連接接地保護裝置。分壓器VD與中性點配電變壓器[Tn]二次側(cè)并聯(lián)連接，其分壓連接端連接接地保護裝置。注入電源裝置和帶通濾波器串聯(lián)連接后，連接隔離變壓器[Tn2]的二次側(cè)，隔離變壓器[Tn2]的一次側(cè)連接中性點配電變壓器[Tn]的二次側(cè)，隔離變壓器的變比小于1。

上述定子接地保護的接地電阻測量電路通過在注入電源裝置處增加隔離變壓器[Tn2]，使注入電源裝置輸出的低頻電壓經(jīng)過隔離變壓器[Tn2]后加在發(fā)電機或調(diào)相機的中性點接地變負載電阻[Rn]兩端，通過中性點配電變壓器[Tn]將低頻信號注入發(fā)電機或調(diào)相機定子繞組上。

在本實施例中，注入電源裝置為20Hz注入電源裝置，帶通濾波器對應(yīng)為20Hz帶通濾波器。在保護測量時，中性點接地變負載電阻[Rn]兩端的電壓經(jīng)過分壓器VD分壓后得到電壓[U20]，通過電流互感器CT得到電流[I20]，電壓[U20]和電流[I20]引至接地保護裝置中，進行相應(yīng)的定子接地保護。

需要說明的是，電流互感器CT和分壓器VD的作用是分別采集中性點配電變壓器二次側(cè)的電流和電壓，作為其他的實施方式，也可以采用現(xiàn)有技術(shù)中其他的電流采集裝置和電壓采集裝置，如電流傳感器和電壓傳感器，以采集中性點配電變壓器二次側(cè)的電流和電壓信息。帶通濾波器的作用是對注入電源裝置的輸出電壓進行濾波，不考慮注入電源裝置輸出電壓頻率的影響，作為其他的實施方式，也可以不設(shè)置該帶通濾波器。接地保護裝置也可以是專門設(shè)置或者是現(xiàn)有的處理裝置，通過軟件設(shè)置，用于接收電流互感器CT和分壓器VD發(fā)送過來的電流和電壓信息，并進行處理，計算得到所測接地電阻值，同時發(fā)送給對應(yīng)的接地保護裝置，以進行接地保護。

當(dāng)發(fā)電機或調(diào)相機定子繞組對地絕緣正常時，注入定子繞組的低頻電流主要是流過定子繞組對地電容的電容電流;當(dāng)對地絕緣受到破壞出現(xiàn)接地故障時，注入的電流將流過接地故障點，出現(xiàn)一部分電阻性電流。接地保護裝置檢測注入的低頻電壓、電流，通過導(dǎo)納法可準(zhǔn)確計算出接地故障的過渡電阻阻值，計算的電阻阻值與定子繞組的接地故障位置無關(guān)，可以反映發(fā)電機或調(diào)相機100%的定子繞組單相接地。

2.1 選取合適變比的隔離變壓器

隔離變壓器[Tn2]變比[n2]的選取尤為重要。增加隔離變壓器后，發(fā)電機（調(diào)相機）中性點接地變負載電阻在折算到20Hz電源側(cè)時，二次電阻折算為[0.124/n2×n2]。為了使折算后的二次電阻擴大所需倍數(shù)。[n2]的選取則需要經(jīng)過測試驗證。其中，隔離變壓器[Tn2]的變比[n2]的取值范圍為1/10～1/2。表2具體以[n2]的取值為1/4為例，來說明本發(fā)明的有益效果。

2.2 搭建保護模型，建立等效電路

對增加隔離變的外加20Hz電源注入式定子接地保護接線圖建立等效電路。隔離變壓器[Tn2]的T形等效電路包括有漏阻抗和勵磁阻抗。其中，漏阻抗和勵磁阻抗是通過發(fā)電機（調(diào)相機）并網(wǎng)前的空載試驗和短路試驗手動或自動計算漏阻抗和勵磁阻抗，定子接地保護再將該參數(shù)應(yīng)用于保護算法中?，F(xiàn)將接地變假設(shè)為理想變壓器，不考慮接地變的漏阻抗和勵磁阻抗，則圖2中定子接地保護的接地電阻測量電路的等效電路如圖3所示。

2.3 計算接地電阻

從圖3可知，20Hz電源經(jīng)過隔離變壓器后的電壓為：[Us×n2];20Hz電源經(jīng)過隔離變壓器后的內(nèi)阻為：[R0×n22]。根據(jù)歐姆定律，通過導(dǎo)納法所測接地電阻[Rg]的計算公式為

2.4 構(gòu)建定子接地保護接地電阻判據(jù)

接地電阻判據(jù)反映發(fā)電機（調(diào)相機）定子繞組接地電阻的大小，設(shè)有兩段接地電阻定值，高定值段作用于報警，低定值段作用于延時跳閘，延時可分別整定。

式中，[Rg]為調(diào)相機定子繞組接地電阻（一次值），[Rl]和[Rh]分別為調(diào)相機定子繞組接地電阻的高、低定值（一次值），[I50]為流過發(fā)電機（調(diào)相機）接地設(shè)備的零序電流（二次值），[ISAFE]為對應(yīng)于發(fā)電機（調(diào)相機）定子接地安全電流定值（二次值）。

將本方法應(yīng)用于表1的實施例系統(tǒng)參數(shù)下，設(shè)定隔離變壓器[Tn2]的變比為1/4（接地變二次側(cè)為1，20Hz注入電源裝置側(cè)為4），20Hz注入電源裝置的電壓為12V，則經(jīng)隔離變壓器后折算為3V，20Hz注入電源裝置的內(nèi)阻為6Ω，則經(jīng)隔離變壓器[Tn2]后折算為0.375Ω，假定中性點接地變壓器為理想變壓器，不考慮漏阻抗和勵磁阻抗，應(yīng)用上述的定子接地保護的接地電阻測量電路，所獲得的仿真結(jié)果如表2所示。

從表2可知，發(fā)電機（調(diào)相機）保護裝置測量到的20Hz電壓[U20]和20Hz電流[I20]的幅值大小在原有保護裝置平臺上可以精確采集并應(yīng)用到定子接地保護算法中。

3 結(jié)論

本文提出采用增加隔離變壓器外加20Hz電源注入式定子接地保護的方式，可以實現(xiàn)在原有保護裝置平臺上不受發(fā)電機（調(diào)相機）中性點接地變壓器負載電阻大小影響的定子接地保護功能，具有靈敏度高、可靠性強和適用性廣的優(yōu)點。

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