注入式定子接地電阻分段算法應(yīng)用研究

魏 揚，吳禮貴，李 琛，梁 颋，羅金嵩，陳博文

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

外加20 Hz 電源定子接地保護與發(fā)電機繞組的接地位置無關(guān)，能夠反映定子繞組絕緣的均勻下降，能對絕緣老化起到監(jiān)督作用，在大型電站中應(yīng)用較多。保護通過在發(fā)電機中性點接地變壓器二次側(cè)注入20 Hz 低頻信號，采集20 Hz 電壓電流信號計算接地電阻，并輔助機端零序電壓判據(jù)，反映定子100%繞組一點接地故障，提高了發(fā)電機定子單相接地保護可靠性及發(fā)電機安全運行的可靠性[1-4]。

某電站發(fā)變組保護裝置改造，采用了國電南自公司的DGT801U 系列裝置，配置了注入式定子接地保護。保護采用導(dǎo)納判據(jù)計算接地故障過渡電阻Rf，當(dāng)Rf計算值低于電阻的高整定值（5.0 kΩ）時保護發(fā)信號告警，當(dāng)Rf計算值小于電阻的低定值時保護動作于跳閘（0.5 kΩ）。導(dǎo)納判據(jù)中接地故障過渡電阻Rf的計算值是單相接地保護的出口動作行為和監(jiān)測絕緣水平的主要依據(jù)，準(zhǔn)確地計算Rf十分必要。

1 DGT801U 注入式定子接地測量計算方法

注入式定子接地保護電氣回路及等效電路圖如圖1 所示。圖中，E20為20 Hz 注入電源，R0為注入源內(nèi)阻，Rk、XK為接地變漏阻抗，Rg為接地電阻，XC為三相定子繞組對地總?cè)菘?，均折算至二次?cè)。U20、I20為保護裝置采集的20 Hz 電壓、電流，U'20為補償?shù)艚拥刈兊穆┳杩购蟮?0 Hz 電壓。

圖1 注入式定子接地保護

利用導(dǎo)納法計算一次側(cè)電阻、電抗，計算公式見式（1）：

2 現(xiàn)場試驗和數(shù)據(jù)分析

發(fā)電機主要參數(shù)為：額定電壓20 kV，額定功率700 MW，發(fā)電機定子每相電容理論值3.668 μF，中性點接地變變比為20 kV/1.56 kV，副邊接1.38 Ω 電阻，中間電流互感器為500/5，分壓電阻為5∶1。

在完成了二次回路接線，機組一次設(shè)備恢復(fù)正常運行前的工況下，進行了模擬接地靜態(tài)試驗，試驗數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 第一次定子接地試驗數(shù)據(jù)

通過試驗發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：

（1）在小電阻接地時，測量電阻精確度較高，但在接地電阻超過7.5 kΩ 時，保護測量電阻顯示值一直為7.5 kΩ，推測保護測量電阻的最大量程為7.5 kΩ。

（2）測量電抗值為0.760～0.772 kΩ，基本穩(wěn)定，反映了20 Hz 頻率下，定子繞組三相對地容抗的大小。

（3）隨著中性點掛接電阻值的增大，20 Hz 電流超前20 Hz 電壓的相位差亦隨之增大，當(dāng)電阻無窮大時，相位差趨近于90°。

從安全運行的角度考慮，當(dāng)接地電阻大于7.5 kΩ時，保護已不能反映定子繞組絕緣水平的變化，不利于通過巡檢發(fā)現(xiàn)定子絕緣存在的隱患。

3 原因分析及解決方案

3.1 原因分析

為保證注入式定子接地保護測量電阻穩(wěn)定可靠，DGT801U 保護程序內(nèi)部設(shè)定了接地電阻最大測量值，正常運行時，保護顯示最大接地電阻如式（2）所示。

式中：RgMax為保護顯示的最大電阻值，即接地電阻的測量量程，RInMax為內(nèi)部設(shè)定值。

由式（2）可知，當(dāng)RInMax越大，KRX越小時，RgMax量程越大。KRX與接地變變比KT，中間CT 變比KI20，分壓電阻分壓比KU20相關(guān)，其中以KT影響最大。一般情況下，接地變的選型設(shè)計參照文獻[1]所述的技術(shù)條件：

（1）為有利于減小20 Hz 電源的正常負(fù)荷和提高接地保護靈敏度，接地變二次電阻RL＞1 Ω。

（2）為限制動態(tài)過電壓，應(yīng)滿足：RL×KT2≤1/3ωCg，Cg為發(fā)電機每相對地電容。

該電站發(fā)電機中性點接地變的選型嚴(yán)格遵守上述條件，以某臺機組為例，其接地變二次電阻為RL=1.38 Ω，每相對地電容Cg=3.68 μF，接地變變比KT=20/1.56=12.82。由于二次電阻較大，為限制系統(tǒng)動態(tài)過電壓，故而機組接地變變比較小，使得DGT801U 注入式定子接地保護接地電阻測量量程較低，僅為7.5 kΩ。

基于以上分析，提出兩種解決方案增加接地電阻測量量程：

（1）接地電阻內(nèi)部設(shè)定值不變，減小電阻電抗折算系數(shù)；

（2）電阻電抗折算系數(shù)不變，增大接地電阻內(nèi)部設(shè)定值RInMax。

3.2 方案1：減小電阻折算系數(shù)

DGT801U 系列保護程序?qū)嵭心K化設(shè)計，為使保護程序改動最小，優(yōu)先采用了這一方案。由于接地變變比KT、中間CT 變比KI20、分壓電阻分壓比KU20不能改變，在保護程序中再設(shè)置一個內(nèi)部分壓比，即電阻折算系數(shù)為：

KN為內(nèi)部分壓比，若分壓比取3/1 或4/1 時，電阻折算系數(shù)變?yōu)樵瓉淼?/3 或1/4，內(nèi)部設(shè)置值不變，接地電阻測量量程擴大為原來的3 倍或4 倍。

保護程序升級后，增加內(nèi)部分壓比3/1，保護接地電阻測量理論最大值為22.5 kΩ，再次模擬定子接地靜態(tài)試驗，試驗數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 方案1 定子接地試驗數(shù)據(jù)

由表2 可知，1 kΩ 以下電阻接地時，保護測量電阻值精度尚可；1 kΩ 以上電阻接地時，測量電阻不穩(wěn)定，躍變大，且接地電阻越大，躍變范圍越大。分析原因為，20 Hz 電壓本身就很小，電阻折算系數(shù)中增加電壓分壓比3/1 后，參與接地電阻計算的20 Hz 電壓值縮小為原來的1/3 倍，隨著接地電阻增大，20 Hz 電流隨之減小，較小的20 Hz 電壓電流值參與導(dǎo)納計算，微小的波動都能造成測量電阻的大幅變化，其準(zhǔn)確度無法滿足現(xiàn)場要求。方案1 雖然擴大了接地電阻測量量程，但其準(zhǔn)確度不滿足工程要求。

3.3 方案2：增大接地電阻內(nèi)部設(shè)定值

將接地電阻內(nèi)部最大設(shè)定值RInMax擴大4 倍，電阻折算系數(shù)不變，由式（2）可知，接地電阻測量量程擴大4 倍。依照此方案升級保護程序后，保護接地電阻測量值最大為30 kΩ，再次模擬定子接地靜態(tài)試驗，試驗數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 方案2 定子接地試驗數(shù)據(jù)

由試驗數(shù)據(jù)可知：

（1）小電阻接地時，測量值穩(wěn)定，但高阻接地時，測量值仍不夠穩(wěn)定，尤其是20 kΩ 接地時，角差接近90°，測量電阻顯示值波動范圍從20.1 kΩ 到最大值30 kΩ，波動較為明顯。

（2）高電阻接地時，20 Hz 電流與電壓的相位差有小范圍波動，波動范圍相較于測量電阻要小得多。

（3）測量電抗值一直較為穩(wěn)定，尤其在高電阻接地時，測量電抗值穩(wěn)定在0.770～0.772 kΩ。

進一步對試驗結(jié)果進行分析，高阻接地時，相位差接近90°，按式（1）取倒數(shù)后的電阻測量值偏離實際電阻值較大，這是接地電阻導(dǎo)納算法導(dǎo)致的誤差。測量導(dǎo)納的實部計算值較小，稍微波動后，取倒數(shù)后的測量電阻值偏差較大，甚至可能大于程序內(nèi)部設(shè)定值RInMax，此時測量電阻值顯示為RInMax，這就是20 kΩ 接地時測量電阻從20.134 kΩ到30.0 kΩ 跳變的原因。

4 基于20 Hz 電流電壓相位差的接地電阻分段算法

4.1 算法的提出

由方案2 試驗數(shù)據(jù)分析可知，測量電抗和相位差的計算值相對穩(wěn)定。同時，測量電阻、測量電抗和相位差之間存在數(shù)學(xué)關(guān)系，為解決測量電阻跳變問題，本文提出了基于20 Hz 電流電壓相位差的接地電阻分段算法。小電阻接地時，依然采用原算法。高電阻接地時可利用計算比較穩(wěn)定的測量電抗和相位差來計算測量電阻值。

20 Hz 電流超前20 Hz 電壓的相位差計算公式為式（4）：

由式（7）可知，式（1）和式（6）計算接地電阻，本質(zhì)上是一樣的。經(jīng)試驗數(shù)據(jù)驗證可知，在高阻接地時，由式（1）計算接地電阻，測量電阻值波動較大，采用式（6）計算接地電阻，測量電阻值比較平穩(wěn)。

綜上所述，基于20 Hz 電流電壓相位差的接地電阻分段算法為：

式中，θz為一設(shè)定值，一般取為85°～87°。當(dāng)相位差θ小于等于θz時，采用常規(guī)接地電阻算法；當(dāng)相位差θ大于θz時，利用相位差和測量電抗來計算接地電阻，受導(dǎo)納實部波動影響小，能提高高阻接地時測量值的準(zhǔn)確度。

4.2 算法的仿真及現(xiàn)場試驗

圖2 為20 kΩ 接地時測量導(dǎo)納實部偏移對兩種接地電阻算法的影響仿真圖，測量導(dǎo)納實部偏移百分比從-30%～30%。采用常規(guī)接地電阻算法，當(dāng)n%從-30%變化至30%過程中，接地電阻測量值波動范圍較大：從16 kΩ 變化到30 kΩ；采用改進后的接地電阻算法測量電阻值波動比較平緩，基本在誤差范圍內(nèi)。

圖2 20 kΩ 接地時測量導(dǎo)納實部偏移對兩種接地電阻算法的影響

采用上述算法進行保護程序升級后，模擬定子接地靜態(tài)試驗，試驗數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 改進算法后試驗數(shù)據(jù)

由表4 可知，采用改進后的接地電阻算法，高阻接地時，測量電阻值比較穩(wěn)定，誤差基本控制在10%范圍內(nèi)，滿足了工程實際要求。

5 結(jié)束語

本文針對注入式定子接地保護在調(diào)試過程中出現(xiàn)的接地電阻測量量程較小、高電阻接地時測量電阻不穩(wěn)定等問題，分析了其原因，并給出了解決問題的方案，提出了基于20 Hz 電流電壓相位差的接地電阻分段算法。通過對導(dǎo)納算法進行補充修正，提高了故障電阻計算的準(zhǔn)確度，提高了定子繞組絕緣檢測靈敏度。