发电机定子接地保护

发电机定子接地保护

摘要：本文介绍了发电机定子接地保护的要求、保护方式和三次谐波电压100%定子保护，并对零序电压定子接地保护和三次谐波电压100%定子保护的整定做了阐述, 是继电保护工作者很好的学习交流资料。

关键词:100%定子接地保护；中性点；零序电压；三次谐波电压

Abstract

This paper introduces the generator stator ground fault protection, protected-type and 3rdharms 100% stator protection, And the zero sequence voltage stator ground fault protection and 100% 3rdharms of whole custom-made stator protection is introduced , Is the relay protection workers very good learning communication material .

Keywords: 100% stator ground fault protection; neutral; Zero sequence voltage; 3rdharms voltage

1、概述

规程规定，容量为100MW及以上的发电机应装设100%定子接地保护。发电机是电厂的核心部分，而且较为贵重，再加上发电机定子结构复杂，不易检修，必须保护好定子，随着我国电力事业的迅猛发展， 单机容量的增大，特别是针对少数地区小电网大机组的特点，定子接地保护显得尤为重要。本文主要对定子接地保护做介绍。

2、定子接地保护的要求

目前发电机中性点采用不接地或经高阻抗接地方式, 当定子绕组发生单相接地时, 流过故障点的发电机电压系统对地的电容电流所产生的电弧将会灼伤铁心, 甚至进一步发展，造成发电机定子绕组相间或匝间短路。大型发电机在系统中占有重要地位，而且由于结构复杂，损坏后修复工作困难，因此，要求给大型发电机装设高灵敏度、无动作死区的定子单相接地保护。对直接与主变压器联接的大型发电机定子单相接地保护, 要求能够测出发电机中性点附近的接地故障, 即保护范围应为 100%；对于水内冷发电机，还进一步要求能够监测出靠近中性点的绕组绝缘下降，即保护应具有较高的灵敏度(以故障点对地的过渡电阻值表示)，因为在中性点附近有漏水缺陷时，将使绝缘水平降低，而持续的漏水又有可能损坏同一线槽或相邻线槽中线棒的绝缘,造成匝间或相间短路。如果在靠近出线端发生接地故障,发电机中性点对地电压升高，使中性点附近绝缘水平降低，部分发生闪络, 从而引起两点接地故障，发电机将遭受严重损坏。

按规程规定, 对直接连于母线的发电机定子绕组发生单相接地故障, 当发电机电压网络的接地电容电流大于 5A时(不考虑消弧线圈的补偿作用), 应装设动作与跳闸的接地保护；如没装设专用的定子绕组接地保护；则可利用接于母线电压互感器上的绝缘监视装置发出信号；对于发电机-变压器组, 当发电机电压回路三相对地电容电流大于 5A时, 应装设消弧线圈补偿, 对地电容电流小于 5A时，接地保护动作于信号(当有匝间短路保护时), 即认为接地电容电流小于 5A时，允许带接地点短时间运行, 待适当时机转移负荷后再停机。根据这一标准, 即认为接地电容电流超过 5A时, 铁心将严重灼伤而不易修复,要求保护动作于跳闸；接地电容电流小于5A时，铁心灼伤比较轻微, 因此保护可进动作于信号, （实际运行中允许定子铁芯有一定程度的损坏，即熔化的迭片数、铁芯熔化体积及灼伤深度不超过规定值）。目前由于水内冷大型发电机的材料利用率高，所以采用复杂的冷却方式，不仅有辅向通风槽，还有轴向冷却通道等, 从而使铁芯检修难度增大,停机检修造成的经济损失大。因此, 要求定子接地电容电流的允许值必须结合实际运行经验作进一步的探讨。

3、发电机定子接地的保护方式

发电机单相接地故障电流因中性点接地方式的不同而不同, 保护方式也不同。按照继电保护配置规程的规定, 大型发电机组单相接地故障电流达到 1A时, 定子一点接地保护应动作跳闸, 同时要求实现100%定子接地保护, 而且要求在保护区内任一点接地保护应有足够高的灵敏度。

3.1 基波零序电压定子接地保护

发电机定子回路各点的基波零序电压相同, 因而利用基波零序电压作为动作参量的定子接地保护是不可能区分接地故障点位于发电机内部或外部。对于大中型发电机组, 当发电机中性点采用消弧线圈接地时, 故障电流补偿到较小数值,定子接地只发信号；当发电机中性点采用接地变压器高阻接地时, 故障电流较大, 定子接地保护应可靠动作跳闸。为保证保护动作的选择性, 动作电压取 5～15V, 以躲过正常运行的不平衡电压以及高压侧接地故障的耦合过电压。 但这种保护仍有5%以上的死区, 适用于中小型机组的发电机定子接地保护。

零序电压式定子接地保护的动作电压，应按躲过发电机正常工况下及恶劣条件下发电机系统产生的最大横向零序电压来整定，即

Udz0=Krel*U0max

Udz0—零序电压式定子接地保护的动作电压；

Krel—可靠系数，取1.2～1.3 ；

U0max—发电机正常运行时的最大横向零序电压 。

影响U0max的因素主要有：

(1)发电机的三次谐波电势；

(2)机端三相TV各相间的变比及角误差（主要是TV一次绕组对三次绕组之间的比误差）；

(3)发电机电压系统中三相对地绝缘不一致；

(4)主变压器高压侧发生接地故障时由变压器高压侧传递到发电机系统的零序电压。

测量表明：

(1)并网运行发电机的三次谐波电势与发电机的负荷有关，最大可达发电机电压的5%～7%。在发电机机端TV开口三角形绕组两端及中性点TV二次产生的电压最大各位3V。如果定子接地保护能有效滤去三次谐波电压，在进行定值整定时可不考虑这一电压。

(2)机端三相TV的一次绕组对三次绕组之间变比不一致，在机端TV开口三角形绕组两端产生基波电压通常有0.5～1.5V。

(3)主变压器高压侧发生接地故障时，有变压器高压侧传递到发电机系统的零序电压，主要决定于变压器高压侧绕组与发电机侧（低压侧）绕组之间的耦合电容。对于电压等级为220kV及以上的变压器，高压侧零序电压传递到发电机系统侧的分量很小。另外通过延时可以躲过这一电压的影响。因此，整定定子接地保护的动作电压时，可以不考虑这一因

素。

(4)引起发电机三相对地绝缘不一致的因素是多种多样的，主要是发电机三相绕组对地绝缘固有的不一致，以及外界环境的影响。当发电机母线经穿墙套管－裸导线与室外的主变压器或厂用高压变压器连接时，在雨天很容易引起发电机系统三相对地绝缘不对称。运行实践表明：最严重时，在发电机系统产生的零序电压可达发电机额定电压的8～10%，即将在机端TV开口三角绕组两端或中性点TV二次产生8～10V的电压。发电机三相绕组对地绝缘固有不一致引起的零序电压，最大为2%，即2V（二次值）。

考虑到上述种种因素，Udz0可取5～15V。

3.2 零序电流定子接地保护

保护装置一般由装设于发电机端的零序电流互感器及相应的电流继电器组成。接于零序电流互感器上的发电机零序电流保护, 其整定值选择如下:

(1)躲过外部单相接地时, 发电机本身的电容电流以及由于零序电流互感器一次侧三相导线排列不对称, 而在二次侧引起的不平衡电流。

(1)保护装置的一次动作电流应小于 4A, 并应尽可能灵敏一些。

(2)为防止外部相间短路产生的不平衡电流引起接地保护误动作,应在相间保护动作时将接地保护闭锁。

(3)保护装置一般带有 1～2s 的时限, 以躲开外部单相接地瞬间发电机暂态电容电流的影响。当发电机定子绕组的中性点附近接地时, 由于接地电流很小, 保护将不能起动, 因

此零序电流保护不可避免地存在一定死区, 发电机定子保护范围达不到 100%, 这种方式只适用于中小型机组。

3.3 100%定子接地保护

对于大中型机组, 由于机械损伤或其它原因, 发生靠近发电机中性点及附近的绕组发生接地故障几率较高。若这种故障不能及时发现处理, 可能进一步发展成匝间或相间短路或定子两点接地故障。其结果都会造成发电机的严重损坏。所以现代大中型机组必须装设能反映 100%的定子绕组的接地保护。

100%定子接地保护装置一般由两部分组成,第一部分是零序电压保护，能保护发电机绕组靠机端侧 85～95%(短路点越靠近机端侧零序电压越高)，第二部分保护用来消除零序电压保护不能保护的死区。

4、利用三次谐波电压构成的发电机定子接地保护

无论从理论分析还是实测数据中都可以得出: 汽轮发电机和水轮发电机, 不管正常运行还是故障情况下, 它们的相电压中总含有一定的三次谐波分量。利用三次谐波电压可构成定子接地保护, 它和基波零序电压定子接地保护共同构成了对发电机定子绕组 100%保护。这种发电机 100%定子绕组保护方式在我国使用较多。

基波零序电压型接地保护有靠近发电机中性点 5%～10%的死区，发电机正常运行时总有发电机中性点的三次谐波电压比发电机出线端的三次谐波电压大且不随负荷状态变化(实际有微小变动)；当发电机中性点附近发生接地故障, 总有出线端的三次谐波电压比中性点的三次谐波电压大利用此原理构成三次谐波电压保护, 可以消除基波零序电压保护的死区。

由于发电机气隙磁通密度的非正旋分布和铁芯饱和的影响，其定子中的感应电动势除基波外，还含有三、五、七次等高次谐波。因为三次谐波具有零序分量的性质，在线电动势中它们虽然不存在，但在相电动势中亦然存在，设以E3表示之。

为便于分析，假定：

（1）把发电机每相绕组对地电容CG分成相等的两部分，每部CG/2分等效地分别集中在发电机的中性点N和机端S。

（2）将发电机端部引出线、升压变压器、厂用变压器以及电压互感器等设备的每相对地电容CS也等效的集中放在机端。

根据理论分析，在上述加设条件下，可得出下列结论：

（1）当发电机中性点绝缘时，发电机在正常运行情况下，机端S和中性点N处三次谐波电压之比为

US3/UN3=CG/(CG+2CS)＜1

（2）当发电机中性点经消弧线圈接地时，若基波电容电流被完全补偿，发电机在正常运行情况下，机端S和中性点N处三次谐波电压之比为

US3/UN3=(7CG-2CS)/9(CG+2CS)＜1

（3）不论发电机中性点是否接有消弧线圈，当在距发电机中性点α（中性点到故障点的匝数占每相分支总匝数的百分比）处发生定子绕组金属性单相接地时，中性点N和机端

S处的三次处的三次谐波电压恒为

UN3=αE3

US3=(1-α)E3

如图所示：

从上图中可以看出，UN3=f(α)、US3=f(α)皆为线性关系，它们相交于α＝0.5处；当发电机中性点接地时，α＝0，UN3=0，US3=E3；当机端接地时，α=1,UN3=E3，US3=0；当α＜O.5时，恒有US3＞UN3；当α＞O.5时，恒有UN3＞US3。

综上所述，用US3作为动作量，UN3作为制动量构成发电机定子绕组单相接地保护，且当US3＞UN3时保护动作，则在发电机正常运行时保护不会误动，而在发电机中性点附近发生接地时，保护具有很高的灵敏度。用这种原理构成的发电机定子绕组单相接地保护，可以保护定子绕组中性点及其附近范围内的接地故障，对其余范围则可用反应基波零序电

压的保护，从而构成了100%发电机定子绕组接地保护。

5、实际应用

但在实际应用中，采用100%定子绕组接地保护常常发生误动，这在许多发电厂发生过, 为什么会这样呢？原来这与发电机中性点的接地方式有关。当发电机中性点直接接地或经消弧线圈接地时,在正常情况下，中性点的三次谐波电压总是大于机端三次谐波电压,因保护装置的制动量大于动作量,保护不会误动作； 当发电机中性点经配电变压器接地时，在正常情况下，中性点的三次谐波电压将总是小于机端三次谐波电压，因保护装置的制动量小于动作量，保护将会误动作。所以我们在采用100%定子绕组接地保护时，要特别注意发电机中性点的接地方式，要因地制宜，不能一概而论。

6、结束语

发电机定子接地保护方式、技术发展迅速，新型保护方式不断出现；发电机定子接地保护方式对发电机中性点接地方式的选择有较大影响，发电机定子接地保护方式必须与发电机中性点接地方式、发变组接线方式、发电机接地故障电流、过电压要求相适应。