发电机注入式定子接地保护的原理及试验

发电机注入式定子接地保护的原理及试验
发表时间：2020-07-13T06:55:11.625Z 来源：《建筑学研究前沿》2020年7期作者：惠辉
[导读] 保护装置检测到注入的电压、电流信号发生变化，通过计算低频电压、电流信号之间的关系，可准确计算出接地故障电阻的阻值。

福建福清核电有限公司福建福清 350318
摘要：大型发电机100%定子接地保护为双重化配置，且为两种不同的保护原理，第一种采用基波加三次谐波定子接地保护，第二种为注入式定子接地保护，本文介绍了注入式定子接地保护的工作原理，并介绍了该保护的调试试验方法，为同行电厂及后续机组的调试、维护提供参考。

关键词：发电机定子接地保护；注入式；继电保护；原理；调试；
前言
定子接地是发电机故障中常见的一种故障，我厂定子接地保护通过基波零序电压加3次谐波电压、注入式定子接地保护实现双重化配置，其中注入式定子接地保护有不受机组运行方式的影响、与故障接地位置无关、灵敏度在整个定子范围内一致、不受机组工况影响等诸多优点。

本文详细介绍了发电机注入式定子接地保护的动作原理，总结机组调试经验，给出该保护定值整定计算及现场调试方法。

1.发电机注入式定子接地保护的原理
1.1发电机注入式接地保护配置方案
我厂配置的发电机注入式定子接地保护装置由南京南瑞继保工程有限公司设计生产，注入式辅助电源装置型号为RCS-985U，由方波电源、带通滤波器、电阻分压器3部分组成。

RCS-985U 装置配合RCS-985G发变组保护装置构成注入式定子接地保护。

RCS-985U产生20Hz低频电压信号，该信号经中性点接地变压器注入到发电机定子绕组中，当发电机定子绕组发生接地时，保护装置检测到注入的电压、电流信号发生变化，通过计算低频电压、电流信号之间的关系，可准确计算出接地故障电阻的阻值。

注入式定子接地保护接线原理图如图1所示。

如图1所示，RCS-985U运行后，RCS-985G发电机保护装置将检测到IG0和UG0，通过计算得出定子对地电阻值。

1.2保护原理
当发电机定子绕组对地绝缘正常时，注入到定子绕组的低频电流主要是流过定子绕组对地电容的容性电流，当对地绝缘老化或出现接地故障，注入的电流将流过接地故障点（图2 中箭头所示），出现一部分电阻性电流。

图2中，US为注入式电源电压，ULF0为注入的20 Hz 零序电压，ILF0为注入的20Hz零序电流，Rin为等效电源内阻，Rn为变压器负载电阻，CΣ为发电机定子绕组侧系统对地电容（一相），RE为单相接地故障电阻。

发电机在正常情况下，外加电源注入到接地变压器一次侧，生成电容性电流。

当定子绕组出现一点接地，注入电压、电流都将发生变化，注入电流将出现电阻性分量。

保护装置通过检测接地变压器二次侧的20Hz电压、电流信号判断定子接地故障故障。

由图2，接地电阻一次值RE可以由二次测量值RE.sec经以下公式算出：RE=KRE.pri=K RE.sec
其中，K 是实际电阻RE与一次测量电阻RE.pri之间的折算系数，由实际测量结果确定。

通过判定RE.sec 值即可判定是否发生接地故障和接地故障的严重程度。

由上可见，保护装置检测注入的低频电压、电流，通过计算可准确检测出接地故障的过渡电阻阻值，计算的电阻阻值与定子绕组的接地故障位置无关，可以反映发电机100 % 的定子绕组单相接地。

1.3注入式接地保护动作逻辑
发电机注入式接地保护的动作逻辑图如下所示
逻辑图中ULF0与前文一致，为注入的20 Hz 零序电压，ILF0注入的20 Hz 零序电流，RE即为装置检测得到的接地电阻，IG0为发电机定子接地电流。

当ULF0小于监视定值ULF0SET，则认为出现电压互感器回路短路、开路，包括RCS-985U电源装置输出异常等问题，保护装置发出告警并闭锁保护。

ILF0为注入的20Hz 零序电流，若检测到的注入低频电流小于监视定值，则认为电流互感器回路出现短路、开路，包括RCS-985U 电源装置输出异常等问题，保护装置发出告警并闭锁保护。

当装置无告警且不受闭锁时，即可依据据定子接地保护判据动作于报警或调整，保护判据如下，其中公式（1）为保护跳闸判据，公式（2）为保护报警判据。

RE < REsetL （1）
RE < REsetH （2）
2.注入式接地保护调试
由前述可知，要准确测量接地电阻，必须准确测量装置注入的电压、电流信号并通过适当的补偿折算，最后才能得到一次侧的接地电阻，这种补偿值通过软件的定值实现，即按照RCS-985G的设计，补偿值等重要的保护定值最终决定装置测量的正确性，且由于现场发电机中性点接地变压器、负载电阻及定子绕组回路电容的设计值与实际值之间往往存在较大的误差，理论计算得出的定值无法保证装置测量的正确性，注入式定子接地保护必须通过现场各项调试试验来确定补偿值等保护定值，并实际验证装置测量电阻的准确性后后方能投入运行，因此，对于注入式接地保护来说，现场调试显得尤为重要。

调试内容包括装置装置试验、发电机静止状态现场试验及发电机30 %额定电压空载状态下的现场试验。

静态装置试验内容主要是检验RCS-985U 低频电源装置和RCS-985G 保护装置的基本性能是否达到产品技术说明书里规定的技术要求，是在装置上电以后，且与系统未联接的情况下进行的，为装置自身的检查试验，包括低频电源空载输出检查、保护装置采样精度检查。

发电机静止状态现场试验则是发电机静止状态下模拟发电机中性点金属性接地故障测算相位补偿、电阻补偿值、电抗补偿值、折算系数使得保护装置准确测量电阻。

此外为了检验发电机实际运行时保护装置的电阻测量值，在发电机30 % 额定电压情况下，在发电机中性点与大地之间接入大功率电阻来调整补偿电阻、补偿电抗值、电阻折算系数，使得装置测算的电阻值与实际接入电阻基本一致。

3.定值整定
依据第2章节所述，经上述试验确定的电阻补偿值、电抗补偿值、相角补偿值、电阻折算系数这些补偿参数将不再改变。

接地故障过渡电阻报警定值、跳闸定值以及对应的延时按需要直接整定，其他几个定值按下列方法整定
1）电压回路监视定值
短路试验得到最低的注入电压Umin，考虑一定的可靠系数得到电压回路监视定值：ULF0.set =K relUmin
式中：Krel为可靠系数，取0.4 ～ 0.6。

2）电流回路监视定值
将发电机出口断路器断开，发电机仅与励磁变相连接，发电机PT、中性点接地变等相关设备均在工作位置的情况下，投入低频电源，此时的电源电流即正常状态下的最小电流Imin，同样可得电流回路监视定值：
ILF0，set =K rel Imin
Krel取0.4～0.6。

3）零序电流跳闸定值
除了接地过渡电阻判据外，注入式定子接地保护还有一个零序电流判据作为后备，其反映流过中性点接地设备的零序电流，可按下式整定：
4.试验注意事项
4.1保护回路的完整性
在接地保护调试的过程中，除测量各定值的补偿值外，还应测量相关参数以判断保护回路的完整性。

包括：负载电阻回路完整性、分压电阻回路完整性，读取保护装置负载返回电压U4，U4应约等于负载电阻两端电压U3的五分之一，可证明分压电阻回路完好；若U4与U3的五分之一相差较大，则说明分压电阻回路存在问题，需做相关排查。

4.2试验的完整性
保护装置需测量GCB合闸后主变厂变接入系统的的电容等参数，故该保护必须提早安排在主变停役窗口完成验证，否则随着机组调试的深入，很难得到主变停役的机会，将直接导致注入式接地保护无法完全验证。

5结论
发电机注入式接地保护作为近年来逐渐推广的保护类型，具备不受接地位置及发电机工况影响、无保护死区等诸多优点，通过现场调试得出各项关键定值，并通过发电机静态及空载验证，可保证接地保护工作的准确性、可靠性。

本文详细分析了注入式定子接地保护的调试方法，给出了各保护定子的理论计算依据，并依据机组发电机保护调试的经验给出了保护调试时的注意事项，可为同行电厂及后续机组该保护的调试提供必要参考。

参考文献
[1]张琦雪等.大型发电机注入式定子接地保护判据的改进.电力系统自动化，2008，32（3）：67-68.
[2]王维俭.电气主设备继电保护原理与应用.北京：中国电力出版社，2002.。