20Hz注入式定子接地保护在700MW水电机组的应用

第4期0引言定子单相接地是发电机的常见故障,如果不及时处理就可能发展为更严重的相间或者匝间短路，同时铁芯被电弧严重烧伤。

20Hz 注入式定子接地保护可以单独实现定子100%绕组的保护,可以监测定子绝缘水平的下降,因而越来越多地应用于大型发电机保护。

拉西瓦水电站机组经配电变压器高阻接地，且对地电容大；由于大机组的接地电流大，定子接地后很容易损伤定子绕组绝缘，进而引发匝间或相间短路，所以除了采用传统的双频式（3U 0+3ω）（3U 0原理有死区，3ω原理受设备参数和运行方式影响大，判据稳定性不够）外，还应该采用注入低频电源式定子接地保护技术，通过检测对地的泄漏电流来实现100％的保护范围，不受机组运行状况的影响，并可监视定子绕组的绝缘老化。

但在其实现上也有相应的技术难点：对地泄漏电流中可能出现很大的基波分量和迭加电源内阻的影响，在实现高灵敏度的原理上会受到很大的限制；拉西瓦水轮机组定子绕组对地电容大，实现高灵敏度接地保护，常规方法实现较困难。

所以在实际中考虑采用新的自适应式保护方案，拓宽了20Hz 电源注入式保护方案的灵活性，提高了发电机的安全运行。

1拉西瓦机组双频式定子一点接地保护基波零序电压和3次谐波电压判据构成了常规的100％定子接地保护。

基波零序电压保护为了防止区外发生故障时误动，延时整定一般较长，在发电机发生故障时曾发生烧坏定子现象，因此，采用主变压器高压侧零序电压闭锁的原理，基波零序电压保护延时可以大为缩短。

拉西瓦定子绕组形式为每相7分支，机组经配电变压器高阻接地（如图1），发变组双重化微机保护装置采用DGT-801A （南京自动化公司），其中A 套装置定子一点接地保护采用西门子公司7UM62保护装置，B 套装置采用南自公司的双频式（3U 0+3ω）定子一点接地保护。

图1发电机中性点接至配电变压器接地方式20Hz 注入式定子接地保护在700MW 水电机组的应用高磊1，胥亚宁2（1，中国电力投资集团黄河电力检修工程有限公司，青海西宁810016；2，云南金安桥水电站运营筹备处，云南丽江674100）摘要：青海拉西瓦水电站作为“西电东送”北通道的骨干电源点，对西北电网750kV 网架起重要的支撑作用，是实现西北水火电“打捆”送往华北电网的战略性工程。

电站采用750kV 一级电压接入系统，出线二回，电气主接线方式为发电机与主变压器之间采用联合单元接线，750kV 侧采用3/2断路器接线。

介绍了拉西瓦水电站发电机定子接地保护与国内常用的利用发电机本身固有的工频和三次谐波方法的不同之处。

同时介绍了西门子公司7UM 62（发电机保护装置）、7X T33（20H z 发生器）、7X T34（20H z 带通滤波器）的工作原理和调试注意事项，以及整套装置在拉西瓦水电站700M W 发电机主保护中的应用与注意事项。

关键词：750kV ；20H z 注入式；100%定子接地；保护装置中图分类号：TM 774文献标识码：B文章编号：1672-5387（2009）04-0029-05收稿日期：2009-04-21作者简介：高磊（1979-），男，助理工程师，从事继电保护运行与维护工作。

第32卷第4期水电站机电技术Vol.32No.42009年8月M echanical &Electrical Technique of Hydropower StationAug.200929水电站机电技术第32卷1.1基波零序电压式保护接入3U0电压，取自发电机端TV开口三角绕组两端，该专用PT采用全绝缘PT，为确保TV 断线时保护不动作，需引入TV断线闭锁（如图2），3 U0设两段定值，I段为次灵敏段：动作值必须躲过任何外部故障时可能出现的基波不平衡量，保护瞬时出口；II段为灵敏段：动作值可靠躲过正常运行时出现的最大基波不平衡量，并利用“零序”电压中三次谐波不平衡量的变化来进行制动。

图23U0定子接地保护示意图1.2三次谐波电压式3ω定子接地保护反应发电机机端和中性点侧三次谐波电压大小和相位，保护具有较高的基波分量滤除功能，使灵敏度很高，机端三次谐波电压取自发电机机端PT的开口三角形绕组（如图3），反映中性点向内20%左右定子绕组或机端附近定子绕组单相接地故障。

在DGT-801A装置中，拉西瓦采用的是矢量比较式接地保护。

需要注意的是：幅值及相位系数K1、K2的整定，应在发电机空载额定电压下进行自整定；制动系数K3的整定有两种方法:在发电机小负荷工况下，设置一接地电阻，使3ω保护刚刚动作后，确定并写入K3值；在发电机空载额定电图33ω定子接地保护示意图压下，操作界面键盘，输入K3。

2拉西瓦机组20Hz注入式定子一点接地保护在发电机中性点处注入一个20Hz电压检测接地故障已被证实是一个安全而且可靠的方法。

与三次谐波判据相反，它独立于发电机特性和运行方式，即使在系统停顿期间，测量过程仍然可以进行。

外加电源低频注入式定子接地保护采用20Hz电源注入的方式，对于发电机静止、启停机和并网运行各种工况下都能够起到保护作用。

这个保护功能是为了检测整个发电机（真正的100%）和所有电气连接设备的接地故障而设计的。

保护装置测量已注入的20Hz电压以及流过的20Hz电流，应用到如拉西瓦水电站这样的大接地电容值的大型水轮机保护。

保护有一个报警、跳闸段。

测量回路始终被保护装置所监视，20Hz发生器的故障也能被测量出来。

2.120Hz定子一点接地保护原理图4即为低频注入式的基本保护原理。

从发电机中性点侧注入一个外部的低频（20Hz）交流电压源，其幅值最大约为发电机额定电压的1%（拉西瓦发电机额定电压为18kV）。

如果发电机中性点发生了接地故障，20Hz交流电压信号通过接地电阻将产生电流（如图4）。

保护装置将测量回路的驱动电压和故障电流，从而可以计算出回路的电阻。

这种原理同时也可探测发电机机端的接地故障，包括发电机机端连接的其他设备，如电压互感器等。

图4发电机中性点注入电压的原理要实现上述思路，就需要相应的外部附加设备，于是7XT33（20Hz发生器）和7XT34（20Hz带通滤波器）就被引进来，7XT33装置产生一个方波电压，幅值约为25V。

通过7XT34装置，方波信号注入到中性点接地变压器的二次侧负载电阻。

带通滤波器30第4期高磊，等：20Hz注入式定子接地保护在700M W水电机组的应用的作用是将方波信号转成为正旋波信号，同时储存电能。

带通滤波器在20Hz时的等效电阻约为8Ω，同时它也有保护的功能。

在发电机机端发生接地故障时，负载电阻承担了全部的零序电压，带通滤波器本身较高的串联电阻有效保护了20Hz信号发生器不受过大的反馈电流的冲击，从而保护了硬件。

20Hz电压驱动信号通过一个分压器直接取自负载电阻。

另外，流过的20Hz交流电流信号通过小型CT来测量，这两个测量量（USEF和ISEF）都将引入发电机保护装置7UM62。

由此可以看出：注入到发电机中性点的电压值取决于20Hz电压驱动信号以及中性点接地变压器的变比（见图5）。

图5拉西瓦发电机20Hz保护原理图7UM62—发电机20Hz定子接地保护装置；7XT33—20Hz发生器；7XT34—20Hz带通滤波器；4NC5—小型电流互感器，400/5；RL—接地负荷电阻等效电路如下（见图6）图6发电机20Hz保护等效电路RB—20Hz电源滤波器的内阻；RE—发电机定子对地绝缘电阻（二次值）；CE—发电机定子对地电容（二次值）；分压器—5/2(1650Ω/660Ω)通过上图中得到的两个测量值USEF和ISEF，来计算20Hz低频交流信号回路的电压和电流矢量。

通过这两个矢量信号计算出复合阻抗，从而可以得出接地电阻的欧姆阻值。

这种方法有效地消除了定子对地电容的干扰，因此具有很高的灵敏度。

可以取几个周波内的电压和电流平均值计算接地电阻，从而进一步提高了测量精度。

在原理上，保护装置已经考虑了传变电阻RPS，他们可能存在于中性点变压器或电压互感器。

另外，应该把其它的误差因素都考虑到角度误差中。

水电厂的水轮发电机一般采用电制动方式停机。

为了防止在制动停机期间，定子接地保护的误测量和误动，因此，7UM62保护装置应接入制动开关的辅助常开接点。

当该接点闭合式，应闭锁20Hz定子保护功能。

而拉西瓦发电机为机械制动方式停机，无需接入，BI接入20Hz故障接点。

除了计算接地电阻，保护装置还通过评估接地电流的有效值而提供一个接地电流保护段，可以考虑到所有的频率元件。

这可以用到后备保护段，可以覆盖约80%到90%的保护范围。

回路监视功能用来检查耦合馈入的20Hz电压信号和20Hz电流信号，通过对这些信号的评估来判断发生在20Hz低频交流电压信号发生器或者20Hz信号回路接线的任何故障。

一旦发现任何故障，保护装置将闭锁对接地电阻的计算，但是接地电流段仍然有效。

保护功能包括一个告警段和一个跳闸段，这两端都可以设置延时。

接地电流检测功能只配置跳闸段。

评估接地电阻测量值的过程会在10Hz~40Hz 这一频率范围内被闭锁，这是考虑到在这个频率范围内，当发电机启动或减速时会产生零序电压信号，这个零序电压信号是会被强行加入到20Hz电压信号上，这将引起测量误差和保护不正确动作。

接地电阻的测量功能在低于10Hz（如：机组处于静止状态）或者高于40Hz的范围内运行，而接地电流测量功能在全频率范围内都将正常运行。

对于电压和电流这两个监视门槛值，如果20 Hz电压信号降低到小于启动值而20Hz电流信号并没有升高时，就可以判断20Hz信号回路接线出31水电站机电技术第32卷现了问题。

拉西瓦电站设置了出口断路器，为了减少发电机出口断路器断开后零序电压带来的影响，则将厂高变等负载设备连接到单元变压器的低压侧，20Hz 电压信号通过发电机中性点变压器连接到发电机定子回路。

在发电机出口断路器合上后，保护装置将可以测量到单元变压器侧的负载电阻，而这个负载电阻会被误认为是接地电阻，在装置参数整定项目中，此项定值为∞，即假定没有附加的负载电阻。

2.2有关整定计算相关参数：中性点配电变压变比183姨/0.63kV；地电阻为1.00Ω；电流互感器变比400/5。

(1)接地电阻变比系数计算：R SEF=(2)20Hz电压/电流情况分析：根据接线情况，20Hz接地系统施加在接地电阻上的电压为：U RI=式中：1Ω———接地电阻的阻值；8Ω———20Hz带通滤波器的内阻.从计算公式看出，连接电缆的电阻越小越好。

正常情况下,7UM62测量流过接地电阻的20Hz 电流为：I R.20确定20Hz接地检测系统的报警指标：电压门槛值，按小于正常运行的50%-70%参数进行判断。

即：U20.m in=电流监视门槛值，是以20Hz电压施加后在经由发电机定子电容，主变低压侧线圈对地电容所形成的对地通路上的对地电流，即：电机变压器对地容抗为：其中：C G———发电机对地电容；C T———主变低压侧线圈对地电容二次侧对地容抗为：注入的20Hz电容电流为：则监视电流为：根据三峡电站经验，该值取：(3)动作值计算：定子绝缘电阻的情况根据需要整定，推荐两段绝缘电阻为：4.0kΩ、1.0kΩ：通过接地电阻变比系数折算后：4000Ω/8.5=470.6Ω1000Ω/8.5=117.6Ω动作时间分别整定为10.0s和0.3s接地电流后备跳闸段：应选择满足该段覆盖定子绕组的90%的区域（与90%定子接地保护相同）。