定子绕组单相接地保护

则故障点总的接地电流即为： I d ( a ) j3 C0e C0e E A （2-4-4） 其有效值为 3 C0e C0e E ，式中 E 为发电机的相电势， 一般在计算时，常用发电机网络的平均额定相电压 3 C0e C0e U 来代替，即表示为 。 U 流经故障点的接地电流也与 成正比，因此当故 1，接地电流为最 障点位于发电机出线端子附近时， 大，其值为 3 C0e C0e U 。 当发电机内部单相接地时，流经发电机零序电流 互感器 TA0 一次侧的零序电流，如图15(b)所示，为发
13
采取以上措施以后，零序电压保护范围虽然有所 提高，但在中性点附近接地时仍然有一定的死区。 由此可见，利用零序电流和零序电压构成的接地 保护，对定子绕组都不能达到100%的保护范围。对于 大容量的机组而言，由于振动较大而产生的机械损伤 或发生漏水（指水内冷的发电机）等原因，都可能使 靠近中性点附近的绕组发生接地故障。如果这种故障 不能及时发现，则一种可能是进一步发展成匝间短路 或相间短路；另一种可能是如果又在其它地点发生接 地，则形成两点接地短路。这两种结果都会造成发电 机的严重损坏。因此，对大型发电机组，特别是定子 绕组用水内冷的机组，应装设能反应100%定子绕组的 接地保护。 目前，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，如上所述，它能保护定子 绕组的85%以上；第二种保护则用来消除零序电 14
0e
3
0e

网络如图20所示。由此即可求出中性点及机端的三次 谐波电压分别为： U N 3 C0e 2C0 S E3
2(C0 e C0 S ) US3 C0 e E3 2(C0 e C0 S )
（2-6-1）
此时，机端三次谐波电压与中性点三次谐波电压比为:
3
（三）大中型发电机定子接地保护的基本要求 国内外运行经验证明，由于机械原因或水内冷 机组的定子漏水，单相接地故障有可能首先在中性 点附近发生（几率较小），也可能故障初始是由位 于中性点附近的定子多匝线圈中发生部分匝间短路。 由于短路匝数少，横差保护不能反应，故障继续发 展，最终中性点附近绕组的绕组对铁芯击穿，形成 单相接地故障。如果定子接地保护在中性点附近存 在死区，则故障将进一步蔓延为相间或层间短路， 使机组严重损坏。因此应强调大中型发电机装设无 死区（100%保护区）定子接地保护的必要性。对于 10万kW及以上的发电机组，除此以外，还要求在定 子绕组任一点经过渡电阻接地时，保护能灵敏动作。 这是考虑到当中性点附近首先经过渡电阻接地时， 若保护灵敏度不够而未能动作，随之在机端附近再 发生第二点接地，中性点电位升高，第一个
0 3



压输出。此外，当变压器高压侧发生接地故障时，由 于变压器高、低压绕组之间有电容存在，因此，在发 电机端也会产生零序电压。为了保证动作的选择性， 保护装置的整定值应躲开正常运行时的不平衡电压 （包括三次谐波电压），以及变压器高压侧接地时在 发电机端所产生的零序电压。根据运行经验，继电器 的启动电压一般整定为15~30V左右。 按以上条件的整定保护，由于整定值较高，因此 当中性点附近发生接地时，保护装置不能动作，因而 出现死区，可采取如下措施来降低启动电压。 如图19所示，加装三次谐波滤过器。 对于高压侧中性点直接接地的电网，利用保护装置的 延时来躲开高压侧的接地故障。 在高压侧中性点非直接接地电网中，利用高压侧的零 序电压将发电机接地保护闭锁或利用其对保护制动。
如图15(a)所示，假设A相接地发生在定子绕组距 中性点 处， 表示由中性点到故障点的绕组占全部 绕组匝数的百分数，则故障点各相电势为 E A、 E B和 E C ，而各相对地电压分别为：
U AD 0 U BD E B E A U CD E C E A
2
表1
发电机额定电压 （KV）
发电机接地电流允许值
单相接地电流允许值 （A ） 发电机额定电压 （KV） 单相接地电流允许值 （A）
6.3及以下 10.5 * 对氢冷发电机可取为2.5A
4 3
13.8~15.75 18及以上
2* 1
当单相接地电流小于上述安全短路电流时，定 子接地保护动作后只发信号而不跳闸，但应及时处 理，转移负荷，平稳停机，以免再发生另一点接地 故障而烧毁发电机。我国曾有过单相接地电流小于 2A，调相机继续长时间运行，以至最终发展为相间 短路的严重教训。
0e 0l
TA0
U BD E B E A U CD E C E A




（2-4-5）
9
EA

D U AD
U CD


U d0 E A O


U BD

其向量关系如图17所 示。由此可求出机端的零 序电压为：

EC

EB
U d0

图17 发电机内部单相接 地时，机端的电压向量图
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电机以外电压网络的对地电容 电流 3C0eU ，而当发电机外 C C 部单相接地时，如图16所示， 流过 TA0的零序电流为发电机 图16 发电机外部单相接地的 零序等效网络 本身的对地电容电流。 当发电机内部单相接地时，实际上无法直接获 得故障点的零序电压 U d 0( a )，而只能借助于机端的电 压互感器来进行测量。由图15可见，当忽略各相电 流在发电机内阻抗上的压降时，机端各相的对地电 压分别为： U AD (1 ) E A
4



接地点的接地电流增大而过渡电阻减小，结果发生 相间或匝间的严重短路。 综上所述，大中型发电机中性点接地方式和定 子接地保护应满足三个基本要求，即： 接地故障点电流不应超过安全电流，确保定子铁芯 安全。 保护动作区覆盖整个定子绕组。保护区内任一点接 地故障应有足够高的灵敏度（即经一定过渡电阻接 地仍能动作）。 暂态过电压数值较小，不威胁发电机的安全运行。 在以上三个要求下，定子接地保护最好能判定 接地故障位于机内或机外，但实现这一点要求是比 较困难的。
1 (U AD U BD U CD ) 3
E A U d 0( a )
（2-4-6）
其值和故障点的零序电压相等。
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（五）利用零序电压构成的定子保护 一般大、中型发电机在电力系 C 统中大都采用发电机—变压器组的 接线方式。在这种情况下，发电机 T 电压电压网络中，只有发电机本 C 身、连接发电机与变压器的电缆以 X C0t 、 C 及变压器的对地电容（分别以 E ~ C0 x、 C0 e 表示）其分布图可用图18来 图18 发电机-变压器组接 线中，发电机电压系统的 说明。当发电机单相接地后，接地 对地电容分布 电容电流一般小于允许值。对于大 容量的发-变组，若接地后的电容电流大于允许值， 则可在发电机电压网络中装设消弧线圈予以补偿。
1
（二）发电机接地电流允许值 发电机单机容量的增大，一般使三相定子绕组 对地电容增加，相应的接地电流也增大。如不采取 措施（如增设消弧线圈），单相接地故障将危及定 子铁芯，而近代大型汽轮机组采用复杂的辐相和轴 向冷却通道，其定子铁芯是在几兆牛压力下锻压成 的单一整体。因此定子铁芯的检修比较困难，停机 时间比较长，造成相当大的直接和间接经济损失。 因此必须对大型发电机的顶子单相接地电流制定一 个合理的安全允许值。 为确保大型发电机的安全，不使单相接地故障 发展成相间或匝间短路，应使单相接地故障处产生 电弧或使接地电弧瞬间熄灭。这个不产生电弧的最 大接地电流被定义为发单相接地的安全电流。其值 与发电机的额定电压有关。
（2-4-2）
等效电容。由此即可求出发电机的零序电容电流和网 络的零序电容电流分别为：
3 I 0e j 3C0e U d 0( a ) j 3C0e E A 3 I 0l j 3C0l U d 0( a ) j 3C0l E A

（2-4-3）
5
（四）发电机定子绕组单相接地的特点
TA0
C B A
Ud0
TA0

D
d
C0e C0l C0e
C0l
(a)
图15 发电机内部单相接地时的电流分布 (a) 三相网络接线；(b) 零序等效网络
(b)
现代的发电机，其中性点都是不接地或经消弧线 圈接地的。因此，当发电机内部单相接地时，流经接 地点的电流仍为发电机所在电压网络（即与发电机有 直接电联系的各元件）对地电容电流之总和，而不同 之处在于故障点的零序电压将随发电机内部接地点的 位置而改变。 6



压不能保护的死区。为提高可靠性，两部分的保护区 应相互重叠。构成第二部分保护的方案主要有： 发电机中性点加固定的工频偏移电压，其值为额定相 电压的10%~15%。当发电机定子绕组接地时，利用此偏 移电压来加大故障点的电流（其值限制在10~25A左 右），接地保护即反应于这个电流而动作，使发电机 跳闸。 附加直流或低频（20Hz或25Hz）电源，通过发电机端 的电压互感器将其电流注入发电机定子绕组，当定子 绕组发生接地时，保护装置将反应于此注入电流的增 大而动作。 利用发电机固有的三次谐波电动势，以发电机中性点 侧和机端侧三次谐波电压比值的变化，或比值和方向 的变化，来作为保护动作的判据。 15
US3 C0 e 1 U N 3 C0 e 2C0 S
（2-6-2）
由上式可见，在正常运行时，发电机中性点侧的 三次谐波电压U N 3 总是大于发电机机端的三次谐波电压 E U S 3 。极限情况是，当发电机出 N S C C US3 UN3 线端开路（即 C0S 0）时， C U U 3L 2 2 I 当发电机中性点经消弧线 图21 发电机接有消弧线圈时， 圈接地时，其等值电路如图21 三次谐波电势和对地电容的等
定子绕组单相接地保护
（一）概述 定子绕组单相接地（定子绕组与铁芯间的 绝缘破坏）是发电机最常见的一种故障。由于 大中型发电机中性点不接地或经高阻接地，定 子单相接地并不产生大的故障电流。所以定子 绕组单相接地通常只发信号而不跳闸，故障机 组经转移负荷后平稳停机。同时也应指出：发 电机单相接地故障往往是相间或匝间短路的先 兆。因此对于大型发电机组，在定子单相接地 保护动作发信号后应立即通知系统调度部门， 瞬间减少故障机组负荷，尽快实现停机检修。