外加交流20Hz电源发电机定子单相接地保护说明文档

外加交流20Hz电源发电机定子单相接地保护定子绕组的单相接地（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，由于发电机中性点不接地或经高阻抗接地，定子单相接地故障并不产生很大的故障电流，所以定子绕组单相接地保护通常只发信号而不跳闸，故障机组经转移负荷后平稳停机。

同时发电机单相接地故障往往是相间或匝间短路的先兆。

定子绕组单相接地保护的可靠和灵敏动作可以大大降低更为严重的内部短路故障发生的概率。

如果定子单相接地故障电流不大，对发电机的定子铁芯的损伤基本上可以避免，但如果定子单相接地故障时产生了较大的电流，那么严重时可以灼伤定子铁芯，甚至可以造成难以修复的结局，因此定子绕组单相接地保护对预防更为严重的内部短路故障和保护发电机少受损坏有着重要的意义。

发电机定子绕组单相接地保护也成为大型发电机保护系统中的一项重要的内容。

近年对全国大型发电机的故障进行统计发现，单相接地故障在发电机本体故障中占了很高的比例。

定子单相接地保护是发电机继电保护系统中的重要组成部分之一，它的正确与灵敏动作将大幅降低发电机内部短路故障的发生几率。

目前采用的定子接地保护（双频式定子接地保护）存在一定的死区，且灵敏度不高，不适应大型发变组对定子接地保护的要求。

特别是在发电机停机状态，发电机处于定子单相接地无保护状态。

外加交流20Hz电源发电机定子单相接地保护灵敏度高，保护无动作死区，接地电阻灵敏度能够达到10kΩ，且在发电机停机状态能起保护作用。

外加交流20Hz电源发电机定子单相接地保护与双频式定子接地保护构成发电机定子单相接地保护的双套不同原理的保护，提高了发电机定子单相接地保护可靠性及发电机安全运行的可靠性。

1．保护原理外加交流20Hz电源发电机定子单相接地保护是在发电机定子回路对地之间外加一个交流20Hz电源，利用发电机正常运行时，整个三相定子回路对地是绝缘的，20Hz电源几乎不产生电流，而发生定子单相接地故障时这种对地绝缘就被破坏了，20Hz电源将产生电流使保护测量电阻减小，以此来区分正常运行和接地故障。

为了消除50Hz干扰电压的干扰，保护装置采用了与系统频率不同的注入电源，这样就可简单地利用滤波器将干扰隔开。

保护算法：通过提取10Hz频率的二次谐波分量的傅氏计算来实现的。

这种方法不仅20Hz分量能有效地提取出来，而且可滤除其它所有10Hz的倍频信号(包括50Hz工频)干扰信号。

由于发电机定子发生一点接地后，定子回路的阻抗将会发生变化。

保护装置测量到的动作电流相量是不等于正常电流相量的。

为了充分利用这种故障前后电流相量的差别，采用了导纳判据。

计算公式：R K=n2×1/R e(I20/U20) (1)式中：n－中性点接地变压器的综合变比；U20－保护装置测量到的20Hz电压；I20－保护装置测量到的20Hz电流。

当接地故障电阻计算值低于电阻的高整定值时保护发信号告警，当接地故障电阻计算值小于电阻的低整定值时保护动作于跳闸。

导纳判据中接地故障过渡电阻的计算值是单相接地保护执行的动作性质和监测绝缘水平的主要依据，准确地计算是十分必要的。

但现有运行的外加电源单相接地保护都没有考虑中性点接地变压器的参数影响，本保护通过对导纳型判据进行修正，提高了故障电阻计算的准确度，进一步提高检测的灵敏度。

图1 外加20Hz 电源单相接地保护原理图发电机中性点经配电变压器高阻接地（二次侧接电阻）时，外加20Hz 电源单相接地保护的接法如图1所示。

过去分析外加电源型单相接地保护的等效电路时，认为配电变压器的漏阻抗很小可以忽略不计，激磁阻抗很大认为开路。

实际上，配电变压器的激磁阻抗并非无穷大，漏抗也会产生压降，如图2是考虑配电变压器参数的等效电路。

gR '图2 考虑配电变压器参数的T 型等效电路1R '，1X '是一次侧绕组漏阻抗；2R ，2X 是二次侧绕组漏阻抗；m R '、m X '是激磁阻抗；各参数均为20Hz 下折算到二次侧的值，其中漏阻抗2k 21R R R =='，2k 21X X X =='；k R ，k X 是配电变压器的短路阻抗。

二次侧计算的定子对地导纳为 ss UIY =折算到一次侧的接地过渡电阻值为 )Re(12Y n R vg = 其中：12s U U U k U u --*=，m I I k I I s -*=，)(222jX R I k U I +*= ，)(11s 1X j R I U '+'= ，m m2m X j R U U k I u '+'-= ，u k 为电压分压器变比，I k 为电流互感器变比，vn 为接地配电变压器变比。

发电机外加20Hz 电源定子接地保护的逻辑框图如图3&op U U >20opI I >2021f f f <<setI I >50电源退出或故障告警出口1出口2出口3gR hg R R <lg R R <1t 2t 3t 测图3 外加20Hz 电源单相接地保护逻辑框图当接地故障电阻计算值低于电阻的高整定值时保护发告警信号，当接地故障电阻计算值低于电阻的低整定值时保护动作于跳闸。

另外设有工频零序过流定子接地保护作为外加交流20Hz 电源发电机定子单相接地保护的补充。

外加交流20Hz 电源发电机定子单相接地保护通常仅在有限的频率范围内计算的电阻才是有效的，其频率范围与所采用的滤波器有关。

有效频率范围设为f=47.5Hz ~52.5Hz ，在发电机启、停过程中，只要频率超过这个范围就不计算电阻值即将其闭锁，而靠接地工频零序过流保护动作。

这是考虑发电机频率过低，会干扰20Hz 测量值。

2．定值整定2．1接地电阻整定计算2．1．1动作值国内外对于单相接地后接地电流对发电机定子铁心造成的损害也持有不同的意见。

我国对于各容量机组的安全接地电流有明确的规定(机端电压18kV 以上不大于1A)。

而有些国家由于电网容量储备较大，定子接地保护大多作为发电机的主保护，一旦绝缘下降到规定值以内，便在短时间内切机，避免事故扩大造成严重损失。

建议接地电阻低定值整定按在距发电机中性点的20％以内发生一点接地，接地故障点电流3I0不大于安全接地电流Is 为原则。

即：S C N g nI jX R R U I ≤-+*=)//(33332.0300式中n U 为发电机一次额定线电压，gR 为接地过渡电阻，NR 为中性点一次接地电阻值，C X 为每相对地的容抗。

接地电阻高定值整定：按照发电机绝缘的健康水平和定子冷却水的电导率，同时考虑中性点变压器、机端电压互感器、升压变低压侧、高厂变高压侧、离相封闭母线的绝缘水平。

在保证正常运行情况下不误发信号的前提下取值越大越好。

2．1．2延时时间关于发电机注入信号构成的100%定子接地保护延时时间的选择并没有明确的规定。

由于原理上注入信号构成的100%定子接地保护不受系统接地故障的影响，接地电阻低定值宜取0.5－2秒； 接地电阻高定值宜取2－4秒 2．2 后备工频电流保护整定 2．2．1动作值：在全偏移电压下，保护测量电流为：Ib nK R U I *=50。

式中Rb 为中性点接地变压器的二次电阻，n U 为配电变压器二次额定电压。

一般取保护范围为发电机定子绕组的80％，则当偏移电压达到全偏移电压的20％时，保护必须动作。

因此，电流整定值也取20％，则整定值为：Ib nK R U I **=2.0502．2．2延时时间：取下列两个条件的最小值，即接地变压器的过载持续运行时间与系统接地保护的配合时间。

2．3启动电压整定1）实测20Hz 电源及引线故障时的最大电压。

2）配电变压器一次侧发生金属性接地故障时，保护装置测得的二次20Hz 电压值最小，在发生接地故障时，20Hz 电压会大于上述最小值。

实测配电变压器一次侧发生金属性接地故障时的电压。

为保证发电机发生金属性单相接地故障时，保护可靠动作，取实测配电变压器一次侧发生金属性接地故障时的电压的0.8倍。

启动电压按上述两个电压的最大电压整定。

2．4启动电流整定在一次侧绝缘正常时，保护装置测得的二次20Hz 电流值最小，在发生接地故障时，20H z 电流会大于上述最小值，而20H z 电源及引线故障时，电流会小于上述最小值，因此启动电流按此最小电流整定。

3．定值清单44．1 外加交流20Hz 电源发电机定子单相接地保护与双频式定子接地保护构成发电机定子单相接地保护的双套不同的原理，提高发电机定子单相接地保护可靠性及发电机安全运行的可靠性。

4．2 外加交流20Hz 电源发电机定子单相接地保护主要应用于经配电变压器接地的大中型发电机组。

20Hz 电源装置采用德国由西门子公司生产的20Hz 电源装置和20Hz 滤波器。

20Hz 电源装置型号为：7XT3110-1/CC ，20Hz 滤波器，型号为：7XT3200-0/CC 。

也可采用许继电公司自制的电源。

采用何种电源在订货时需要特别注明（两种电源的价格不一样）。

4．3保护装置输入电压是经过分压器的，分压器的输入电压不应取自保护屏，应直接取自中性点接地电阻。

如图1。

4．4 电流互感器的选取20Hz 定子一点接地保护包括反映50Hz 基波电流的后备保护和反映20Hz 测量电阻的主保护，保护装置的测量电流输入回路是公用的。

因此，中间变流器变比的选择要两方面兼顾。

对于中间电流互感器的变比选择原则：（1）在保护灵敏度及测量精度期望值的要求下，首先要保证二次保护装置的测量精度；（2）在考虑接地故障时基波电流的影响下，选取电流互感器的额定值，不使电流互感器饱和。

4．5 中性点接地电阻值的选取：其电阻吸收功率大于或等于三相对地电容的无功伏安，为限值动态过电压不超过2.6倍额定相电压，接地电阻（一次值）gNC R ω31'≤。

4．6 中性点接地变压器变比大小与定子单相接地保护灵敏度的相互配合根据20Hz 注入电源电压的幅值一般为1％－3％发电机额定相电压值的要求来校核中性点接地变压器的变比选择的是否合适。

4．7 20Hz 电源装置的输入电源选取20Hz 电源装置输入电源通常取自发电机机端的电压互感器和厂用电系统供电，正常时使用前者。

这样当发电机单相接地故障是，仍能可靠供给电源。

而且保护不会受到厂用电系统干扰的影响。

另外，也可以保证在发电机停机时，不会有杂散电压施加在发电机上。

在停机时电源可切换到由厂用电系统供电，进行接地试验。

缺点是增加了电压互感器的负载。

20Hz 电源装置输入电源也可选取直流电源，在停机时可通过汽轮机转速检测器自动断开输入电源或用灭磁开关来进行控制。

5．保护性能测试 5．1技术条件a) 接地电阻定值整定范围：0.10k Ω～50.00k Ω，误差不超过±10%或0.10k Ω； b) 动作电流整定范围：0.01In ～10.00In ，误差不超过±2.5%或±0.01In ； c) 动作延时整定范围：0.20s~10.00s当延时时间在0.20s ～1.00s 时，误差不超过±25ms ；当延时时间大于1s 时，误差不超过±2.5%（对于过量保护施加1.2倍动作值进行测试，欠量保护施加0.8倍动作值进行测试）。