发电机定子单相接地保护

发电机定子单相接地保护

发电运行部 钟应贵

一、 发电机定子单相接地的危害

设发电机定子绕组为每相单分支且中性点不接地，发电机定子绕组接线示意图及机端电压向量图（图1）

A

B

C

（a ）定子绕组接地示意图

B C

（b ）定子绕组接地电压向量图

设A 相定子绕组发生接地故障，接地点距中性点的电气距离为α（所谓电气距离，就是发电机单相定子绕组的长度，α为中性点到故障点的绕组占全部绕组的百分数），此时，在接地点会出现一个零序电压。

由图1（b ）向量图可以看出，A 相接地时，使B 相及C 相对地电压，由相电压升高到另一值。当机端A 相接地时，B 、C 两相的对地电压由相电压升高到线电压。

另外，发电机定子绕组及机端连接元件（包括主变低压侧及厂用变高压侧）对地有分布电容，零序电压通过分布电容向故障点供给电流。此时，如果发电机中性点经某一电阻接地，

则发电机零序电压通过电阻也为接地点供给电流。

综合上述分析，发电机定子绕组单相接地的危害是：

1、非接地相对地电压升高，将危及对地绝缘，当原来绝缘较

弱时可能会造成非接地相相间发生接地故障，从而造成相

间接地短路，损害发电机。

2、流过接地点的电流具有电弧性质，会产生电弧，可能烧

伤定子铁芯。

分析表明：接地点距发电机中性点越远，对发电机的危害越

大；反之越小。

二、发电机定子绕组单相接地保护的构成

1、利用零序电压构成的发电机定子绕组单相接地保护

由上述分析：画出零序电压3U0随故障点位置α变化的曲线，见图2。

3U0(v)

50

Uop

图2 定子绕组单相接地时3U0与α的关系曲线

越靠近机端，故障点的零序电压越高。利用基波零序电压构成定子单相接地保护，图中Uop为零序电压定子接地保

护的动作电压。定子绕组单相接地保护用的零序电压的获取

见图3。

100

/3

N U 0

3U 0

3U 3

100

/3100/3N U F

FDL

图3发电机定子绕组单相接地接线原理

零序电压可以从发电机机端YH 二次可口三角形获取，

也可以从发电机中性点单相YH 获取。假定机端电压互感器的变比为

3100

/3100/3N U ，如果机端发生金属性单相接地故障，

从机端得到的基波零序电压二次值为100V ，距中性点α处发

生单相金属性接地故障时，基波零序电压二次值为 α×100V 。

利用基波零序电压作为发电机定子单相接地保护是一种不完全的保护，从图2中可以看出，它只能保护到定子绕组的90-95% 。要达到100%定子接地保护，就需要由其它原理的保护共同构成100%定子接地保护。目前普遍采用三次谐波电压构成的发电机定子绕组单相接地保护与零序电压相配合的100%定子单相接地保护。

2、 利用三次谐波电压构成的发电机定子绕组单相接地保护 1）、保护原理

由于发电机气隙磁通密度的非正弦分布和铁磁饱和的影响，在定子绕组中感应的电动势除基波分量外，还含有高次谐波分量，其中三次谐波分量是零序性质的分量。

如果把发电机的对地电容等效地看作集中在发电机的中性点N 和机端S ，且每相的电容大小都是0.5C f ，并将发电机机端引出线、升压变压器低压侧母线、厂用变压器以及电压互感器等设备的每相对地电容C w 也等效在机端，并设三次谐波电动势为E 3 。那么当发电机中性点不接地时，其等值电路如图4 （a ）。

图4 （a ）

发电机中性点经消弧线圈接地时，其等值电路如图4 （b ）。

S3

图4 （b ）

中性点不接地时，中性点和机端的三次谐波电压分别为：

33)(22E C C C C U w f w f N ++= (1—1)

33)

(2E C C C U w f f s +=

(1—2)

机端三次谐波电压U S3与中性点三次谐波电压U N3之比为：

w

f f N s C C C U U 233

+=

(1—3) 由式（1-3）可知，在正常运行时，发电机中性点侧的三次谐波电压U N3总是大于发电机机端的三次谐波电压U S3 。当发电机孤立运行时，即发电机出线端开路，C W =0时 ，U N3=U S3 发电机经消弧线圈接地时，假设基波电容电流被完全补偿，即

)

(31

ωωωC C L f +=

此时发电机中性点侧对三次谐波的等值电抗为

f

f

N C L C L X ωωωω32

)3(3)32

)(

3(33

-

-=

整理后得

)

27(6

3ωωC C X f N -=

发电机机端对三次谐波的等值电抗为

)

2(32

3ωωC C X f s +=

此时发电机机端三次谐波和中性点三次谐波电压之比为

)

2(9273333ωωC C C C X X

U U f f N S N s +-=

= (1—4)

式（1-4）表明，接入消弧线圈后，中性点的三次谐波电压U N3在正常运行时比机端三次谐波电压U S3更大。在发电机出线端开路后，即C W =0时 ，则

9

7

33=N S U U (1—5)

在正常运行情况下，尽管发电机的三次谐波电动势E 3随

着发电机的结构及运行状态而改变，但是其机端三次谐波电压与中性点三次谐波电压的比值总是符合以上关系的。 当发电机定子绕组发生金属性单相接地时，设接地点发生在距中性点α处，其等值电路如图5所示。此时不管发电

机中性点是否接有消弧线圈，总是有U N3=αE 3和 U S3=（1-α）E 3，两者相比，得

α

α

-=133N S U U （1—6）

中性点三次谐波电压U N3和机端三次谐波电压U S3随故障

点α的变化曲线如图6所示。因此，如果利用机端三次谐波电压U S3作为动作量，而用中性点三次谐波电压U N3作为制动量来构成接地保护。且当U S3≥U N3时作为保护的动作条件，则在正常运行时保护是不可能动作的，而当中性点附近发生