大型水轮发电机定子接地方式及其继电保护的相关问题分析

大型水轮发电机定子接地方式及其继电保护的相关问题分析

摘要：本文分析了定子中性点接地方式在中国大型水轮发电机，单相接地继电

保护存在问题的原则。分析了配电变压器中性点接地方式及消弧线圈接地的优点

及各自的缺点，探讨了电流双频率保护的原理及故障的原因及相应的预防措施。

注入保护及新技术的应用发展。最后对大型水轮发电机定子接地保护技术进行了

总结和展望。

关键词：水轮发电机；定子单相接地；中性点接地方式；继电保护；故障诊

断

1引言

中国水电资源开发的规模空前扩大，大型水轮发电机作为一种重要的电源点，将更加广泛地应用于电力系统。绝缘损坏引起的定子单相接地故障是大型水轮发

电机的常见故障，约占定子故障总数的70%～80%。当定子绕组为单相接地时，

故障电流幅值和暂态过电压及保护方式与发电机中性点接地方式密切相关。当发

电机定子单相接地时，接地电流由故障点、接地电容和三相定子绕组组成。定子

电流的大小和持续时间将直接影响定子铁心的烧毁程度。

目前，在定子接地保护安装大型水轮发电机组有2种：接地故障信息作为接

地保护的100%标准双频率，包括基波零序电压保护和3次谐波电压保护；外部

注入保护交流电源信号的基础上。保护动作分为2种：一种是直接作用于跳闸停止，另一种是作用于信号，故障单元在传递负载后再平稳停止。大型水轮发电机

定子单相接地保护装置涉及的许多内容是复杂的，和存在的问题，发展中的问题，如在大型水轮发电机定子中性点接地方式，单相接地保护的新技术，进行了深入

的分析和评论。

2水轮发电机中性点的接地方式

水轮发电机定子单相接地故障的定子和发电机中性点接地方式的损伤程度的

电流密切相关，需要考虑2个问题：接地电流会造成故障扩大，将会影响到定子

铁心的烧伤程度的大小和持续时间；接地故障的绝缘定子的其他位置的瞬态过电

压所造成的损害，可能导致接地故障的发展阶段或匝间短路故障。

水轮发电机的三相对电容大于汽轮发电机，单相接地电流较大。中性点经消

弧线圈接地补偿流过地面以不超过允许值的电容电流，从而限制了短路电流，使

保护只能停止信号由调度负荷转移，当然，也可以对动作的直接影响。发电机和

主变压器单元接线或扩大单元接线方式下的补偿方法的选择（K＜1），从而限制

了主变压器和辅助单相变压器低压侧接地传递过电压的高电压侧，避免零序电压

保护误动。

高阻接地方式对变压器高压侧故障暂态谐振过电压和过电压转移影响有限。

当中性点附近绝缘水平下降到一定程度时，大型水轮发电机的保护可以正常运行，但高阻接地在一定程度上降低了保护灵敏度。此外，由于高电阻接地的单相短路

电流非常大，从保护信号到发电机停止退磁的过程中，短路电流仍然存在，仍有

可能烧坏定子。

3基波零序电压保护

现代大容量汽轮发电机通常由发电机变压器单元接线，高压或超高压电网直

接连接，因为没有电气连接的发电机和其他系统部件之间，接地电容电流相对较小，通常基于零序电压保护。基本零序电压型保护是指在单相接地时，通过检测

机器端部或中性点的零序电压来判断接地故障。假定接地发生在定子绕组距中性

点的距离上，α代表绕组从中性点到故障点到总绕组匝数的百分比，如图1所示。

则机端各相对地电压U•dA、U•dB、U•dC为

U•dA=（1-α）E•A（1）

U•dB=E•B-αE•A（2）

U•dC=E•c-αE•A（3）

因此故障点的零序电压为

图1定子单相接地电路图

计算公式表明，零序电压故障点随故障位置的不同而发生变化。当发生单相

接地，两开口三角电压互感器端子接100V的输出电压，零序电压故障点可以表

示为U D0（α）= 100α（V）（5）为三相发电机绕组电容不完全对称。当运行中

性点位移电压存在时，该方案在中性点附近有保护死区，且受保护区附近的过渡

电阻接地灵敏度不高，故需要和其它原理共同构成100%接地保护。

实际测试表明，不平衡零序电压可能超过10V时，发电机在正常运行时，电

压互感器饱和，有时甚至超过20V。三谐波过滤器设置在中继，可以减少设定值，使其能够反映基波零序电压和提高灵敏度。保护的使用也要检查高压侧系统或高

压单相变压器低压系统采用零电压转换耦合电容接地，这可能会导致零序电压保

护误动，通常的方法是从电压整定值和延时两系统接地保护。

4 3次谐波电压保护

4.1保护原理

在水轮发电机的正常运行中，定子绕组的感应电动势包含3次谐波电位2%～10%的E3。3谐波电压保护是基于单相接地故障，发电机中性点3次谐波电压

un3在机器US3振幅变化端，3次谐波电压不同构成保护判据。在正常操作的

un3 > US3靠近中性点，但定子接地，可以消除中点附近死区，基波零序电压保护。3理论的水轮发电机定子谐波电压分布分析汽轮发电机规范和严谨，但定子与同

一原则的保护，即接地保护的3次谐波电压的单位不同，α＜50%，30 > un3，和

接地保护动作接近中性点，保护的灵敏度高。

保护装置需要2组电视机，机器末端的3谐波电压取自发电机电视的开三角

形绕组，中性点的3次谐波电压取自发电机中性点电视或消弧线圈。事实上，该

判据可以独立于100%定子接地保护完成。但是，当单位容量进一步增大时，该

判据会降低单位接地电容的保护灵敏度。水轮发电机定子多分支绕组，3绕组谐

波绕组电势分布和分支构成的E3连接形式，所以等效电路的分析，只有在un3

和US3的每一个具体的单位，对具体工作的计算和分析是非常复杂的，因为3次

谐波电压保护并不完全适用于水轮发电机。

4.2保护误动分析

当发电机的启动和停止、运行方式变化很大，这un3和US3会发生较大的变化，这将导致3次谐波电压保护误动作。造成误操作水轮发电机的运行方式的变化，主要是因为3次谐波的各种动作方程可能保护操作模式适合在难以确定un3

和3的比例标准与操作条件的改变，并没有一定的变化。有一个缺乏准确的分析，我们un3随工况变化和调整系数的变化理论，很难满足无误和高灵敏度的要求，

也改变励磁电流会引起3次谐波电势变化，从而解决问题是改变形式标准。

5大型水电机组转子接地保护实现方式

大型水电机组转子的额定电压比较高，可能超过500V，较高的功率和明显的

交流成分，直接取出是危险的，电缆不易选择。为了解决上述问题，国内一些大

型水电工程的设计、转子接地保护和失磁保护转子电压测量及相关附件安装在励