扩大单元接线发电机定子接地保护方案

1 保护原理
以图 1 所示的两机一变为例，分析扩大单元接线方式发电机区内、区外单相接地故障时 的电气量特征。
GND
G1
QF1
T
GND
Rn
QF3 G2
QF2
Rn
图 1 两机一变扩大单元接线方式 Figure.1 Generators connected as expanding unit
为便于分析，假设每台发电机的容量、定子绕组对地电容、机端电缆对地电容、接地变 压器的变比及其二次负载电阻值均相同。设发电机定子绕组每相对地电容为 Cg ，机端电缆
中性点，其零序等值电路如图 2 所示，分析过程中，忽略了接地变压器的漏阻抗和励磁阻抗， 所有电流、电压均为一次值。
3I&0
QF1
QF2
I&t 0
αE& A
RN
U& 0
3Cg 2
Rf
3Cg 2
3Cl
3CB
3Cl
3Cg RN
图 2 1 号发电机定子接地故障时的零序等值电路 Figure.2 Zero-sequence equivalent circuit of stator earth fault in # 1 generator
（1）
设计中通常取 RN = 1 [3ω ⋅ (Cg + Cl + CB )] 。
1.2 发电机定子接地故障的零序等值电路
假设图 1 中 1 号发电机发生定子接地故障，接地故障点位于定子绕组 A 相距中性点α 处，
接地过渡电阻为 R f ，定子绕组的对地电容分布均可等效地各以 0.5Cg 集中于发电机机端和
3I&0 = −U& 0 ⋅ (1 / RN + j ⋅3ω ⋅ C g )
（7）
同样，将机端零序电流和接地变压器一次侧电流叠加，构造如下合成零序电流 I&0Σ ：
I&0Σ = 3I&0 + I&t0 = U& 0 ⋅ (− j ⋅ 3ω ⋅ Cg )
（8）
由式（8）可知，发电机区外单相接地故障时，一次合成零序电流滞后零序电压 90 度。
由式（5）和式（6）可分别计算出一台发电机单独运行和两台发电机并联运行时，发电
机区内接地时合成零序电流超前零序电压的角度ϕ1 和ϕ 2 ： ϕ1 = arctg[3ω ⋅ (Cl + C B ) ⋅ RN ]
（9）
ϕ 2 = arctg[3ω ⋅ (2Cl + C B + C g ) ⋅ RN / 2]
3CB
3Cl
Rf
3Cg
RN
图 3 1 号发电机区外单相接地故障时的零序等值电路 Figure.3 Zero-sequence equivalent circuit of network earth fault
由图 3 可得发电机区外单相接地故障时，无论几台发电机并网运行，机端零序电流的表 达式均相同：
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每相对地电容为 Cl ，母线每相对地等效电容为 CB ，接地变二次负载电阻为 Rn ，接地变压 器变比为 N，接地变压器二次负载电阻折算到一次侧的阻值为 RN = N 2 ⋅ Rn 。
1.1 接地变压器二次负载电阻的设计原则
1.5 零序方向元件的整定
如图 4 所示，零序方向元件只需整定动作边界 1 和动作边界 2，整定时应兼顾一台发电 机单独运行和两台发电机并联运行的两种工况。
I&0Σ
边界2
ϕ2
区内接地动作区 ϕ
θ
ϕ1
0
θ
U& 0
边界1
区外接地故障
图 4 零序方向元件的动作特性 Figure.4 Operating characteristic of zero-sequence direction criterion
算相位差分别为 2.43 度和 234.7 度。 试验过程中，发电机区内单相接地故障时，保护装置实测合成零序电流和零序电压之间
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的相位差为 6 度；发电机区外单相接地故障时，该相位差为 239 度。考虑系统不平衡负载、 接地变压器漏阻抗以及接地变压器励磁阻抗的影响，理论分析结果与模拟试验结果基本相吻 合，进一步验证了本文零序方向元件的正确性。
（6）
由式（5）、式（6）结合接地变压器二次负载电阻的设计原则可知，发电机区内单相接 地故障时，一次合成零序电流超前零序电压 0～45 度。
1.3 发电机区外单相接地故障的零序等值电路
母线上发生单相接地故障时的零序等值电路如图 3 所示：
3I&0
QF1
QF2
I&t 0
RN
U& 0
3Cg
E& A
3Cl
为抑制间歇性单相接次负载电阻折算到一次侧后的阻值应当小于等于发电机定子侧系统对地电容 的容抗[4]。
对于扩大单元接线方式，发电机中性点接地变压器二次负载电阻的选取，应按仅一台发 电机并网运行的情况考虑：
RN ≤ 1 [3ω ⋅ (C g + Cl + CB )]
1.4 接地变压器二次侧 TA 变比的选择
以上分析均是采用一次电流和一次电压，而接入微机保护装置的是经过 TA 和 TV 传变 的二次电流和二次电压，要使以上结论适用于二次值，接地变压器二次侧 TA 与发电机机端
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发电机的定子出线端设置单相接地点，模拟发电机区内单相接地故障，在零序电流互感 器与并网开关之间设置单相接地故障点，模拟发电机区外单相接地故障。为了保证接地试验 不对发电机及电网构成威胁，试验在一台未并网的发电机上进行，先在停机状态下设置好接 地故障点，启动机组至空载，手动投励磁，递升励磁电流，直到发电机零序电压超过保护定 值，检验保护的动作行为。多次接地试验结果表明，区内单相接地故障时，定子接地保护可 靠动作；区外单相接地故障时，定子接地保护可靠闭锁。
零序 TA 的变比应满足一定的关系。设发电机机端零序 TA 的变比为 n1，接地变压器的变比 为 N，则接地变压器二次侧 TA 的变比 n2 应为 N×n1。如果接地变压器二次侧 TA 变比不满 足该设计原则，则发电机区内、区外单相接地故障时，二次合成零序电流与零序电压的相位 关系将和前面的分析结果有所不同。
QF
TA0
G
TA1
Rn
RCS-985S
I0 U0
图 5 现场定子接地试验接线图 Figure.5 Simulation testing system of generator stator earth fault
试验机组的相关参数：发电机单机容量 35MW，每相对地电容 0.8667μF，发电机电缆 每相对地电容 0.07839μF，母线每相对地电容 0.9μF，发电机中性点接地变压器电压变比 (10.5kV/1.732)/230V，接地变压器二次负载电阻 0.83Ω，发电机机端零序电流互感器 TA0 变 比 60A/1A，接地变压器二次侧电流互感器 TA1 变比 280A/0.12A。
接地变压器一次侧电流为： I&t0 = U& 0 / RN
（3） （4）
将机端零序电流和接地变压器一次侧电流叠加，构造如下合成零序电流 I&0Σ ：
I&0Σ = 3I&0 + I&t0 = U& 0 ⋅ [1 / RN + j ⋅ 3ω ⋅ (Cl + C B )]
（1 台发电机） （5）
[ ] I&0Σ = 3I&0 + I&t0 = U& 0 ⋅ 2 / RN + j ⋅3ω ⋅ (2Cl + Cg + CB ) (2 台发电机)
（11）
发电机区外单相接地故障时，二次合成零序电流 I&0′Σ 为： I&0′Σ = 3I&0 / n1+ I&t0 ⋅ N / n2 = −(0.332 / RN + j ⋅3ω ⋅ Cg ) ⋅U& 0 / 60
（12）
由式（11）和式（12）可计算得发电机区内、区外单相接地故障时， I&0′Σ 与U& 0 的理论计
2 试验验证
2.1 试验情况
为了验证文中零序方向元件的正确性，2007 年 1 月，在某水电站两机一变机组上进行 了模拟接地试验。试验接线如图 5 所示，将发电机机端零序 TA 二次电流与接地变压器二次 侧 TA 二次电流并接后接入保护装置，零序电压由接地变压器二次负载电阻分接抽头上抽出。
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扩大单元接线发电机定子接地保护方案
陈俊，沈全荣
（南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市 211100）
摘 要：指出现有定子接地保护应用于扩大单元接线方式发电机上的不足，提出基于零序方 向元件的选择性定子接地保护方案。采用发电机机端零序电流、接地变压器二次侧电流以及 发电机零序电压计算零序方向元件，零序方向元件的动作边界可灵活整定，能够准确判断发 电机区内、区外单相接地故障。本方案已应用到微机发电机保护装置中，现场模拟试验结果 证明了该方案的有效性和可靠性。 关键词：定子接地保护；扩大单元；零序方向判据；接地变压器
（10）
定义ϕ = (ϕ1 + ϕ 2 ) / 2 ，称之为零序方向元件的灵敏角。 假设整定零序方向元件的动作范围为 2⋅θ 度，则可得零序方向元件的动作边界 1 和边界 2 的整定值分别为ϕ −θ 度和ϕ + θ 度，边界 1 和边界 2 之间区域为区内接地故障零序方向动 作区。动作边界 1 与区外单相接地故障灵敏角之间应留有一定的裕度，确保区外单相接地故 障时，零序方向元件不会误开放。 按照以上原则整定，即可明确判断发电机区内、区外单相接地故障，满足扩大单元接线 发电机定子接地保护动作选择性的要求，避免并联运行的非定子接地故障发电机误停机。
0 引言
定子绕组单相接地是发电机最常见的一种故障形式，目前现有的定子接地保护原理有基 波零序电压原理、基波零序电流原理、三次谐波电压原理以及外加电源原理等[1,2,3]，这些原 理在现场得到广泛应用，积累了大量的运行经验。但是对于采用两机一变或三机一变的扩大 单元接线方式的发电机，以上原理存在着无选择性或选择性差的问题：（1）基波零序电压原 理、三次谐波电压原理以及外加电源原理，在扩大单元接线方式的任一台发电机发生接地故 障时，并联运行的所有发电机的定子接地保护均将动作（无选择性）[4]；（2）发电机机端零 序电流定子接地保护原理，只在系统对地电容远大于发电机定子对地电容的情况下，才具有 选择性，其适用性不强。
图中， 3I&0 为发电机机端零序电流， I&t0 为接地变压器一次侧电流，U& 0 为发电机任一处
的零序电压， E& A 为发电机 A 相电动势。
只有 1 台发电机并网运行（QF1 处于合闸状态，QF2 处于断开状态），发电机区内单相 接地故障时，机端零序电流表达式为：
3I&0 = U& 0 ⋅ j3ω ⋅ (Cl + CB )
2.2 试验结果分析
图 5 中接地变压器的二次侧 TA 变比不满足 1.4 节的设计原则，发电机区内、区外单相 接地故障时，二次合成零序电流与零序电压之间的相位关系，需根据现场 TA 变比重新计算。
发电机区内单相接地故障时，二次合成零序电流 I&0′Σ 为：
I&0′Σ = 3I&0 / n1+ I&t0 ⋅ N / n2 = 3I&0 / 60 + I&t0 ⋅ (10.5 /1.732 / 0.23) /(280 / 0.12) = (0.678 / RN + j ⋅3ω ⋅ Cl ) ⋅U& 0 / 60
（2）
两台发电机均并网运行（QF1 和 QF2 均处于合闸状态），发电机区内单相接地故障时，
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机端零序电流表达式为：
[ ] 3I&0 = U& 0 ⋅ 1/ RN + j ⋅3ω ⋅ (2Cl + Cg + CB )
3 结语
本文提出了基于零序方向元件的选择性定子接地保护方案，将接地变压器二次侧电流与 发电机机端零序电流叠加后再与零序电压构成零序方向元件，接地变压器二次侧电流的引 入，有利于提高区内单相接地故障时零序方向元件的灵敏度。合理整定零序方向元件的动作 边界 1 和边界 2，即可准确判断发电机区内、区外单相接地故障。该方案已成功应用到 RCS-985S 发电机保护装置中，很好的解决了扩大单元接线方式发电机定子接地保护选择性 的问题。该原理即将在国内某水电站三机一变接线方式的 15 台灯泡贯流机组上投入使用。
本文提出了一种基于零序方向判别的选择性定子接地保护方案，以发电机零序电压作为 动作判据，以零序方向元件判断接地故障点的范围，可准确识别发电机区内、区外单相接地 故障，克服了现有定子接地保护原理在扩大单元接线机组上无选择性的不足，避免了并联运 行的非定子接地故障发电机误跳闸。现场模拟试验结果验证了该方法的有效性。