注入式定子单相接地保护的仿真研究

注入式定子单相接地保护的仿真研究

摘要：针对传统的注入式保护进行了分析，指出了注入电源的内阻对测量结果的影响，分析了通过测量电流变化判断故障的原理的不足，提出了提高灵敏度的方法。并以三峡某水轮机组的模型数据为基础进行Simulink仿真，对于注入电源内阻对测量电流的影响，以及提高灵敏度的判据进行了验证。

关键词：发电机；定子单相接地保护；注入电源；故障仿真

引言

定子绕组的单相接地，即定子绕组与铁芯之间的绝缘破坏是发电机最常见的一种故障。

发电机机组容量越大，三相定子绕组对地的电容就越大，当定子绕组单相接地故障发生时，故障电流就越大，易将已损坏的绝缘击穿，使接地电阻迅速减小，增加了发展成匝间短路、两点接地或相间短路的速度。因此，对于100MW及以上的发电机组，不仅要求装设100％的定子接地保护，还要求在定子绕组任意一点出现绝缘损坏时，保护能够灵敏识别过渡电阻，切除故障[1]。

发电机定子单相接地保护根据原理不同可分为非注入式和注入式两大类，目前应用最多的是非注入式保护[2]。此类保护一般由零序电流保护和三次谐波电压保护共同构成双频式保护，其最大的一个不足之处是只能在发电机正常运行时工作，在启停机阶段如果定子绕组存在接地故障，保护无法起到作用；另外水轮发电机的三次谐波电压分布无规律，使用三次谐波电压保护难度很大且灵敏度不高。而注入式保护可以弥补非注入式保护的不足，它不论发电机正常运行还是启停机都能检测定子对地绝缘情况，且不会受到三次谐波电压影响，适宜用作水轮发电机的保护[3][4][5]。本文针对注入式的定子接地保护的注入电源内阻对保护判据的影响，提出了合适的消除影响的判据，并使用Simulink进行了故障仿真，验证了注入电源内阻的影响和判据的正确性。

注入式定子单相接地保护原理

注入式定子单相接地保护是根据发电机正常运行时整个三相定子回路对地是绝缘的，而发生单相接地故障时这种对地绝缘就被破坏这个最直接区分正常运行和故障的特征，在发电机定子回路与大地之间外加了一个信号电源。正常运行时，信号电源不产生电流或产生的电流很小。发生接地故障时，该电源产生相应频率的较大接地电流，使保护动作。因为信号是外加的，不受接地位置的限制，能完成100%定子接地保护的目的。现有的外加电源型保护包括外加直流电源型，外加二次谐波分量型，外加12.5Hz或15Hz交流电源型及外加20Hz电源型。其中国内比较常用的是外加12.5Hz和外加20Hz电源型[6][7]。

注入式定子接地保护判据仿真研究

1．仿真目标

传统的注入式定子接地保护认为正常时注入电流很小，而故障发生时注入电流增大[8]，并随着过渡电阻的减小而增大，实际上由于注入电源内阻的存在，注入电流和过渡电阻的对应关系并非线性的[9]，只采用电流判据的传统注入式保护的灵敏度不会很高[10]，因为注入源的内阻会同时影响测量电压和测量电流的变化，因此通过测量电压和电流的比值求得测量阻抗，可以消除注入源内阻的影响。下面通过仿真计算验证了此判据。

2．仿真模型

大型水轮发电机组采用非注入式保护的灵敏度很难得到保证，因此本文以20Hz注入式定子接地保护为基础，对水轮机组中出现的定子单相接地故障进行了仿真。

本文利用Simulink仿真，采用了三峡右岸电站发电机参数[11]，架构了仿真模型，此发电机模型的中性点采用接地变压器接地，发电机定子每相绕组有5个分支, 设定子每相绕组的电阻和电感为和, 则每一分支电阻和电感为和。定子绕组分布电容简化为型等效电路后, 电路两端对地等效电容分别为和，即型等效电路一端的等效电容，而包括型等效电路一端等效电容以及接地变压器的等效电容。

模型中采用20Hz、幅值25V的交流电源作为注入源。注入源内阻为0.015Ω，采用一个断路器闭合模拟定子一点接地故障，在仿真中可更改故障点到中性点的距离以研究其对测量结果的影响，过渡电阻值亦可设定为不同值进行研究。

3．判据介绍

本文所用的判据同时利用了测量电压和测量电流两个量。

对模型中的电路进行等效变换，忽略定子绕组的电阻和电感，则故障前定子绕组可等效成为一个电容，而故障支路可看作当故障后在等效电容上并联一个电阻。同时接地变压器副边电路可由戴维南定理等效成电源和电阻串联形式，定子绕组等效电容归算到接地变压器二次侧的电容与故障电阻的归算电阻并联在接地变压器的副边。

下面推导求过渡电阻的公式。

首先戴维南等效电源和电阻分别为

(1)

(2)

当发电机正常运行时，测量电流为：

(3)

因为理论的定子绕组电容值与实际值肯定存在偏差，因此在可能的情况下应使用测量值[10]，本例中可以由式(3)计算等效电容：

(4)

故障后测量电流为：

(5)

计算故障前后电流差值，设接地电阻支路电流为

(6)

则由(6)可计算得：

(7)

由测量电压得到两端电压

(8)

则接地电阻的阻值（等效到二次侧）为：

(9)

归算到一次侧为：

(10)

4．仿真研究

（1）测量电压的变化

设故障点在处，故障发生在0.5s时，仿真时间总共2s，故障电阻为2000，对内阻分别为和两种情况分别进行仿真。时（即内阻约为0时）幅值在故障前后基本不变；而时，幅值在故障前后有明显的变化，同样通过仿真可以看到对有明显的影响。因此只使用测量电流识别故障过渡电阻的判据肯定会受到注入电源内阻的影响，而使用同样受注入电源内阻影响的测量电压就可以消除内阻的影响。

（2）引入测量电压电流计算过渡电阻

为了证明使用可以消除注入电源内阻的影响，设，并对之间的多个值进行了仿真，并使用式(9)(10)计算过渡电阻，对和的情况都进行了仿真计算，结果发现，虽然随着过渡电阻的减小，测量电流不断增大，但是同时测量电压也在不断减小，而过渡电阻的计算值十分准确，相对误差很小，虽然在金属性故障（故障电阻等于0）时根据公式无法计算相对误差，但是也能看出计算电阻的绝对值是很接近0的。由此可见同时使用测量电压和测量电流能够消除注入电源内阻的影响，也证明了上述通过判据计算得到的判据是很准确的，过渡电阻计算值的相对误差应该主要来自于对于定子绕组电阻和电感的忽略。

结论

本文指出了传统的注入式保护通过判断测量电流变化判断故障的原理会受到注入电源内阻的影响而降低灵敏度的缺点，并同时指出采用测量电压和测量电流两个量的判据灵敏度更高。之后以三峡某水轮机组的模型及其数据为基础，利用Simulink进行了仿真，验证了注入电源内阻对测量电流的影响，同时也验证了同时采用测量电压和电流的判据的准确性。

参考文献

[1]张琦雪, 陈佳胜, 陈俊, 严伟, 沈全荣．大型发电机注入式定子接地保护判据的改进．电力系统自动化，2008，32(3)：66~69．

[2]江华东．中小型汽轮发电机定子接地保护．电气应用，2009，28(18)：80~82．

[3]赵斌, 陈海龙, 郭宝甫, 毕大强, 张学深．20Hz定子接地保护在三峡右岸水电机组上的应用．中国水力发电工程学会继电保护专业委员会2008年年会暨学术研讨会学术论文集，2008：51~54．

[4]任岩，兰晓梅，李鸥．大型水力发电机微机保护装置硬件及定子接地保护的研究．中国水力发电工程学会继电保护专业委员会2008年年会暨学术研讨会学术论文集，2008：45~50．

[5]陈俊，严伟，沈全荣．大型水电机组定子和转子接地保护方案．中国水力发电工程学会继电保护专业委员会2008年年会暨学术研讨会学术论文集，2008：29~33．

[6]邵宇．同步发电机定子单相接地故障暂态仿真及其保护的研究：[硕士学位论文]．北京：华北电力大学（北京）电力工程系，2004．

[7]黄堃．同步发电机定子单相接地故障暂态仿真及保护的研究：[硕士学位论文]．北京：华北电力大学（北京）电力工程系，2005．

[8]王维俭．电气主设备继电保护原理与应用(第二版)．北京:中国电力出版