注入式定子接地保護在金安橋600 MW機組上的應用

趙 林，胥亞寧

（金安橋水力發(fā)電廠，云南 麗江 674100）

0 引言

定子繞組的單相接地是發(fā)電機較常見的一種故障，發(fā)電機單相接地故障往往是相間或匝間短路的先兆。金安橋水電站發(fā)電機空氣冷卻器、軸承冷卻器的熱交換方式為水冷式，如果冷卻器發(fā)生漏水會引起發(fā)電機定子絕緣逐步劣化，雖不會立即擊穿，但接地保護必須立即檢測出來，否則發(fā)電機定子絕緣持續(xù)惡化將引起機組單相接地故障，甚至進一步擴展為相間或層間短路故障，將嚴重損壞機組。

針對定子繞組的單相接地故障，傳統(tǒng)保護方法是由發(fā)電機基波零序電壓和3次諧波電壓構成100%定子接地保護，但是在發(fā)電機啟停機過程中往往監(jiān)測不到發(fā)電機定子繞組絕緣水平的下降和絕緣的破壞，并且由3次諧波電壓電氣量構成的保護也存在很多不可靠的因素，故在金安橋水電站定子接地保護雙重配置B套保護中，使用了在國內(nèi)有一定運行經(jīng)驗的20 Hz電源注入式保護，它不但能100%保護發(fā)電機定子繞組接地故障，還能保護包括引出線、主變低壓、廠變勵磁變高壓任一點的單相接地故障，保護無動作死區(qū)且與接地位置無關，接地電阻靈敏度能夠達到10 kΩ，且在發(fā)電機停機狀態(tài)能起保護作用。從原理上看，外加電源方式定子接地保護反映定子繞組絕緣的均勻下降，對絕緣老化能起到監(jiān)督作用。

金安橋水電站發(fā)電機中性點采用變壓器電阻接地方式 （又稱高阻接地方式），注入式定子接地保護采用WFB-801A裝置，定子接地注入單元采用HMZRD-20220-1，注入頻率20 Hz。

1 注入式定子接地保護原理

注入式定子接地保護是通過輔助電源裝置將20 Hz低頻電壓加在負載電阻上，并通過接地變壓器將低頻電壓信號注入到發(fā)電機定子繞組對地的零序回路中。發(fā)電機正常運行時，20 Hz電源幾乎不產(chǎn)生電流，注入的電流主要表現(xiàn)為電容電流；而發(fā)生定子單相接地故障時，注入電流出現(xiàn)電阻性電流，保護裝置檢測注入的電壓、電流信號，經(jīng)過濾波和測量環(huán)節(jié)的補償，通過導納法可計算出接地故障的過渡電阻。為了消除50 Hz電壓的干擾，保護采用了與系統(tǒng)頻率不同的注入電源，這樣就可簡單地利用濾波器將干擾隔開。

由于發(fā)電機定子發(fā)生一點接地后，定子回路的阻抗將會發(fā)生變化，保護測量到的動作電流相量是不等于正常電流相量的。為了充分利用這種故障前后電流相量的差別，利用導納判據(jù)可計算出接地故障的過渡電阻，公式為

式中， RK為接地電阻；n為中性點接地變壓器的綜合變比；U20為保護裝置測量到的20 Hz電壓；I20為保護裝置測量到的20 Hz電流。

圖1 外加20 Hz電源單相接地保護原理示意

當接地故障電阻計算值低于電阻的高整定值時保護發(fā)信號告警，當接地故障電阻計算值小于電阻的低整定值時保護動作于跳閘。保護通過對導納型判據(jù)進行修正，提高了故障電阻計算的準確度，進一步提高檢測的靈敏度。

發(fā)電機中性點經(jīng)配電變壓器高阻接地，外加20 Hz電源單相接地保護的接線如圖1所示，等效電路如圖2所示。

圖2 考慮配電變壓器參數(shù)的T型等效電路

另外設有獨立于電阻判據(jù)且與輔助電源無關的工頻零序過流 （直接反映流過中性點接地設備的零序電流）定子接地保護作為外加交流20 Hz電源發(fā)電機定子單相接地保護的補充。外加交流20 Hz電源發(fā)電機定子單相接地保護通常僅在有限的頻率范圍內(nèi)計算的電阻才是有效的，其頻率范圍與所采用的濾波器有關。有效頻率范圍設為f=47.5 Hz～52.5 Hz，在發(fā)電機啟、停過程中，只要頻率超過這個范圍就不計算電阻值并閉鎖，而靠接地工頻零序過流保護動作。這是因為發(fā)電機頻率過低會干擾20 Hz測量值。

2 金安橋水電站接地變壓器設計原則和有關參數(shù)的確定

發(fā)電機中性點的接地方式有經(jīng)消弧線圈接地和經(jīng)配電變壓器接地，但經(jīng)消弧線圈接地方式存在著中性點位移電壓過大，基波零序過電壓保護不易配置和有可能發(fā)生諧振過電壓等種種不足之處；經(jīng)配電變壓器高阻接地，正常運行不會引起中性點電壓偏移增大，另外經(jīng)高阻接地增加了零序回路阻尼，沒有傳遞過電壓和暫態(tài)過電壓的危險。采用配電變壓器高阻接地，由于接地電流大于消弧線圈接地，定子接地保護動作于停機，金安橋水電站中性點選用中性點經(jīng)配電變壓器接地。

2.1 配電變壓器的設計原則

2.1.1 負載電阻的設計原則

為避開間歇性單相接地故障重燃弧引起的尖峰過電壓，使其小于2.6倍的相電壓峰值，負載電阻折算到一次側后的電阻值應當與發(fā)電機定子側系統(tǒng)對地電容的容抗基本相等。這里的電容是指金安橋發(fā)電機定子繞組及與定子繞組直接相連的設備對地電容，主要包括：發(fā)電機定子繞組對地電容、主變低壓側繞組對地電容、勵磁變高壓側繞組對地電容、斷路器對地電容、發(fā)電機出口至其他連接設備之間連線的對地電容等。容抗是指工頻頻率下的容抗。

2.1.2 接地變壓器電壓變比

機端發(fā)生金屬性接地故障后，中性點電壓被抬高至相電壓，因此接地變壓器高壓側電壓選擇為發(fā)電機的額定相電壓。

2.1.3 接地變壓器、負載電阻容量

按發(fā)電機額定運行時機端發(fā)生短時金屬性接地故障情況設計。一般的定子接地保護跳閘延時時間不超過4 s，考慮到跳閘后發(fā)電機勵磁電流不能立刻降至0，為留有足夠的裕度，短時時間可按20～60 s考慮。

2.2 金安橋水電站接地變壓器負載電阻

2.3 金安橋水電站接地變壓器容量

2.4 金安橋水電站電流互感器的選取

20 Hz定子一點接地保護包括反映50 Hz基波電流的后備保護和反映20 Hz測量電阻的主保護，保護裝置的測量電流輸入回路是公用的。因此，中間變流器變比的選擇要兩方面兼顧。

對于中間電流互感器的變比選擇原則：①在保護靈敏度及測量精度期望值的要求下，首先要保證二次保護裝置的測量精度；②在考慮接地故障時基波電流的影響下，選取電流互感器的額定值，不使電流互感器飽和。

3 結語

由WFB-801A發(fā)電機保護裝置和HMZRD-20220-1定子接地注入單元組成的定子接地保護先后在秦山核電站、三峽右岸電站等成功投運，滿足大型發(fā)電機對定子接地保護的要求，目前國內(nèi)大型水輪發(fā)電機采用傳統(tǒng)雙頻式定子接地保護和注入式定子接地保護雙重配置，注入式定子接地保護消除了雙頻式定子接地保護在機組啟停機發(fā)生定子接地故障時無保護的問題，同時可監(jiān)視定子繞組絕緣緩慢老化的問題，定子注入式接地保護對配電變壓器有關參數(shù)的選擇有嚴格的要求，金安橋水電站配電變壓器與定子注入式保護是否配合得當，需要在現(xiàn)場進一步做試驗來調(diào)整有關參數(shù)使其保護運行在最佳狀態(tài)。

［1］ 王維儉.電氣主設備機電保護原理與應用［M］.北京：中國電力出版社，2001.

［2］ 姚晴林，趙斌，郭寶甫，等.自適應20 Hz電源注入式定子接地保護［J］.電力系統(tǒng)自動化， 2008（18）： 71-73.

［3］ 王維儉，徐振宇，張振華.大型發(fā)電機定子單相接地保護的研討［J］.繼電器， l999（4）： 6-9.