关于定子接地保护的几个问题

关于定子接地保护的几个问题

李玉海张小庆徐敏

摘要以几次事故为例说明：用“允许接地电流”来决定定子接地保护投运方式是不合理的。对于双水内冷发电机及没有匝间保护的大、中型发电机，其定子接地保护应投跳闸。3次谐波电压型接地保护动作可靠性低的原因是：调整不当，工作环境条件差，回路及继电器本身有缺陷。为提高其动作可靠性，应掌握机组机端3次谐波电压和中性点3次谐波电压的变化规律，改善环境，并及时更换不良的3次谐波电压型保护。发电机中性点经配电变压器接地，降低了定子接地保护的动作灵敏度，对经计算不可能产生过电压的发电机，应将配电变压器换成单相电压互感器(TV)或消弧线圈。无条件换时，应尽量增加二次侧并联电阻。基波零序电压型接地保护的定值应为5 V～10 V。

关键词定子接地保护投运方式灵敏度可靠性

分类号TM 772 TM 307

STUDY ON STATOR EARTH FAULT PROTECTION

Li Yuhai, Zhang Xiaoqing, Xu Min

(Northwest China Electric Power Test & Research Institute, 710054, Xi'an,

China)

Abstract Based on the experiences obtained from a number of fault analyses, the operation mode can not be determined by permissible ground current. For double-water inner-cooled generator and the large and medium sized generator without interturn fault protection, the stator earth fault protection should act on tripping. Low reliability of 3ω based earth fault protection is mainly resulted from improper adjustment , relatively bad working condition and the inherent defects in relay circuit. In order to raise reliability of 3ωbased earth fault protection, change of U*s3 and U*N3 with generator stator voltage and load should be measured, working condition should be improved and the protection not working properly should be replaced with new one. Grounding the generator neutral through distribution transformer will decrease sensitivity of stator earth fault protection. For the generator without possibility of

over-voltage through calculation, the single phase potential transformer or arc-suppression coils should be used to replace the distribution transformer, if doing so is impossible, resistance of the resistor parallelly connected with secondary winding of distribution transformer

based earth fault should be increased properly. The setting value of 3u

protection should be 5 V～10 V.

Keywords stator earth fault protection operation mode sensitivity reliability

随着机组容量的增大，定子接地保护的重要性越来越大。继电保护和安全自动装置技术规程第2.2.4.3条规定：对100 MW及以上的发电机，应装设100%的定子接地保护。全国统计表明，已投运的100%定子接地保护正确动作率不高，且不能有效保护发电机不受损坏。其主要原因是保护投运方式不合理，动作可靠性低，动作灵敏度不高等。本文就定子接地保护的投运方式、保护动作可靠性及动作灵敏度等问题进行探讨。

1 接地保护的投运方式

70年代以前，定子接地保护的投运方式采用原苏联的标准，即接地电流大于5 A时投跳闸，小于5 A时投信号。80年代初，我国有关部门通过试验，制订了我国发电机单相接地电流的允许值(国家标准)［1］，见表1。

表1 发电机单相接地电流允许值

Table 1 Values of permissible single

phase ground current of generator

关于定子接地保护的投运方式，也参照表1规定：当接地电流超过允许电流时

投跳闸，否则投信号。但由于多数运行单位不测量也不计算发电机单相接地电流，

故国内的现状是125 MW及以下的发电机定子接地保护多数只投信号，200 MW及

以上的发电机定子接地保护一般投跳闸。

此外，对于双频式100%定子接地保护，其3次谐波电压型定子接地保护(本文

简称为3ω保护)经常误动，故有关部门建议3ω保护只投信号。

2 定子故障与定子接地保护

近几年来，定子绕组绝缘下降及绝缘破坏的故障很多。对于许多故

障，虽然接地电流小于安全电流，但由于未及时处理，扩大为相间短路

或匝间短路，严重损坏发电机，经济损失巨大。西北电网中曾发生多起

这样的事故。

2.1 陕西秦岭电厂2号机故障

1993年，秦岭发电厂2号机(125 MW)大修后并网运行。转子漏水使

定子绕组绝缘下降。因未装100%定子接地保护，基波零序电压型定子接

保护)只投信号，故障扩大为相间故障，差动保

地保护(本文简称为3u

护动作，切除了发电机。

2.2 陕西韩城电厂3号机故障

1997年，韩城发电厂3号机(125 MW)并网运行。发电机转子漏水，3ω保护动作(没投跳闸)。在运行人员检查的过程中，差动保护动作，切除了发电机。由于该机差动保护系BCH型，动作电流很大，致使3号机的定子线棒烧坏了一半，损失惨重。

2.3 甘肃连城电厂2号机故障

1995年8月，连城发电厂2号机(100 MW)并网运行。转子进水管漏水，定子接地保护未动(系不灵敏的整流型保护)，发展成相间短路，致使发电机端盖被炸开，经济损失很大。

2.4 陕西渭河电厂6号机故障

1997年11月，渭河发电厂6号机(300 MW)并网运行，主汽门关闭。在此过程中，定子绕组一相接地(位于机端)，定子接地保护拒动(引进的集成电路型接地保护)，发电机解列时又发生另一相定子绕组接地，致使差动保护、匝间保护动作，切除了发电机。造成定子线棒烧坏多根，定子端部铁心烧损，损失严重。

2.5 定子接地保护

甘肃永昌发电厂的100 MW机组也曾因定子绕组接地故障没及时切除发电机，致使发电机严重损坏。

1995年，陕西渭河发电厂4号机(300 MW)并网运行。发电机带100多MW负荷。在增加负荷的过程中，3ω保护动作，切除了发电机。停机后耐压试验检查，发电机绝缘良好，重新启动并投入运行。当时上级主管单位确定为定子接地保护误动。

后来调出记录资料表明，定子接地保护动作前，发电机一线棒的水回路被堵塞，线棒温度急剧升高，绝缘下降，该相对地电压已降低到51 V(TV二次侧)，另两相对地电压已升高到63 V(TV二次侧)，此时，如果定子接地保护不动作，运行人员将负荷加至300 MW，定子电流成倍增加，使发热呈平方关系增加，必然导致定子线棒烧坏。轻者停机抽转子处理，重者发展成相间短路。两者均会造成很大的经济损失。此后，主管单位认为定子接地保护动作正确。

以上事实说明：对于双水内冷发电机，转子漏水必然会造成定子绕组绝缘降低。如不及时停机，也必然会导致相间短路，烧坏发电机。

此外，定子绕组绝缘破坏，必定要停机处理。现在电力系统容量大，备用机组多，晚停机不如早停机好。

国内运行的100 MW及125 MW机组，无匝间保护。定子接地保护如投跳闸，可兼起匝间保护的作用。

综上所述可知：用接地电流允许值来确定定子接地保护的投运方式是不妥的；凡双水内冷的发电机均应装100%的定子接地保护，接地保护应投跳闸；100 MW及以上运行多年的老机组，定子接地保护应投跳闸；3ω保护投信号的规定不妥。

3 3ω保护

目前，国内运行的100%定子接地保护主要有：叠加直流式、叠加交流式及双频式。

叠加直流式100%定子接地保护，多用在80年代中期以前投运的大中型机组上。其优点是灵敏度高，能显示运行机组绝缘状况；缺点是发电机系统不能有接地点(包括TV一次中性点不能接地)，受冷却水导电度

的影响大。陕西秦岭电厂已对4台200 MW发电机叠加直流式定子接地保护作了改进，即当定子绕组冷却水导电度大于某一值时，自动地改变保护的整定电阻［2］。

在西北电力系统中，装有从ABB引进的叠加12.5 Hz交流的定子接地保护。此类保护装置复杂，调试困难，运行情况不佳。

80年代中期，双频式定子接地保护开始被广泛采用。运行实践表明，3ω保护正确动作率低。以下探讨影响3ω保护正确动作的因素及对策。

3.1 3ω保护不能正确动作的原因

3.1.1调整不当

目前，国内广泛采用的3ω保护的动作方程［3］为：

(1)

式中为机端3次谐波电压(二次侧)；为中性点3次谐波电压

(二次侧)；为调整系数；β为制动比系数。

该保护的特点是无整定值，要在发电机额定电压下调平衡。即在发

电机空载或轻载时调整

1，

2

，使式(1)左侧为零或很小。

实际上，由于

s3与

N3

一般很小(发电机空载时只有0.3 V～0.4 V)，

当基波零序电压较大时，如果没有特殊仪表能反映

s3与

N3

大小及相位

关系，一般情况下，要使与大小相等、相位相同是非常困难的。

此外，随着发电机工况的变化，

s3与

N3

之间的相位也有些变化，

那么当β取何值时才能保证3ω保护的灵敏度及可靠性呢?一般不知道。

例如，陕西渭河发电厂3号机投运初期，由于平衡没调好，3ω保护经常误动。调试人员重新进行了调试，消除了误动。但将发电机中性

点接地试验时，3ω保护又拒动。经检查知：调整时不是将与

调得大小相等、相位相同，而是调成：=0，=0。这样，保护输入信号永为零，不可能动作［4，5］。

此外，在没有专用测试仪表的情况下，由于

s3与

N3

很小，保护接

入回路有问题也难以发现。例如，宁夏大坝电厂3号机投产时，将3ω保护中性点电压输入回路接在中性点出线的TA上(电压回路接电流回

路)，致使定子接地保护误动2次，经济损失很大。

3.1.2 自然条件不佳

众所周知，双频式保护与其他叠加式保护一样，在发电机出线甚至主变低压侧及厂高变高压侧发生接地故障时，保护均要动作。

目前国内运行的中型机组，发电机出线不是封闭母线。发电机出线通过穿墙套管引出厂房外，再接到主变及厂高变上。当环境恶劣时(特别是矿区)，引出线、瓷瓶上及厂房墙上遍布灰尘。若遇大雨，雨水由厂房落到引线上，往往造成3ω保护误动。宁夏大武口发电厂，曾因天降大雨，定子接地保护多次动作；陕西韩城发电厂，3ω保护在雨天也误动过。

3.1.3 保护用TV中性点不接地

发电机3次谐波等效回路如图1所示。

由图1可以看出：机端TV1中性点不接地时，引到保护的3次谐波

电压s3与电容3C

g /2+C

s

上的电压s3′不相对应，这样

s3

与

N3

的

相对关系并不是

N3′及

s3′

之间的相对关系。因此，在发电机电压及负

荷变化时，

s3与

N3

之间的变化规律与理论值不相符。

80年代初，南京自动化研究所(现名电力自动化研究院)曾对两台大型汽轮发电机的3次谐波电压变化规律进行过测试。测试结果表明，随

发电机电压及有功负荷的变化，U*s3与U*N3的大小及相位差也在变，

s3与

N3

之间的相位差在0°～360°之间变化。与理论值不符。

1995年，对韩城电厂4号机(125 MW汽轮发电机)进行了谐波测量。

测试发现：在发电机由零起升压至满负荷的过程中，

s3与

N3

随发电机

电压升高而增高，随有功负荷的增大而增大，两者之间的相位差逐渐变化达360°，使3ω保护无法投运。后检查发现，机端电压互感器中性点未接地，而通过阻抗很大的消谐器接地。去掉消谐器而将电压互感器

中性点直接接地后，重做上述测试，

s3与

N3

的变化及相位差与理论值

相符。定子接地保护运行情况良好。

3.1.4 发电机3次谐波电压变化规律特殊

众所周知，发电机3次谐波电势的大小与发电机的结构有关。我们曾对国产100 MW，125 MW，200 MW及300 MW的机组进行了谐波测量。

测量结果表明：对于125 MW，200 MW及300 MW的机组，

s3与

N3

随发

电机电压升高而增高，随发电机有功负荷的增大而增大，两者之间相位基本相同，最大相位差为6°。上述机组中性点通过单相TV或消弧线圈接地。

但是，北方重型机械厂生产的100 MW机组

s3与

N3

的变化规律与

上述情况不大相同。我们曾对甘肃永昌电厂及宁夏大武口电厂的6台100

MW机组进行了谐波测量，其变化规律相似。现以大武口电厂3号机为例

予以说明(参见表2)。

表2 大武口电厂3号机谐波测量结果

Table 2 Harmonic measurement results

of No 3 generator in Dawukou Power Plant

与N3相位差/(°)

s3

从表2可以看出，在启动升压过程中，随发电机的电压升高，s3与N3的幅值先升后降，当发电机电压为额定值时，UN3与Us3几乎为零。当发电机带20%有功负荷时，

与N3的相位差达15°。负荷再增加到40%有功负荷后，3次谐波变化规律恢复正常。

s3

对于该型机组，如在发电机空载或很小负荷下对3ω保护调平衡，保护很容易误动。

在我国，3次谐波式定子接地保护于80年代中期开始采用。有些厂家的保护装置性能不良，也是动作可靠性低的原因之一。

3.2提高3ω保护动作可靠性的措施

3.2.1掌握机组s3与N3的变化规律

为正确地对3ω保护进行平衡调整及正确地选择调整系数与制动比系数(即式(1)中的

，2及β)，应知道发电机从零起升压至满负荷运行过程中s3与N3的幅值及其相位关1

系的变化规律。为此，在发电机投运初期，应用特殊仪表测量s3与N3的大小及相位关系。

目前，南京电力自动化设备总厂生产的WFBZ—01型微机保护能够测量s3与N3幅

值的变化规律，还可以自动调平衡，调整、使用方便。建议增加显示s3与N3相位关系

的功能。

3.2.2真机接地试验校核保护的动作灵敏度

对于新安装或大修后的3ω保护，在调平衡后，应分别进行机端单相接地及中性点接地的试验，以校核保护回路接线的正确性，并掌握其动作灵敏度。

3.2.3改善环境减少不必要的动作

为消除雨天定子接地保护的误动，宁夏大武口电厂在发电机穿过厂墙的引出线上侧安装了遮雨棚。运行实践表明，行之有效。

3.2.4更换动作不可靠的3ω保护

前已述及，目前国内运行的3ω保护，许多是有问题的。其主要问题是回路不可靠，有些整流型保护动作灵敏度低。对于性能不良的3ω保护应尽快更换。

3.2.5其他防误动措施

对于动作灵敏度高的3ω保护，当保护用机端TV高压保险(一相或两相)熔断或接触不良时，可能误动。为此，南京电力自动化设备总厂生产的微机发电机—变压器组保护中，3ω保护具有TV断线闭锁回路。

4 提高定子接地保护的动作灵敏度

为确保发电机的安全，使其免遭破坏，或故障时损坏轻微，尽量提高定子接地保护的灵敏度是非常必要的。

4.1 减小定子接地保护的整定值

保护)的整定值，是提高其动作灵敏减小基波零序电压型定子接地保护(3u

保护的动作电压多取10 V，有的取

度的有效方法之一。目前，国内运行的3u

保护15 V，也有的取5 V的。我们认为，对于双频式100%定子接地保护，其3u

的整定值取5 V～10 V是适宜的。当该保护具有3次谐波滤波器，且正常运行时，TV开口电压不大，可整定为5 V，否则可整定为7 V～10 V，但不应大于10 V。

当TV一次侧保险熔断或接触不良时，该保护不应误动。因此，零序电压的输入应有两路，分别取自机端TV及中性点TV二次侧，且两者组成“与”门后作用于保护出口。

为躲过外部故障出现的零序电压，保护应有适当的延时(可考虑与线路零序Ⅲ段保护配合)。

4.2 合理选择制动比系数

为了提高3ω保护的动作灵敏度，可以适当地减少保护的初始动作电压(即只有Us3时保护的最小动作电压)。此外，降低制动比系数β也可以提高保护的动作灵敏度。

对于南京电力自动化设备总厂生产的晶体管型3ω保护，其初始动作电压约为0.4 V，制动比系数可取0.25～0.3。而对于南京电力自动化设备总厂生产的WFBZ—01型微机保护，3ω保护初始动作电压约为0.15 V，其制动比系数可取0.5～0.6。

4.3 增加发电机中性点电阻或改高阻接地

80年代后期，新安装的大型汽轮发电机的中性点均经配电变压器接地。在配电变压器二次侧并联很小的电阻(约0.2 Ω)，折算到一次侧，相当于发电机中性点经1 kΩ～2 kΩ的电阻接地。

由于配电变压器的存在，当发电机定子接地时流过故障点的电流增加，同时大大降低了叠加式保护及3ω保护的动作灵敏度。如当发电机中性点接地电阻为1 kΩ时，3ω保护的灵敏度将小于1 kΩ。

对甘肃靖远电厂200 MW汽轮发电机的测量结果指出，发电机经配电变压器接地时，定子接地时流过接地点的电流达6 A左右，而经单相TV接地时，接地电流不超过2 A。经配电变压器接地时，由于3ω保护误动无法投运。经单相TV 接地时，3ω保护的动作灵敏度可达10 kΩ［6］。

此外，发电机中性点经配电变压器接地之后，使U*s3与U*N3之间的相位差增大，使调平衡困难，降低了保护动作的可靠性。

据说，中性点经配电变压器接地的目的是防止发电机过电压。引起发电机过电压的原因大致有3种：传递过电压、断线过电压及谐振过电压。但对于大型发电机组，由于主变高压线圈对低压线圈之间的电容很小，而定子线圈对地的分布电容很大，不可能产生传递过电压；同时，由于机端TV对地电容很小，也不可能发生断线过电压；此外，对于大中型发电机，只要TV的质量无问题，也不会产生谐振过电压。

我们按照发电机的实际结构及有关参数，曾对西北系统中的100 MW，125 MW，200 MW及300 MW的大中型发电机进行了过电压可能性计算。计算结果表明，不会产生断线过电压和传递过电压，也不会产生基波及高次谐波谐振过电压。几十年来的运行实践，从未听说国内外出现过因上述过电压而损坏发电机的事例。再者，发电机均装有过电压保护，过电压保护均投跳闸。希望设计单位多作调查研究。

前几年，我们已将靖远电厂4台200 MW发电机中性点的配电变压器换成了单相TV；1998年初将陕西渭河发电厂6号机(300 MW)配电变压器的二次侧电阻增大了4倍(折算到一次侧即由1.5 kΩ增大到6 kΩ)。

综上所述，我们建议：为了减小发电机定子绕组绝缘破坏时对发电机的危害及提高定子接地保护的可靠性和灵敏度，应将不可能产生过电压的发电机的配电变压器，换成消弧线圈或单相TV；目前尚无更换条件的，应尽可能增大配电变压器二侧次并联电阻。

作者简介:李玉海，男，1941年生，高级工程师，中国电机工程学会主设备保护分委会委员，从事电力主设备保护试验研究及改进方面的工作。

张小庆，男，1971年生，工程师，从事电力系统继电保护方面的工作。

徐敏，女，1972年生，助理工程师，从事电力系统继电保护方面的工作。

作者单位:西北电力试验研究院710054 西安

参考文献

［1］王维俭.发电机变压器继电保护应用.北京：电力出版社，1997

［2］李玉海，龚振华.叠加直流式定子接地保护存在的问题及对策.电力自动化

设备，1987(1)

［3］艾德胜.发电机定子绕组100%接地保护方案的比较.电力自动化设备，1985(1)

［4］李玉海，张弘，王洪超，等.3次谐波定子接地保护几个问题的探讨.电力自动化设备，1993(1)

［5］马肃，李玉海.JDJ-31型3次谐波定子接地保护存在问题的研究及改进.电力自动化设备，1994(2)

［6］张军政.汽轮发电机定子接地保护的改进.电力自动化设备，1997(2)

1999-01-26收稿。