发电机的单相接地保护原理及整定方法

1、发电机的单相接地保护原理及整定方法浙江旺能环保股份有限公司 作者：周玉彩根据安全的要求发电机的外壳都是接地的，因此，定子绕组因绝缘破坏而引起的单相接地故障比较普遍。当接地电流比较大，能在故障点引起电弧时，将使绕组的绝缘和定子铁心烧坏，并且也容易发展成相间故障，造成更大的危害。我国规定，当接地电容电流等于或大于5A时，应装设动作于跳闸的接地保护，当接地电容电流小于5A时，一般装设作用于信号的接地保护。一、发电机定子绕组单相接地的特点现代的发电机，其中性点都是不接地或经消弧线圈接地的，因此，当发电机内部单相接地时，流经接地点的电流仍为发电机所在电压网络（即与发电机有直接电联系的各元件）对地电容电流

2、之总和，而不同之处在于故障点的零序电压将随发电机内部接地点的位置而改变。 UA UB UC 3I0 U0 图1发电机定子绕组单相接地故障电压电流分布如图1：假设A相接地发生在定子绕组距中心点处，表示由中心点到故障点的绕组占全部绕组匝数的百分数，则故障点各相电势为而各相对地电压分别为： 因此，故障点的零序电压为 上式表明，故障点的零序电压等于故障相的电势，再反一个方向，但是前面要乘一个，说明发电机定子绕组单相接地时，故障点的零序电压将随着故障点位置的不同而改变。同样我们也可以求出发电机的零序电容电流和网络的零序电容电流分别为则故障点总的接地电流即为 当发电机内部单相接地时，实际上无法直接获得故障

3、点的零序电压，而只能借助于机端的电压互感器来进行测量。机端各相的对地电压分别为 由此可求得机端的零序电压为 由于取得了零序电流和零序电压，因此我们可以利用零序电流构成定子接地保护，也可以利用零序电压构成定子接地保护。但是无论是零序电流和零序电压的接地保护，对定子绕组都不能达到100%的保护范围。这对于大容量的机组而言，由于振动较大而产生的机械损伤或发生漏水等原因，都可能使靠近中性点附近的绕组发生接地故障。如果这种故障不能及时发现或消除，则一种可能是进一步发展成匝间或相间短路；另一种可能是如果又在其它地点发生接地，则形成两点接地短路。这两种结果都会造成发电机的严重损坏，因此，对大型发电机组，特别

4、是定子绕组用水内冷的机组，应装设能反应100%定子绕组的接地保护，100%定子接地保护装置一般由两部分组成，即是利用三次谐波电压和基波零序电压配合工作。其中三次谐波电压构成的接地保护可以反应发电机绕组中50%范围以内的单相接地故障，且当故障点接近于中性点时，保护的灵敏性越高；而利用基波零序电压构成的接地保护，则可以反应15%以上范围的单相接地故障，且当故障点越接近于发电机出线端时，保护的灵敏性越高。因此，利用三次谐波电压比值和基波零序电压的组合，构成了100%的定子接地保护。定子接地保护逻辑框图逻辑框图见图2。图2定子接地保护逻辑框图二、基波零序电压原理的发电机定子绕组单相接地保护保护反应发生

5、单相接地故障的零序电压分量。对微机保护来说，主要是采取措施扩大它的保护范围。为此，采取的措施是用高压侧零序电压闭锁和加强三次谐波的滤波效果。保护的构成方案如图3所示。Un0Us0Ut0三次谐波滤过器三次谐波滤过器与门与门或门延时 跳闸或 发信 图3发电机定子绕组单相接地保护原理图图3中，为发电机中性点电压互感器的零序电压；为机端电压互感器的零序电压；为主变高压侧电压互感器零序电压。在软件中，每一个零序电压分量是否投入使用，均由控制字选择。当系统中有中性点PT时，可将与构成与门关系。这样可防止机端电压互感器一次侧发生断线时造成的保护误动。在不具备中性点PT时，可退出此功能，机端零序电压和中性点零

6、序电压均可单独出口。为提高保护的灵敏度，采用高压侧零序电压闭锁。三、反映三次谐波的发电机定子绕组单相接地保护 保护（反应机端与中性点三次谐波电压比的保护）的动作判据为： 理论分析表明，发电机正常与系统并列运行时，无论发电机中性点是否接有消弧线圈，总有机端三次谐波电压小于中性点的三次谐波电压，而当发电机定子绕组靠近中性点的50%范围内发生金属性接地故障时，机端三次谐波电压大于于中性点的三次谐波电压，判椐满足。但在实际上，由于多种因素的影响，例如机端电压互感器饱和的影响、发电机所带负荷的影响、升压变压器高压绕组三次谐波电势的影响等，造成正常运行时就是的关系。发电机正常运行机端和中性点三次谐波电压的

7、比值最大达到1.95倍。因此，采用这种方案构成保护时，必须提高定值门槛。这就势比影响保护的灵敏度和保护范围。四、100%的定子接地保护1、基波零序过电压保护的整定该保护的动作电压Uop应按躲过正常运行时中性点单相电压互感器或机端三相电压互感器开口三角绕组的最大不平衡电压Uunb.max整定，即UopKrelUunb.max 式中： Krel可靠系数，取1.21.3。 Uunb.max 为实测不平衡电压，其中含有大量三次谐波。为了减小Uop，可以增设三次谐波阻波环节，使Uunb.max主要是很小的基波零序电压，大大提高灵敏度，此时Uop5V，保护死区5%。应校核系统高压侧接地短路时，通过升压变压

8、器高低压绕组间的每相耦合电容CM传递到发电机侧的零序电压Ug0大小，传递电压计算用近似简化电路，见图4。图4传递电压计算用近似简化电路图4中，E0为系统侧接地短路时产生的基波零序电动势，由系统实际情况确定，一般可取 ，UHn为系统额定线电压。Cg为发电机及机端外接元件每相对地总电容。CM为主变压器高低压绕组间的每相耦合电容。Zn为3倍发电机中性点对地基波阻抗。 Ug0可能引起基波零序过电压保护误动作。因此，应从动作电压整定值及延时两方面与系统接地保护配合。2、三次谐波电压单相接地保护的整定 对于100MW及以上的发电机，应装设无动作死区(100%动作区)单相接地保护。一种保护方案是基波零序过电

9、压保护与三次谐波电压保护共同组成100%单相接地保护。 电压互感器变比为： 机端 TV ； 中性点TV ； 如发电机中性点经消弧线圈或配电变压器接地，保护装置应具有调平衡功能，否则应增设中间电压互感器。设机端和中性点三次谐波电压各为 和 ，三次谐波电压单相接地保护可采用以下两种原理： 实测发电机正常运行时的最大三次谐波电压比值设为a0，则取阈值a(1.051.15)a0。根据发电机定子绕组对地电容和中性点对地三次谐波阻抗的大小，见图5，可计算a0。a0可能小于或大于1.0。E3发电机三次谐波相电动势；EH3系统高压侧三次谐波相电动势；Zn发电机中性点对地三次谐波感抗或电阻的三倍；C1发电机每相

10、对地电容之半；C2机端外接元件每相对地总电容；CM主变压器高低压绕组间每相耦合电容图5发电机三次谐波电压分析计算用等值电路五、发电机的单相接地保护整定实例已知条件：保护采用 ，发电机额定容量为135MW，额定功率因数0.85，额定电压13.8KV。主变高压侧开口角电压变比: 220:3/0.1:3/0.1:3/0.1 KV；机端开口三角零序电压TV变比: 13.8:3/0.1:3/0.1:3 KV；发电机中性点零序电压TV变比: 13.8:3/0.1 KV。1、基波零序过电压保护基波零序电压保护发电机85%90%的定子绕组单相接地.由于中性点单相电压互感器不接熔断器,而机端三相电压互感器必须接

11、熔断器,所以基波零序过电压保护灵敏段取中性点零序电压,Uop应按躲过正常运行方式下中性点单相电压互感器的最大不平衡电压Uunb.max整定灵敏段：Uop=Krel·Uunb.max式中Krel可靠系数取1.3；Uunb.max为中性点实测不平衡基波零序电压。厂家建议Uop=2030V ；高端值取Uop=30V ，保护时限取top=1s；低端值取Uop=10V ， 保护时限取top=5s。 2、三次谐波电压比率接地保护三次谐波电压比率判据只保护发电机中性点25%左右的定子接地.2.1暂时整定值:a=Krel×3×/=1.5×3×79.67/239

12、=1.5。实测发电机并网前最大三次谐波电压比值为a1；并网前比率定值：(1.31.5)×a1实测发电机并网后运行时最大三次谐波电压比值为a2并网后比率定值:(1.31.5)×a2式中:Krel可靠系数取1.5；为机端开口三角零序电压TV变比，13.8:3/0.1:3=239 KV；为机端中性点零序电压TV变比13.8:3/0.1KV=79.67（中性点变压器）。该计算值不能作为最终的整定值.在最终整定时,并网前后都必须经过实测。2.2、实际修正值待机组正常运行后根据实测值进行修正计算。 a=2.294/2.765=0.83实测发电机正常运行时的最大三次谐波电压比值设为a0， 根据实测值修正整定值，即a1.5×0.83=1.2。 六、WFB-800A发电机定子接地保护装置保护定值表1发电机定子接地保护定值1基波零序低值投退0，11：投入 2基波零序高值投退0，1 1：投入 3三次谐波方案一投退0，1 1：投入 4三次谐波方案二投退0，10：退出； 520Hz电源消失投退0，10：退出； 620Hz接地高定值投退0，10：退出； 720Hz接地