发电机定子绕组单相接地保护调试
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摘要: 为了安全起见，发电机的外壳、铁芯都要接地。所以只要发电机定子绕组与铁芯间绝缘在某一点上遭到破坏，就可能发生单相接地故障。发电机的定子绕组的单相接地故障是发电机的常见故障之一。 发电机定子绕组单相接地故 ...
为了安全起见，发电机的外壳、铁芯都要接地。所以只要发电机定子绕组与铁芯间绝缘在某一点上遭到破坏，就可能发生单相接地故障。发电机的定子绕组的单相接地故障是发电机的常见故障之一。
发电机定子绕组单相接地故障时的主要危害有两点：
(1) 接地电流会产生电弧，烧伤铁芯，使定子绕组铁芯叠片烧结在一起，造成检修困难。
(2) 接地电流会破坏绕组绝缘，扩大事故，若一点接地而未及时发现，很有可能发展成绕组的匝间或相间短路故障，严重损伤发电机。
定子绕组单接地时，对发电机的损坏程度与故障电流的大小及持续时间有关。当发电机单相接地故障电流(不考虑消弧线圈的补偿作用)大于允许值时，应装设有选择性的接地保护装置。
1、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(即与发电机直接电联系的各元件)对地电流之总和，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。
如上图（a）所示，假设A相接地发生在定于绕组距中性点α处，α表示出中性点到故障点的绕组占全部绕组布线的百分数。2、利用零序电流构成的定子接地保护
对直接连接在母线上的发电机，当发电机电压网络接地电容电流大于允许值时，不论该网络是否装有消弧线圈，均应装设动作于跳闸的接地保护。当接地电容电流小于允许值，则装设作用于信号的接地保护。
发电机零序电流保护，其整定值的选择原则如下：
①避开外部单相接地时发电机本身的电容电流，以及出于零序电流—次侧三相导线排列不对称而在二次侧引起的不平衡电流。
②保护装置的一次动作电流应小于规定的允许值。
③为防止外部相间短路产生的不平衡电流引起的接地保护误动作，应在相间保护动作时将接地保护闭锁。
④保护装置一般带有1～2s的时限，以避开外部单相接地瞬间，发电机暂态电容电流(其数据远较稳态时的(特殊字符)为大)的影响。因为，如果不带时限．则保护装置的起动电流就必须按照大于发电机的暂态电容电流来整定。
3、利用零序电压构成的定子接地保护
一般大、中型发电机在系统中大都采用发电机变压器组的接线方式。在这种情况下，发电机电压网络中，只有发电机本身、连接发电机与变压器的电缆以及变压器的对地电容，其分布可用下图来说明。当发电机单相接地后，接地电容电流一般小于允许值。对于大容量的发电机变压器组，若接地后的电容电流大于允许值．则可在发电机电压网络中装设消弧线圈予以补偿。由于上述三项电容电流的数值基本上不受系统运行方式变化的影响，因此，装设消弧线圈后，可以把接地电流补偿到很小的数值。在上述两种情况下，均可装设作成于信号的接地保护。
4、利用基波零序电压和三次谐波电压构成的100％定子接地保护
1.发电机三次谐波电势的分布特点
在正常运行时，发电机中性点侧的三次谐波电压U3N总是大于发电机端的三次谐波电压U3S。
当发电机定子绕组发生金属性单相接地时，设接地发生在距中性点a处，其等值电路如上图所示。此时不管发电机中性点是否接有消弧线圈，恒有:
U3S,U3N随a而变化的关系如图所示。当a＜50％时，恒有U3S＞U3N。
如果利用机端三次谐波电压U3S作为动作量，而用中性点侧三次谐波电压UN3作为制动量来构成接地保护，且当U3S&U3N时为保护的动作条件，则在正常运行时保护不可能动作，而当中件点附近发生接地时，则具有很高的灵敏性。利用这种原理构成的接地保护，可以反应定子绕组中件点侧约50％范围以内的接地故障。
2.基波零序电压和三次谐波电压构成的定子单相接地保护
保护由基波零序电比和3次谐波电压共同完成100％定子接地故障的保护任务。由基波零序电压保护发电机距机端85％～95％范围内定子绕组单相接地故障（中性点附近有5%～15％的死区）；三次谐波电压保护发电机中性点附近定子绕组的单相接地 。
动作判据为：
其中3U0为发电机零序电压，Uset为基波零序电压整定值 ，U3S和U3N分别为发电机机端TV开口三角形绕组和中性点TV输出中的三次谐波分量，K为三次谐波比例定值。
零序电压判据和三次谐波判据各有独立的出口回路，以满足不同配置的要求(如零序判据作用于直接跳闸，3次谐波判据作用于发信号等)。逻辑框图如下。
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摘要：定子绕组对地(铁心)绝的损坏将引发单相接地故障,这是定子绕组最常见的电气故障。2010年我国统计资料表明,全国300MW及以上发电机共发生本体故障14次,其中定子绕组接地故障就有3次,约为本体故障的21.43%。本文首先对定子绕组单相接地故障与发电机中性点接地方式的关系进行了综合评估,接着对基波零序电压及其接地保护进行深入研究。
关键字：定子绕组；单相接地；故障；保护
&&&&&&& 1 定子绕组单相接地故障与发电机中性点接地方式
&&&&&&& 1.1.1单相接地故障电流的允许值
&&&&&&& 定子绕组单相接地故障对发电机的危害主要表现在两个方面:一个方面是定子铁芯的烧伤,另一方面是接地故障扩展为相间或匝间短路。
&&&&&&& 铁芯烧伤的程度由故障点电流If和故障持续时间t决定的，If2t越大,铁心损伤越严重。只要铁心的定子绕组绝缘没有被损坏,那么修复工作引起的停机时间就不会很长;从结构上分析,大型发电机组定子铁心结构是相当繁杂的,如果铁心定子绕组绝缘被烧坏,后果是不堪设想的,修复时间长,那么停机时间也会很长的。如果说定子绕组绝缘损坏和单相接地故障是难免的,那么由此而映殃及定子铁心则是完全应该避免发生的,为此应设法减小定子绕组单相接地电流If,同时缩短故障的持续时间。
&&&&&&& 定子绕组绝缘一点毁坏(单相接地)时故障电流仅为几安培或几十安培,故障处电弧不稳定,将产生不稳定的弧光过电压,可能由此而诱发多点绝缘毁坏,单相接地的轻微故障扩大为灾难性的相同或距匝间短路,这也是一定要防止产生的。
&&&&&&& 定子绕组单相接地的故障电流与发电机中性点接地方式有着相当密切的关系。如果中性点直接接地,则导致单相接地故障电流很大,从而用电可靠性会很低,因此实际工作中,发电机中性点不可能直接接地。追溯到发电机中性点接地方式研究的早期,将发电机中性点经中阻接地,其实主要为了实现发电机单相接地保护的选择性,但结果发现其单相接地故障电流高达60A甚至还不止。再后来随着发电机单机容量不断提高,发一变组单元接线方式也逐渐被人们使用,就不再选用中阻接地方式,而是使用发电机中性点不接地方式。单相接地故障电流Ic就是发电机三相对地电容电流,它的值是非常小的。随着单机容量的进一步增大,三相对地电容C也随之增大,单相接地故障电流Ic会超过允许值5A,这种情况在大型水轮发电机上经常发生,为了解决这种故障电流超过允许值的问题,自然而然地出线了一种新的中性点接地方式,即:中性点经消弧线圈接地方式。由于电感的电流是呈感性的,单相接地故障发生时,消弧线圈的电感电流IL会和发电机的电容电流相互抵消一部分,故障电流的大小是电容电流与电感电流之差,从而使单相接地故障电流If不至于过大超过允许值,因此定子铁心的绝缘层不会因为过大的故障电流而被烧坏。
&&&&&&& 20世纪80年代初,我国有关部门通过试验,制订了我国的发电机单机接地电流允许值(国标) 6.3KV及以下& 4A；10.5KV& 3 A；13.8~15.75KV& 2A；18KV及以上& 1A。
&&&&&&& 注:(13.8~15.75KV,氢内冷发电机单机接地电流允许值是2.5A)
&&&&&&& 依照我国国标的规定,大多数大型汽轮发电机的单相接地电容电流ic已经超标,所以将应用在水轮发电机的中性点接地方式也应用在大型汽轮机发电机上,即同样使用中性点经消弧线圈的接地方式。
对于发一变组单元接线的情况,为了避免传递过电压的发生,消弧线圈必须按欠补偿原则进行相应调整。
&&&&&&& 1.1.2大型发电机中性点接地方式的综合评估
&&&&&&& 由于发电机中性点消弧线圈接地(欠补偿或完全补偿但必须串接小电阻),在发生单相接地故障时,不必立即保护跳闸,而仅发接地故障信号,值班人员马上向上级调度部门报告发电机定子绕组接地故障信息,并同时转移负荷,实现平稳停机检修,这种处理故障的方式有利于机组安全,对系统和负荷影响极小。由于保护不跳闸,那么在此过程中发电机一直与系统并联,频率也始终维持恒定,那么处理接地故障的过程中就不会产生暂态过电压,没有暂态过电压的产生,就更不会引发相间或匝间短路。对于大型发电机组,虽不主张单相接地保护动作于跳闹,但也不主张继续运行,而是要求立即转移负荷、停机检修。
&&&&&&& 发电机中性点消弧线圈谐振接地方式(增设串联小电阻约l00&O左右)长时间运行结果表明:发电机单相接地故障从未发生定子铁心被烧事例,也没有发生过由单相接地故障扩展为相间或匝间短路的情况,效果是无容置疑的。我国水电工作者通过实践出真知,将发电机中性点接地方式确定为经消弧线圈接地的方式,需要说明的是,参数必须按照欠补偿原则调整。这一发现可以说的上是国际电力技术一项宝贵财富。
&&&&&&& 1)大于220V的高压系统中,接地保护能较快速的跳闹,发电机单相接地保护动作会有一定的延迟,其延时不能小于系统的接地后备保护的动作时间。
&&&&&&& 2)高压侧为35~66KV系统,接地保护动作于信号,一般应必须综合考虑到系统接地保护与单相接地保护在动作电压和延时两个方面下的相互协调的问题,即必要时提高发电机单相接地保护UOP（0）和延时。
&&&&&&& 3)当高压侧达到110KV的时候,但是该系统为大接地电流时,即便高压系统没有达到220V,也同样按上面第一种情况解决;如为小接地电流系统,则按第二种情况解决。
&&&&&&& 另外有一点需要着重说明下的是:500KV的变压器的高低压绕组间的间隔很大,而Q合电容Cm很小,因此传送到机端的基波零序不平衡电压会很小,那么带来的问题就是:在这种情况下,220KV的系统可能会比500KV系统严重。这就是所谓的发电机单相接地保护的整定值与高压系统接地保护之间的矛盾。为提高基波零序电压接地保护继电器的灵命度,应有3次谐波阻波环节,因为发电机本身的基波零序不平衡电压是很小的,一台1026MVA、22KV的发电机,其基波零序不平衡电压一次值仅1.4V,而中性点3次谐波电压一次值高达800V。
&&&&&&& 一般机端三相电压互感器安全工作的话,开口三角绕组的基波不平衡零序电压是可以忽略不计的。
&&&&&&& 除了运行已很久(甚至超期运行)、已经绝缘严重老化的发电机,定子绕组单相接地保护在接地电流小于允许值(1、1、3、4A)的条件下,可仅作用于信号。对于300MW及以上的大型机组,在接地保护动作发信后,不应继续长时间运行(例如2h或更长),而应立即向上级调度部门报告,并同时迅速转移负荷、实现平稳停机检修,不能麻痹大意而拖延处理。
&&&&&&& 鉴于机端TV的一次装有三相熔断器,后者难免有一相或两相熔断的意外情况,此时开口三角输出基波零序电压,造成接地保护误动作,为此还应增设TV断线闭锁环节,使保护更为复杂。如果发电机中性点有单相TVO,基波零序单相接地保护应接在TVO的二次侧,这是就不再有熔断器故障的问题,应注意TVO一次侧的隔离开关QS一定合上。
&&&&&&& 通过本文定子绕组单相接地故障并综合评估了大型发电机中性点的接线方式与单相接地时的基波零序电压及其接地保护，从而对提出的提高保护方案动作可靠性的措施,有了强大的实践支撑。
[1]毕大强,王样晰,王维俭.发电机中性点经消弧线圈谐振方式接地中串联电阻对定子单相接地保护的影响[J].继电器,).5-8.
[2]李郭民,孟崇林.山西阳光发电有限责任公司2号发电机3ufl定子接地保护误动原因分析[M].山西电力技术,-35.
[3] 中华人民共和国电力行业标准, DL火力发电厂设计技术规程[N]. 中华人民共和国国家经济贸易委员会.2000
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