发电机定子单相接地保护

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1、发电机定子单相接地保护发电运行部 钟应贵发电机定子单相接地的危害设发电机定子绕组为每相单分支且中性点不接地，发电机定子绕组接线示意图及机端电压向量图(图1)CBA(a)定子绕组接地示意图UbUc(b)定子绕组接地电压向量图设 A 相定子绕组发生接地故障，接地点距中性点的电气距 离为a (所谓电气距离，就是发电机单相定子绕组的长度，a 为中性点到故障点的绕组占全部绕组的百分数)，此时，在接地 点会出现一个零序电压。由图1 (b)向量图可以看出，A相接地时，使B相及C相 对地电压，由相电压升高到另一值。当机端A相接地时，B、C 两相的对地电压由相电压升高到线电压。另外，发电机定子绕组及机端连接元件

2、(包括主变低压侧 及厂用变高压侧)对地有分布电容，零序电压通过分布电容向 故障点供给电流。此时，如果发电机中性点经某一电阻接地， 则发电机零序电压通过电阻也为接地点供给电流。 综合上述分析，发电机定子绕组单相接地的危害是： 1、非接地相对地电压升高，将危及对地绝缘，当原来绝缘较 弱时可能会造成非接地相相间发生接地故障，从而造成相 间接地短路，损害发电机。2、 流过接地点的电流具有电弧性质，会产生电弧，可能烧 伤定子铁芯。分析表明：接地点距发电机中性点越远，对发电机的危害越 大；反之越小。二、 发电机定子绕组单相接地保护的构成1、 利用零序电压构成的发电机定子绕组单相接地保护由上述分析：画出零序

3、电压3U随故障点位置a变化的曲线， 见图 2。图2 定子绕组单相接地时3U0与a的关系曲线越靠近机端，故障点的零序电压越高。利用基波零序电 压构成定子单相接地保护，图中Uop为零序电压定子接地保 护的动作电压。定子绕组单相接地保护用的零序电压的获取 见图 3。图3 发电机定子绕组单相接地接线原理零序电压可以从发电机机端 YH 二次可口三角形获取， 也可以从发电机中性点单相 YH 获取。假定机端电压互感器U /100 /100的变比为占右TT,如果机端发生金属性单相接地故障, 从机端得到的基波零序电压二次值为100V,距中性点a处发 生单相金属性接地故障时， 基波零序电压二次值为 aX100V。

4、利用基波零序电压作为发电机定子单相接地保护是一种不完全的保护，从图2 中可以看出，它只能保护到定子绕 组的 90-95% 。要达到 100%定子接地保护，就需要由其它原 理的保护共同构成 100%定子接地保护。目前普遍采用三次谐 波电压构成的发电机定子绕组单相接地保护与零序电压相 配合的 100%定子单相接地保护。2、 利用三次谐波电压构成的发电机定子绕组单相接地保护 1）、保护原理由于发电机气隙磁通密度的非正弦分布和铁磁饱和的 影响，在定子绕组中感应的电动势除基波分量外，还含有高 次谐波分量，其中三次谐波分量是零序性质的分量。如果把发电机的对地电容等效地看作集中在发电机的中性点N和机端S,且

5、每相的电容大小都是0.5Cf,并将发电 机机端引出线、升压变压器低压侧母线、厂用变压器以及电 压互感器等设备的每相对地电容C也等效在机端，并设三次W谐波电动势为 E3 。那么当发电机中性点不接地时,其等值3电路如图 4 （a）。N i E3SuN1O 3-CWUS3221fr图 4 （ a ）发电机中性点经消弧线圈接地时，其等值电路如图 4 （b）。图 4 （ b ）中性点不接地时，中性点和机端的三次谐波电压分别为：UN3C + 2C= f w E2(C + C ) 3fwC(11)U = f Es 32(C + C )3fw(12)机端三次谐波电压US3与中性点三次谐波电压UN3之比为:S3

6、N3UC(13)亠=/U C + 2CN 3fw由式（1-3）可知，在正常运行时，发电机中性点侧的三次 谐波电压UN3总是大于发电机机端的三次谐波电压US3。当发N3S3电机孤立运行时，即发电机出线端开路，CW=0时，UN3=US3WN3 S3发电机经消弧线圈接地时，假设基波电容电流被完全补 偿，即此时发电机中性点侧对三次谐波的等值电抗为XN3-2他(3LE)f3 (3L)-3C整理后得_ 6N3 _ (7C - 2C )f发电机机端对三次谐波的等值电抗为Xs323 (C + 2C )f此时发电机机端三次谐波和中性点三次谐波电压之比为UX7 C - 2Cs = = f4仃一4）UX9（C +

7、2C ）N 3N 3f式（1-4）表明，接入消弧线圈后，中性点的三次谐波电压UN3在正常运行时比机端三次谐波电压US3更大。在发电N3S3机出线端开路后，即CW=0时，则W(15)US3UN3在正常运行情况下，尽管发电机的三次谐波电动势e3随3着发电机的结构及运行状态而改变，但是其机端三次谐波电 压与中性点三次谐波电压的比值总是符合以上关系的。当发电机定子绕组发生金属性单相接地时，设接地点发生在距中性点a处，其等值电路如图5所示。此时不管发电 机中性点是否接有消弧线圈，总是有UN3= a 和 N33U二（1-a） E3，两者相比，得S33S316)N3中性点三次谐波电压UN3和机端三次谐波电压

8、US3随故障N3S3点a的变化曲线如图6所示。因此，如果利用机端三次谐波电压us3作为动作量，而用中性点三次谐波电压uN3作为制动S3N3量来构成接地保护。且当us3$un3时作为保护的动作条件，S3 N3则在正常运行时保护是不可能动作的，而当中性点附近发生接地时，则具有很高的灵敏性。利用此原理构成的接地保护可以反应距中性点约 50% 范围内的接地故障。图 5 发电机单相接地时三次谐波电动势分布的等值电路图图6中性点电压UN3和机端电压US3随故障点a的变化曲线利用三次谐波构成的接地保护可以反应发电机定子绕组中aV0.5范围内的单相接地故障。并且当故障点越靠近 中性点时，保护的灵敏性就越高；利

9、用基波零序电压构成的 接地保护，则可以反应a0.10范围内的单相接地故障。且 当故障点越靠近机端时，保护的灵敏性就越高。两种不同原 理的保护优势互补。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%的定子绕组单相接地保护。2）、改进的反应三次谐波电压比值的定子绕组单相接地保护 反应三次谐波电压比值的定子绕组单相接地保护的动 作判据为I US3/UN3式中B整定比值17)动作判据为 丨US3/UN3丨B，可 以改写成为S3 N3I us3 | 创un3 |，即us3为动作量，un3为制动量。该判S3N3S3N3据的灵敏度仍不够高，且容易发生误动。改进的措施是增加 调整系数Kp，进

10、一步减小动作量，这样也就进一步减小制动 量，即可减小制动系数B,使Bvv 1.0，从而可获得更 高灵敏度和防误动能力。改进的动作判据为1 US3-KPUN3 I “1 UN3I（I8）当发电机发生单相接地时，若故障点在机端附近，US3减S3 小而uN3增大；若故障点在中性点附近，US3增大而uN3减小。N3S3N3这样改进后的结果是：故障点在中性点附近时组合动作量 I US3 - KPUN3 I显著增大，而此时制动量创UN3 I却比较S3P N3N3小，保护可灵敏动作；即使在机端发生金属性接地故障， I UN3 I虽会显著增大，但制动量BI UN3 I却因为 BVV 1.0不会很大，而此时动作

11、量I US3 - KPUN3 I =S3P N3I KpUn3 I ，由于Kp接近1.0，所以动作量I KpUN3 I很 大，于是保护仍可灵敏动作。三、 龚站发电机定子单相接地保护的配置和保护动作后果1、龚站发电机定子单相接地保护的配置。龚站发电机是扩大 单元接线方式，且出线端母线较长。定子单相接地保护是利用 基波零序电压与改进型的反应三次谐波电压比值构成100%的 定子单相接地保护。即反应零序电压的大小和反应三次谐波电 压比值绝对值的大小。零序电压3U0取自机组中性点消弧线圈， 三次谐波电压3 s取自机端电压互感器二次侧开口三角形和中 性点消弧线圈。对于扩大单元接线，即两机一变接线方式的机组

12、，反应三 次谐波电压比值I us3 / un3 I为判据时，该判据的动作灵 S3 N3 敏度仍不够高，容易发生误动作。因此，龚站机组定子单相接 地保护采用了改进的反应三次谐波电压比值的保护，在判据中 增加了调整系数KP，从而获得了更高灵敏度和防误动能力。 改进后的判据为U - K U |0 U IS 3P N 3N 3两机一变的接线方式，整定调整系数Kp值时，对于另一机组 断路器合闸与否，其中性点的接地容抗是不同的。因此，在整 定调整系数Kp值时，要与另一台机组断路器合闸和跳闸时分别整定。3、龚站发电机定子单相接地保护动作后果。反应基波零序 压 3U0 动作经过一定延时跳发电机出口断路器和发电

13、机灭磁 开关；反应三次谐波电压比值（3 s）动作，经过一定延时发 信号。四、定子接地保护动作处理现象：1、上位机、集控均报“ X 机组定子一点接地”信号，同时 “15.75KV、接地信号”亦可能发出。2、机组保护屏1#、2#均有“定子接地3U ”、“3丄”、“3W ”、 3W ”红灯亮。3、机组出口断路器跳闸、灭磁开关跳闸。4、状态指示有“出口跳闸”、“出口信号”红灯亮。5、机组可能有超速声。处理：1、检查发电机出口断路器和灭磁开关是否断开良好，否则 动拉开。拉开隔离刀闸，切除操作电源。2、对机组进行全面检查，包括风洞、母线、机组YH、励磁变、消弧线圈、穿墙套管等，有无明显接地点。进风洞检查应

14、两人 进行，戴正压呼吸器，发现有着火，按发电机着火处理。3、若机组出口断路器和灭磁开关已跳开，“15.75KV接地” 信号未消失，应穿上绝缘鞋对15.75KV母线、主变低压侧YH等 一次设备进行检查，并检查另一台机有无定子接地信号（3s）。 若发现YH故障应立即拉开YH刀闸，若发现15.75KV母线有明显 接地点，应立即汇报调度（集控），倒厂用电，做好相应主变停 电准备。4、根据当时情况，机组可执行“空转停机”流程停机或手 动停机，注意加闸。若机组过速，保护已动作，按过速保护动作 处理。5、若机组停机后，所有信号均能复归，应判断接地点在出口断 路器内侧，做好相应措施，测量定子绝缘，通知维护作进一步检 查。6、若检查未发现明显接地，且绝缘测量合格，经总工程师（或 生产副厂长）同意，可开机进行零起升压试验，试验正常机组投 入运行。升压过程中严密监视发电机三相电流表应无指示，选测 接地电压有无显示，若有异常，立即进行逆变、停机做好安全措 施，通知维护检查处理。注意事项：1、事故发生后，值守长简要将事故汇报集控，并组织事故 处理，汇报值守总负责人，要求派人支援。2、应由集控向有关领导发ONCALL信息，并汇报有关部门和 厂领导。4、处理中应监视运行设备运行情况，发现问题进行处理。2006年12月03日