发电机定子接地保护动作原理及方式

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发电机定子接地保护动作原理及方式

发布时间：2023-07-08 12:51:57 ▏阅读：次

新闻主题	发电机定子接地保护动作原因及处理

摘要：发电机单相接地故障电流由于中性点接地方式的不同而不同，保护方式也不尽相同。但仅就保护发电机不受接地故障损害的要求来看，继电保护的要求是一致的。当满足发电机允许安全电流，继电保护只发信号，而不紧急跳闸；当大于发电机允许安全电流时，应尽快转移负荷跳闸停机。对于大中型发电机，定子接地电流必须限制在很小的范围内，同时要求实现100%定子接地保护，而且要求在保护区内任一点接地保护应有足够高的灵敏度。

一、发电机定子接地的保护方式

1、基波零序电压构成的定子接地保护

基于发电机定子回路各点的基波零序电压相同，因此，利用基波零序电压作为动作参量的定子接地保护是不可能区分接地故障点位于发电机内部或外部。对于大中型发电机组来说，当发电机中性点采用消弧线圈接地（如图1所示），故障电流补偿到较小的数值，定子接地只发信号，严格区分发电机内部或外部故障意义并不大：当发电机中性点采用接地变高阻接地，故障电流较大，是否区分发电机内部或外部故障要视具体保护方案而定。

当发电机中性点采用消弧线圈接地，保护动作参量的基波零序电压取自消弧线圈的二次电压，也可取自发电机端三相电压互感器第三绕组的三角开口电压；当发电机中性点采用接地变高阻接地，保护动作电压取自接地变压器二次侧电压。

保护动作的执行元件为简单的过电压继电器。为保证保护动作的选择性，动作电压采用5~15V，以躲过正常运行的不平衡电压以及高压侧接地故障的耦合过电压。

正常运行的不平衡电压主要是零序三次谐波电压，有时可大于15伏。所以，一般加装三次谐波过滤阻波电路（如图2所示），以减小保护动作整定值，减小保护死区，但这种保护仍有5%以上的死区，适用于中小型机组的发电机定子接地保护。

零序电压构成定子接地保护系统图.png

图1 零序电压构成定子接地保护系统图

发电机零序电压和三次谐波双频式定子接地保护.png

图2 发电机零序电压和三次谐波双频式定子接地保护

2、零序电流构成的定子接地保护

对于直接连接于母线上的中小型发电机，当发电机电压网络的接地电容电流大于或等于5A时，无论发电机中性点是否装有消弧线圈，均应装设动作于跳闸的接地保护；当接地电容电流小于5A时，则装设作用于信号的接地保护。

保护装置一般由装设于发电机端的零序电流互感器及相应的电流继电器组成。

为了满足零序电流接地保护灵敏度的要求，采用专用的零序电流互感器。正常运行情况下，零序电流互感器通过三相对称负荷电流时，其二次侧输出的不平衡电流应很小；发生单相接地故障时，在很小的零序电流作用下在二次侧应有足够大的功率输出，以使保护装置能够可靠动作。

目前采用的优质高导磁率硅钢片制作的零序电流互感器，在很小的一次电流作用下，具有较高的励磁阻抗和二次输出功率，能够满足保护灵敏度的需要。

接于零序电流互感器上的发电机零序电流保护，其整定值选择如下：

（1）躲过外部单相接地时，发电机本身的电容电流，以及由于零序电流互感器一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5A，并应尽可能灵敏一些。

（3）为防止外部相间短路产生的不平衡电流引起接地保护误动作，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，以躲开外部单相接地瞬间发电机暂态电容电流的影响。

当发电机定子绕组的中性点附近接地时，由于接地电流很小，保护将不能起动，因此零序电流保护不可避免地存在一定的死区，发电机定子保护范围达不到100%，这种方式只适用于中小型机组。

3、发电机100%定子接地保护

利用零序电流和零序电压构成的发电机定子单相接地保护，对定子绕组都达不到100%的保护范围。对于大中型机组，由于机械损伤或其它原因，可能使靠近发电机中性点及附近的绕组发生接地故障。如果这种故障不能及时发现处理，可能进一步发展成匝间或相间短路，也有可能在其它点又发生接地故障，形成两点接地故障。其结果都都会造成发电机的严重损坏。所以现代大中型机组均装设能反应100%的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，第一部分是零序电压保护，能保护发电机绕组靠机端侧85%以上（短路点越靠近机端侧零序电压越高），第二部分保护则用来消除零序电压保护不能保护的死区。第二部分保护则用来消除零序电压保护不能保护的死区。现也有不同的保护方式，下面简述一种常用的构成第二部分保护的方式。

发电机正常运行时整个三相定子回路对地是绝缘的，当发生定子单相接地故障时，定子对地绝缘就被破坏了。根据这一特点，为了得到100%的高灵敏度定子接地保护，在发电机定子回路和与大地之间外加一个信号电源。在正常运行时，该信号电源不产生电流，只是在发生接地故障后，这个信号电源才产生相应频率的接地电流，籍以区分正常运行与故障，使保护可靠动作。

外加非工频交流电源的定子接地保护为了分清正常运行工频电流和接地故障信号电流，外加信号电源的频率采用非工频，但不采用三次谐波频率和二分之一谐波频率，因为理论推导这些频率使发电机电压回路容易发生谐振过电压。一般实际使用的非工频有12.5Hz，20Hz和100Hz。

二、谐波电压构成的发电机定子接地保护

无论是从理论分析还是从众多的发电机三相电压实测数据中，我们都可以得出：发电机不管其容量大小，它们的相电压中总有少量的三次谐波成分。三次谐波电压大的可达10V以上，最小的仅为0.2V。利用三次谐波电压可构成定子接地保护，它和基波零序电压定子接地保护，共同构成了对发电机定子绕组100%保护。这种发电机100%定子绕组保护方式，是较为传统型的，在我国所占比例较大。同外加交流偏移电压构成的发电机100%定子绕组保护方式相比，投资较省。

1、正常运行时三次谐波电压

用集中参数表示的简易的发电机三次谐波等效电路如图3。图中E₃表示发电机每相绕组的三次谐波电动势：C_f表示发电机每相绕组对地电容；C_t表示发电机端每相所连元件对地电容；Y_S、Y_N分别为发电机端和中性点总导纳；Zn为发电机中性点对地阻抗，随接地方式不同具体数值不同，表达式为

Zn=Rn+jXn

从图4中可以看出U_N3、U_S₃分别为发电机端和中性点三次谐波电压。

发电机三次谐波等效电路图.png

图3 发电机三次谐波等效电路图

三次谐波电压定子接地保护方法.png

图4 三次谐波电压定子接地保护方法

（1）发电机中性点不接地

此时相当于接地阻抗无穷大，即Zn=∞。由节点电压法得公式（1）

发电机接地节点电压法计算公式.png

对于一台孤立的发电机，C_t=0，Y_N=Y_s，则在正常情况下的三次谐波电压U_S3=U_N3=0.5E₃。

当发电机与系统并列运行，C_t≠0，Y_N＜Y_S，则在正常情况下的三次谐波电压恒有U_S3＜U_N3。

（2）发电机中性点经消弧线圈接地

此时Rn=R_L（R_L为消弧线圈的电阻），Xn=3ωL（ω为基波角频率，L为消弧线圈电感）用欠补偿方式，所以Zn=R_L+j3ωL。对于发电机中性点消弧线圈一般采用欠补偿方式，令补偿系数为K，则公式（2）为

发电机中性点消弧线圈接地补偿系数公式.png

① n=j3ωL，先不考虑消弧线圈的电阻R_L，消弧线圈为纯电感L；机端电容为C_t，由公式（3）

发电机中性点消弧线圈接地补偿系数公式2.png

上式表明，在补偿系数K>0条件下，无论取何值，对于消弧线圈接地而言，始终有U_S3<U_N3，当C_t=0时，上式亦成立。

② Zn=RL+j3ωL，即计入RL时的情况得公式（4）

发电机中性点消弧线圈接地补偿系数公式3.png

设R_LωL=P，则

[3ωC_o（p²+9）ω²L²−ωL][3ωC_t（p²+9）ω²L²+ωL]>p²ω²L² / 9

∴[3ωC_o（p²+9）ω²L²−1][3ωC_t（p²+9）ω²L²+1]>p² / 9

9C_oC_t（p²+9）ω⁴L²+3ω²LC_f>1 / 9

将式（2）代入上式，同时设q=C_t / C_f，得

发电机中性点消弧线圈接地补偿系数公式5.png

一般发电机中性点消弧线圈接地补偿系数0.7≤K≤1，代入上式，不等式恒成立，即U_S3<U_N3。

（3）发电机中性点经接地变高阻接地

这时的三次谐波等效电路如图5。接地变相对地电容C_P影响不大，R为短路阻抗，一般从R数值中已减去，故下面的推导忽略C_P，不出现R_K。

Y_S=j9ωC_f/2+j9ωC_t,Y_N=j9ωC_f/2+1/（R+j3X_T)

参照消弧线圈接地的有关推导，则有公式（5）

[3ωC_o(R_L(²)+9XT_r²)−X_T][3ωC_t(R²+9XT_r²)+X_T]>R_L(²) / 9

已知：R=1/3ωC_o，X_T=0.20R+1.225KRZ_K%/100

设m=0.20+1.225KZ_K%/100，则X_T=mR，代入式(5)，得公式（6）

[3ωC_o R²(1+9m²)−mR][3ωC_tR²(1+9m²)+mR]>R²/ 9

[(1+9m²)−m][C_tC_o(1+9m²)+m]>1 / 9

① 不计接地变电抗，m=0，代入式（6），解得C_t / C_o>1 / 9，即C_t>C_r / 8。

结果说明，当不计接地变电抗时，需发电机端部对地电容大于发电机对地电容的八分之一，才能满足不等式。但一般接地变电抗不可能为零。

发电机定子接地变电抗计算公式.png

② 接地变电抗不为零，由于K=3~6,Z_K%=3~8，取偏小值，K=3,Z_K%=3，则m=0.2+1.225*3*3100=0.31；解得2.9C_T / C_o+0.371>0。

结果说明，当计入接地变电抗时，无论发电机端部对地电容与发电机对地电容多大，均能满足不等式。

上述结论说明，接地变高阻接地同消弧线圈解得一样，正常运行都有|U_S3 | / |U_N3|<1的关系。

2、单相接地故障时的三次谐波电压

故障时的发电机三次谐波等效电路经推导如图5。

发电机定子D点接地三次谐波等效电路图.png

图5 发电机定子D点接地三次谐波等效电路图

D为短路点，R_f为过渡电阻，其中E(.)₃=E(.)'₃+E''(.)₃，由节点电压方程，得

U(.)_D（Y_S+Y_N+1 / R_f）=E(.)'₃Y_N−E''(.)₃Y_S，

∵ U(.)_D=U(.)_S-E''(.)₃∴ U(.)_S=（E.'₃Y_N+E''(.)₃/ R_f）÷ （Y_S+Y_N+1 / R_f），U(.)_N=（E.'₃Y_N+E.'₃/ R_f）÷ （Y_S+Y_N+1 / R_f）

当R_f= ∞时，即对地绝缘U._N=U._N3,U._S=U._S3，接地点电位为D∞。

当R_f= 0时，发生金属性接地，U._N=E.'₃,U._S=E''.₃。

很明显，当金属性接地故障点位于靠近中性点的半个绕组区域内时，有

|U._N|<|U._S|,∴|U._N| / |U._S|<1.0

对比正常状态，可见定子单相接地故障使|U._N| / |U._S|由大于1到小于1，发生了质的变化，因此比较|U._N| / |U._S|的大小，能够判别发电机中性点附近发生接地故障与否。

当然靠近发电机端发生接地故障时，|U._N| ＞ |U._S|，与正常状态无法区别，由图5得出公式（7）：

发电机单相接地故障时的三次谐波电压公式.png

上式说明，理论上|U._N| / |U._S|是与E₃无关的，亦即|U._N| / |U._S|不随负荷状态而变。

3、单相接地故障时的三次谐波电压接地保护

如前所述，基波零序电压型接地保护有靠近发电机中性点5%~10%的死区，利用发电机三次谐波保护消灭死区，达到100%发电机定子接地保护。

前面分析，发电机正常运行时恒有|U(.)_N| / |U(.)_S|>1.0,且不随负荷状态而变(实际随负荷有微小变动),当发电机中性点附近发生接地故障，恒有|U(.)_N| / |U(.)_S|＜1.0,种关系，构成三次谐波电压保护，消除基波零序电压保护的死区。为了提高保护灵敏度，保护装置的动作条件有下列4种。