发电机定子接地保护动作原理及方法

摘要：发电机单相接地故障电流由于中性点接地方法的不同而不一样，保护程序也不尽相同。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，应尽快转移负载跳闸停机。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。

      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所示），损坏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损坏要视详细保护方法而定。

      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易的过电压继电器。为保证保护动作的购买性，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详细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），以降低保护动作整定值，减轻保护死区，但这种保护仍有5%以上的死区，实用于中小型机组的发电机定子接地保护。

      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，则装设功用于信号的接地保护。

      保护系统通常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构造。

      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载电流时，其二次侧输出的不平衡电流应很小；产生单相接地故障时，在很小的零序电流功用下在二次侧应有足够大的容量输出，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，在很小的一次电流功能下，具有过高的励磁阻抗和二次输出容量，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，其整定值选购如下：

（1）躲过外部单相接地时，发电机本身的电容电流，以及因为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。

（3）为防止外部相间短路产生的不平衡电流致使接地保护误动作，应在相间保护动作时将接地保护闭锁。

      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，保护将无法启动，因此零序电流保护不可防止地存在一定的死区，发电机定子保护范围达不到100%，这种程序只适合于中小型机组。

      利用零序电流和零序电压组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，由于机械磨耗或其它缘由，可能使靠近发电机中性点及附近的绕组发生接地故障。如果这种故障无法及时发现解决，可能进一步发展成匝间或相间短路，也有可能在其它点又产生接地故障，形成两点接地故障。其结果都都会造成发电机的严重故障。故而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%定子接地保护装置通常由两部分构造，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解除零序电压保护无法保护的死区。第二部分保护则用来消除零序电压保护无法保护的死区。现也有不一样的保护程序，下面概述一种常载的结构第二部分保护的方法。

      发电机正常运行时整个三相定子回路对地是绝缘的，当产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。在正常运转时，该信号电源不发生电流，只是在发生接地损坏后，这个信号电源才发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损坏信号电流，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，由于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。

      无论是从理论剖析还是从众多的发电机三相电压实测参数中，康明斯发电机公司都可以得出：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，较小的仅为0.2V。利用三次谐波电压可构造定子接地保护，它和基波零序电压定子接地保护，共同构造了对发电机定子绕组100%保护。这种发电机100%定子绕组保护步骤，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%定子绕组保护程序相比，投资较省。

      用集中数据表示的简单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：Cf表示发电机每相绕组对地电容；Ct表示发电机端每相所连元件对地电容；YS、YN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，随接地方法不一样具体数值不同，表达式为

       此时相当于接地阻抗无穷大，即Zn=∞。由节点电压法得公式（1）

      对于一台孤立的发电机，Ct=0，YN=Ys，则在正常状况下的三次谐波电压US3=UN3=0.5E3。

      当发电机与系统并机运行，Ct≠0，YN＜YS，则在正常情况下的三次谐波电压恒有US3＜UN3。

       此时Rn=RL（RL为消弧线ωL（ω为基波角频率，L为消弧线圈电感）用欠补偿方法，故而Zn=RL+j3ωL。对于发电机中性点消弧线圈通常采用欠补偿步骤，令补偿系数为K，则公式（2）为

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

      上式表明，在补偿系数K0条件下，无论取何值，对于消弧线圈接地而言，始终有US3UN3，当Ct=0时，上式亦成立。

      一般发电机中性点消弧线，代入上式，不等式恒成立，即US3UN3。

      这时的三次谐波等效电路如图5。接地变相对地电容CP危害不大，R为短路阻抗，通常从R数值中已减去，故下面的推导忽略CP，不产生RK。

① 不计接地变电抗，m=0，代入式（6），解得Ct/ Co1 / 9，即CtCr / 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。但通常接地变电抗不可能为零。

      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。

      上述结叙述明，接地变高阻接地同消弧线圈解得一样，正常运转都有|US3 | / |UN3|1的关系。

      损坏时的发电机三次谐波等效电路经推导如图5。

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

      当Rf = ∞时，即对地绝缘U.N=U.N3，U.S=U.S3，接地点电位为D∞。

      当Rf = 0时，发生金属性接地，U.N=E.3，U.S=E.3 。

      很明显，当金属性接地损坏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，可见定子单相接地损坏使|U.N| / |U.S|由大于1到小于1，产生了质的变化，因此比较|U.N| / |U.S|的大小，能够判别发电机中性点附近产生接地损坏与否。

      当然靠近发电机端产生接地损坏时，|U.N| ＞ |U.S|，与正常状态无法差别，由图5得出公式（7）：

      上式说明，理论上|U.N| / |U.S|是与E?无关的，亦即|U.N| / |U.S|不随负载状态而变。

      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。

      前面剖析，发电机正常运转时恒有|U(.)N| / |U(.)S|1.0，且不随负载状态而变(实际随负载有微小变动)，当发电机中性点附近发生接地损坏，恒有|U(.)N| / |U(.)S|＜1.0，种关系，构成三次谐波电压保护，解除基波零序电压保护的死区。为了提高保护灵敏度，保护机构的动作要素有下列4种。

① |U(.)N| / |U(.)S|＜1.0为动作因素的定子接地保护。

② 以K?|U(.)N| / |U(.)S|＜1.0为动作条件的定子接地保护。

③ 以K?|U(.)N|＜|U(.)N| / |U(.)S|为动作条件的定子接地保护。

④ 以K?|U.N|＜|U.N-KPU.S|为动作要素的定子接地保护。

      按动作因素|U(.)N| / |U(.)S|＜1.0，代入公式(7)，有

      将消弧线圈接地时的YS，YN代入上式，得出公式（8）：

      将RL / ωL=P代入上式解得公式（9）：

      三次谐波保护发电机绕组靠近中性点侧50%以下，接地过渡电阻越大，保护动作越灵敏。通常以发电机中性点产生接地损坏的较大过渡电阻为保护的灵敏度，但仅此并未反映靠近中性点侧发生绕组接地时的过渡电阻值的危害。故而康明斯发电机公司仅就发电机中性点和绕组靠近中性点侧1/3出发生接地故障进行计算解析。

Rf ≤ （P2+9）÷｛9ωC0（√P2+9-K）[（P2+9）Ct/C0+K ]-KP /3｝

      因为P%/100≈0.02，d≈0.15~0.25，所以

      取Ct / C0=0.1，代入式（10）的计算结果

      取Ct / C0=1，代入式（10）的计算结果

      上面的结果说明，发电机端部对地电容Ct影响较大，增大Ct灵敏度减少，而P和K危害很小。

      取Ct / C0=1，代入式（11）的计算结果

      取Ct / C0=0.1，代入式（11）的计算结果

      上面的计算结果同样说明，发电机端部对地电容Ct影响较大，增大Ct灵敏度减少，而P和K影响很小。直接影响保护灵敏度的是发电机绕组及端部总的对地电容。当损坏点位于绕组靠近中性点1/3处时，灵敏度明显下降。

      按动作因素|U.N| / |U.S|＜1.0，类似于消弧线圈接地因素下的推导，得出公式（12）：

     由于R=1/3ωC0，设XT=mR，则m=0.20+1.225KZK% / 100，代入上式，得公式（13）：

      因为m=0.31~0.68，取Ct / C0和m的不同值代入式（13）的计算结果

      把R=1/3ωC0，XT=mR关系代入上式，得公式（14）：

      取Ct / C0和m的不一样值代入式（14）的计算结果

      如果这种条件证明是恒成立的，采用微机保护实现较为简易，而不要将动作方程复杂化，因为相位的引入，势必受运转状态的影响更大，调整困难，运转误动率高，甚至不能投入。