零序方向元件选择性定子接地保护的分析

谈 涛 ，陈 俊， 王 翔， 徐 金

(南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京，211100)

式（6—8）计算时都遵循：

随着水电技术的日益发展，很多单机容量小的机组采取扩大单元接线方式，以降低建设成本。扩大单元接线方式中，发电机中性点经配电变压器接地，任一台发电机发生定子接地故障，会导致并列运行的多台发电机同时跳闸[1]，影响了机组的安全高效运行，所以必须寻找一种能够正确区分机组区内、区外故障的定子接地保护.现有的定子接地保护一般采用基波零序电流，基波零序电压、三次谐波和低频注入信号等方法，虽然这些方法能有效地保护100%定子接地，但是用于扩大单元接线机组上依然不能区分区内和区外故障。业内提出过一种基于行波方向的定子接地保护，原理上能正确区分故障范围，但是由于行波只在故障瞬时0.2～0.3 ms时间出现，现有的保护很难捕捉，目前尚处于理论研究阶段[1]。

1理论分析

1.1以三机一变扩大单元接线方式为分析模型

三机一变扩大单元接线方式如图1所示。为了计算方便，假设同一个单元机组的容量、定子绕组对地电容、机端出线电缆对地电容、变压器低压侧母排对地电容、接地变以及二次负载的参数均相同。图1对应的零序等值电路如图2所示。

图1 扩大单元接线方式

图2 零序等效网络图

1.2相关理论计算和数据分析

（1）单台机组区外故障理论计算。假设在发电机出口开关下端发生单相金属性接地，零序网络图如图3所示，不考虑接地变压器漏阻抗和接地变压器励磁绕组的影响。

由式（1）、式（2）得：由式（3）得合成零序电流I0滞后机端零序电压U090°。

（2）单台机组试验数据分析。以某电站5号机组试验数据为计算模型，该机组具体技术参数为：发电机额定容量为42 MW，发电机额定功率因数为0.92，机端额定电压为13.8 kV，机端电压互感器（TV）变比为7.97 kV/57.74 V/33.33 V，中性点接地变变比为13.8 kV/230 V(173 V)，机端零序电流互感器（TA）变比为20 A/2 A，中性点接地变二次负载为R=0.24 Ω，中性点零序TA变比为600 A/1 A。在发电机开关柜机端断路器下端口用铜辫子线设置短路点，手动增加励磁，使机端电压达到0.75 kV。计算发电机机端电压二次值：

中性点零序电压二次值：

计算中性点零序电流：

由式(2)计算机端零序电流：

计算出合成零序电流：

由此可见，合成零序电流滞后机端零序电压88.52°，和式(3)分析结果基本一致。计算结果与试验录波图（瞬时值录波）数据基本一致，如图4所示。

图4单机区外故障录波

1.3单台机组区内故障理论计算

假设在发电机机端汇流母排发生单相金属性接地，零序网络图如图5所示。计算时不考虑接地变压器漏阻抗和接地变压器励磁绕组的影响。

图5单台机组区内故障

由式（5）可得，在忽略一切感抗、容抗的影响下，中性点零序电流滞后零序电压0°。

以某电站5号机组试验数据为计算模型，计算分析试验数据。在发电机出口汇流母排用铜辫子线设短路点，手动增加励磁使机端电压达到0.75 kV。发电机中性点零序电压二次值为：

中性点零序电流：

合成零序电流：

由此可见，计算结果与试验所录采样数据基本一致。试验录波数据（瞬时值录波）如图6所示。

图6单机区内故障保护录波

1.4零序方向元件的整定

（1）单台机组区内故障：QF1 合位，QF2，QF3 分位，K1点发生单相金属性故障（以图2计算）。

2台机组区内故障：QF1，QF2合位，QF3分位，K1点发生单相金属性故障。

3台机组区内故障：QF1，QF2，QF3 合位，K1 点发生单相金属性故障。

式（6—8）计算时都遵循：

由式 （6—8）分别得出零序电流超前零序电压45°， 26.6°， 33.7°。

（2）按照图2分析，单机、2台、3台机组区外母线上单相接地机端零序电流的表达式均相同：

机端零序电流和中性点零序电流之和为合成零序电流：

由此可见，合成零序电流滞后零序电压固定为90°。以式（6—8）计算出的最小角度和最大角度的中间线作为区内保护动作的最灵敏线,最灵敏线逆时针、顺时针各偏一个角度θ，θ＞θ大-θ小，并且边2界1＞270°。边界1逆时针转到边界2为保护动作区，如图7所示。

图7 动作边界

1.5现场保护正确闭锁区外故障录波

2009年1月10日17时43分06秒，国内某电站4号机组扩大单元运行，10号、12号机组运行，11号机组检修。10号机组机端开关发生单相接地故障，12号机组 （已进行过选择性定子接地保护改造）判为区外故障成功闭锁定子接地保护，见图8。

图8 12号机组区外成功闭锁录波

4.5 s后保护装置没有出口，成功闭锁。

2调试中存在的问题以及解决方法

2.1不平衡电流的消除

试验过程中发现,正常情况下机端不平衡零序电流大于一定的数值后,保护装置不能正确地判断方向,因此怎样将正常运行时候不平衡零序电流降到技术要求的范围（10 mA）内是该保护能不能正常运行的关键。根据工程实践中摸索的经验,可从以下几个方面采取措施。

（1）发电机出口电缆严格按照空间磁平衡方式排布；

（2）电缆必须垂直正交从TA的正中心穿过；（3）电缆与桥架底层间用绝缘垫隔离，电缆屏蔽层完好；

（4）零序TA 1.5 m空间范围内不能布置大功率动力电缆；

（5）机端三相电流的屏蔽层接地点应该在发电机机端侧；

（6）二次零序电流回路的屏蔽层严格单端一点接地；

（7）二次零序电流回路周围没有强电电缆；

（8）为工程调试方便,零序TA的支撑架设计安装成能调节的。

2.2保护死区问题

由于该保护在原理上属于零序电压型保护，所以在靠近发电机中性点侧故障时保护存在死区。假设在距离中性点α处发生A相金属性故障,则故障点零序电压通过对发电机机端TV各相对地电压的分析可以得到机端零序电压U˙t0=-αEA=U˙n0[4]。 当 α 接近 0 时发电机中性点和机端TV开口将感测不到零序电压，导致方向元件失效，并且取自中性点TV的动作元件也将失效，该选择性定子接地保护只能在发电机定子的95%范围内实现选择性保护，另外5%通过常规的三次谐波电压保护来实现无选择性保护。

3结束语

通过对国内某工程三机一变接线方式的贯流式机组选择性定子接地保护的安装调试，积累了丰富的经验。通过现场试验数据的分析计算，验证了该保护原理的正确性和实用性。

[1]王维俭.电气主设备继电保护原理与应用（第2版）[M].北京：中国电力出版社，2002.

[2]陈 俊，沈全荣.扩大单元接线发电机定子接地保护方案[J].电力系统自动化，2007，31（24）：86-89.

[3]贺家李，宋从矩.电力系统继电保护原理（第3版）[M].北京：中国电力出版社，1994.

[4]李玉海，张小庆，徐 敏.关于定子接地保护的几个问题[J].电力系统自动化，1999，23 （11）：50-54．