发电机定子绕组接地保护3U0整定

马 勇

（华能济宁运河发电有限公司，山东 济宁 272100）

1 定子接地保护在大型汽轮发电机组中的地位

发电机是电力系统中最重要的设备之一，其外壳完全接地。当发电机定子绕组与铁心之间的绝缘被破坏时，就形成了定子单相接地故障。发电机定子绕组发生单相接地故障时，中性点流过的接地故障电流与中性点接地方式有关，发电机中性点接地方式的不同，对发电机定子接地保护的出口方式要求也不同，而且动作时限也是长短不一。

由于现代大型发电机组在电力系统的重要性，单机容量的增大，又多采用单元接线，一般使三相定子绕组对地电容增加且相对固定，相应的单相接地电流增大，而定子铁心又是在数百吨的压力下锻压形成的单一整体，检修很困难，停机时间长，造成相当大的直接损失和间接经济损失，所以大型发电机一般都装设作为发电机主要保护的100%定子接地保护，并保证该保护能够可靠正确动作，确保小异常不酿成大事故。

2 大型发电机定子接地保护的构成

我国大型发电机组大都采用单元接线方式，中性点接地方式主要采用中性点经配电变压器（二次侧接电阻）接地，电阻值较大，取为高阻接地，其电阻吸收功率大于或等于三相对地电容的无功伏安。为限制动态过电压不超过2.6倍额定相电压，接地电阻 （一次值）RN′≤1/3ωCg，Cg为发电机每相对地耦合电容。

国内目前采用较多的定子接地保护装置，常采用基波零序电压元件（简称3U0）和三次谐波电压元件（简称3ω）两部分组成，其中3U0元件用于反应发电机定子绕组机端部分的单相接地故障，保护范围从机端至中性点85%～95%绕组，出口方式为经延时跳闸，而3ω元件主要用于保护中性点侧的绕组，保护范围从中性点至机端5%～15%绕组，出口方式为发信，两者共同构成100%定子接地保护。

3 中性点经接地变压器接地时保护的整定计算

3.1 灵敏段整定

1）基波零序电压保护灵敏段取中性点零序电压Uop应按躲过正常运行时中性点单相电压互感器的最大不平衡电压Uunb.max，即Uop=KrelUunb.max，在工程计算中依经验一般按5%～10%二次额定电压整定，为可靠起见，取Uop=10 V。

发电机中性点接地变压器零序TV变比为20 kV/23 kV，通过分压绕组得到100 V电压，故中性点TV实际变比为20 kV/0.1 kV。

2）按躲过主变压器高压侧或高压厂变低压侧单相接地时耦合到发电机侧的最大零序电压整定，即

根据计算一般主变高压侧耦合电压大于高压厂变低压侧耦合电压，所以一般只考虑主变高压侧单相接地经变压器高、低压绕组电场耦合传递至发电机侧的零序电压值。

计算 β0：

发电机定子绕组每相对地电容Cg为0.209 μF。

主变高低压绕组间每相耦合电容Cm及主变低压绕组每相对地电容C1，根据厂家试验报告数据计算得，Cm=0.006 835 μF，C1=0.022 095 μF。

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根据厂家试验报告数据计算高厂变高压绕组每相对地电容C1′=0.001 5 μF，发电机机端其他设备每相对地综合电容C1″忽略不计。

主变高压侧出口单相接地，主变高压侧零序电压耦合到发电机侧的零序电压如图1所示。

图1 发电机侧耦合电压等效电路图

其中：U0max为主变高压侧零序电压，U0为耦合到发电机侧的零序电压，3ZNG为中性点接地变二次电阻折算到一次侧的电阻，其值为

Cg∑为中性点每相对地综合电容，其值为Cg∑=Cg+C1+C1′=0.209+0.0221+0.0015=0.2326 μF中性点每相对地等效综合电容：

相应的容抗为

计算U0max：

分别计算当系统最大运行方式及最小运行方式下电厂最小运行方式及最大运行方式时以及当系统断开发电机单独运行时，主变高压侧单相接地所产生的主变高压侧零序电压U0max，取其最大值。

经计算，当系统处于最大运行方式，电厂处于最小运行方式时主变高压侧单相接地所产生的主变高压侧零序电压U0max最大，U0max=123.18 kV。

灵敏段零序动作电压为

3.2 高值段零序动作电压

取中性点零序电压，一般为20～25 V，故取20 V。

3.3 零序电压保护延时

1）按躲过系统侧接地后备保护最长时间整定查系统侧零序保护最长动作时限为5.5 s

2）按考虑发电机单相接地时的接地电流整定。

假设距发电机中性点α位置发生金属性单相接地，单相接地电容电流可表示为

不同接地点时的I（1）k如表1。

表1 不同接地点时的Ik（1）

由导则知，300～600 MW发电机定子绕组单相接地故障电流允许值为1 A，由表1知，当α＞30%时，大于1 A，当接地点在发电机出口附近时，近乎于4倍允许电流。当发电机定子发生单相接地时，切除故障时间过长，对发电机十分不利，且零序电压已可靠躲过系统接地时耦合到低压侧的零序电压，所以动作时限可降低，根据省电力技术监督办公室文件，动作时限整定为0.2 s。

4 结论

基于以上计算及分析，整定发电机定子单相接地保护定值时，建议按可靠躲过主变高压侧单相接地时耦合至发电机侧的最大零序电压值整定，相比较工程计算中所采用的经验值，前者动作灵敏性更高，且能可靠躲过区外故障时所产生的耦合零序电压，利于快速及可靠切除故障保证发电机组的安全。同时为了进一步保证发电机设备安全，动作时限应尽可能缩短。