阿萨汉水电站注入式定子接地保护应用探析

章日成，周方华

(浙江华电乌溪江水电厂，浙江 衢州 324000)

0 引言

阿萨汉一级水电站位于印度尼西亚北苏门答腊岛，距离省会棉兰市约130 km，是中国华电集团公司(以下简称华电集团)投资控股并自主建设和运行维护的海外水电项目。电站安装2台90 MW立式混流式水轮发电机组，是北苏门答腊省最大的水电机组，电站装机占当地电网总容量的15%左右，且电站来水充沛，可保持常年发电，经济效益相当可观，在当地电网有着举足轻重的作用。电站自2010年4月投运以来，机组运行稳定，向印尼电网源源不断地输送绿色清洁能源，为当地经济发展作出重要贡献。该电站机电设备采用我国国产设备，保护装置全部来自国电南京自动化股份有限公司(以下简称国电南自)，在印尼行业内保持领先水平。华电集团配合厂家和施工单位对电站保护装置进行了精心调试，从1年多的运行情况来看，国电南自DGT-801系列发电机变压器组(以下简称发变组)保护能适应当地电网波动大和潮热的地理环境，其可靠性经得住考验。通过分析电站投运初期，电站2台发电机注入式定子接地保护相继动作这一行为，提出了发电机注入式定子接地保护现场运行中的一些应用问题，探讨了解决问题的办法。

1 电站注入式定子接地保护原理

阿萨汉一级水电站定子接地保护注入电源由某公司生产的7XT33型20 Hz低频发生器和7X34型带通滤波器组成，滤波后的低频电源加在发电机中性点接地变压器二次负载电阻上，通过接地变压器把外加20 Hz低频电源注入到发电机定子回路中，加入到定子绕组上的低频电压不超过1%～3%额定电压，接线原理如图1所示。

图1 阿萨汉电站注入式定子接地保护原理

国电南自保护装置采集负载电阻上的分压值Ug0和中间变流器(4NC5225)二次电流Ig0，通过导纳法准确计算出发电机定子接地故障时的接地电阻值，计算出的电阻阻值与定子绕组的接地故障位置无关，可以反映发电机100%的定子绕组单相接地故障。

接地电阻判据反映发电机定子绕组接地电阻的大小，设有2段接地电阻定值，高定值段作用于报警，低定值段作用于延时跳闸，低定值段出口加入注入电源回路故障闭锁，保护装置检测到Ug0和Ig0低于设定值时，闭锁保护跳闸出口。

2 保护动作分析

2.1 第1次保护动作过程

2010-09-07，阿萨汉一级水电站2台机组满负荷正常运行。09：31：16，上位机监控屏显示“#1机组注入式定子接地保护动作”“#1机组电气事故停机”等信号。经运行人员现场检查确认，#1机组保护屏定子接地保护信号灯亮，保护出口事故灯亮，水轮机组事故停机。

从保护装置动作报告可知，双保护中央处理器(CPU)都出口动作，报告显示接地电阻值均小于1.2 kΩ(整定值2 kΩ)，注入20 Hz检测电流达130 mA(闭锁电流为8 mA)。保护动作时，基波零序电压3U0达51 V，是定子绕组接地时的典型特征。但查看保护动作报告,基波零序电压保护没有动作,经分析是由于注入式定子接地保护动作第一时限设为0.1 s，而基波零序电压出口延时整定0.5 s，还没来得及动作，故障点已被切除。

保护装置动作波形如图2所示，图中上方3个波形分别来自机端电压Uab,Ubc，Uca，图下方2个波形分别来自中性点压变和机端压变的3U0电压，3U0n为中性点电压，3U0t为机端仪变开口三角形电压，x轴0点坐标为故障时间点，y轴为电压幅值。由图2可以看出，发电机定子绕组发生单相接地时相间电压是对称的，无法看出哪相发生接地故障，但通过查看发变组故障录波图可以看出，C相发生了持续近8个周波的短时接地故障，与出现3U0电压是同时的。但机组停机后，专业人员在实际测量定子绝缘电阻值时并没有发现其出现明显降低，因而怀疑故障是保护误动作所引起的。专业人员将查找范围扩大至主变压器低压封闭母线，当运行人员隔离主变压器高压开关后，再次测试主变压器低压引线绝缘电阻时，发现引线C相绝缘电阻非常低。通过对封闭母线全线段逐一排查，最终找出故障点在主变压器低压引线C相出口垂直段，原因为母线密封不严，长期雨水渗漏积水导致C相通过积水放电，从而引起短路接地。

图2 #1机组注入式定子接地保护动作波形

2.2 第2次保护动作过程

2010-09-07 T 17：53，#2机组满负荷运行。当排除#1机组定子接地故障恢复运行时，在操作#1机组主变压器空载合闸瞬间，监控显示#2机组电气事故停机，上传信号为“#2机组定子注入式接地保护动作”，专业人员第一判断为#2机组定子引出线也发生了积水接地故障。

第2次保护动作波形如图3所示，从此次保护装置动作报告可看出，注入式定子接地保护检测到定子接地电阻值为0.2 kΩ，比#1机组动作值还小。但报告同时显示，保护动作记录下的基波零序电压仅为1 V,为不平衡电压，而且注入20 Hz检测漏电流没有明显增大，为8.6 mA，只略大于保护出口闭锁值(8 mA)。进一步查看发变组故障录波图形时，没有发现电压波形畸变，也没录到机组3U0电压，说明发电机并没有真正发生接地故障。图3中记录的3U0n和3U0t不是工频电压，是近似于注入的20 Hz电压(Vin)，滤波后的工频电压仅1 V左右。鉴于#1机组的经验，在发电机开关断开状态下，检查运行主变压器保护低压侧引入基波零序电压值，显示电压值也很小，不存在单相接地故障。

图3 #2机组注入式定子接地动作波形

3 定子接地保护现场应用分析

从以上#1，#2机组注入式定子接地保护先后2次动作情况分析，显然第1次保护动作具有定子单相接地特征，第2次检测接地电阻达到整定值，但从有关录波数据和事后一次绝缘实测数据分析，确认为保护误动作。

3.1 电源回路故障闭锁整定

注入式定子接地保护实时检测定子绝缘情况，实时检测定子绝缘电阻，保护动作主判据选用接地电阻是合理的，也直观反映了定子运行时的实时绝缘状况，比采用发电机自身电气量判断定子接地具有优越性。在该保护动作中，定子接地电阻发信段动作值为5 kΩ,跳闸段电阻值为2 kΩ,比较符合水电机组实际。

外加电源工作的可靠性是该保护动作设计的关键。在该保护动作中，注入电源发生器和带通滤波器都选用进口元件，运行稳定性相对可靠，在跳闸出口判据中采用了低频电源异常闭锁保护的措施，即当外加低频注入电流Ig0<8 mA或Ug0<0.5 V时，闭锁定子接地保护出口。

低频注入电源在水轮机组正常运行时可以在线检测定子绝缘电阻和低频漏电流，而低频漏电流不大，为5～7 mA，其闭锁漏电流整定值也往往参考该值。但事实上，当定子系统真正发生接地故障时，其接地故障检测漏电流明显增大，成倍数增加，已发生过的接地故障和实际接地试验证实，其故障漏电流达到100 mA以上。就以上2次故障为例，第1次故障记录Ig0达到132 mA，第2次故障记录Ig0仅为8.6 mA，略微超过闭锁值。从经验得出，该闭锁值整定偏小，可根据电站实际适当提高低频漏电流闭锁值，以避免干扰等因素影响。

3.2 保护跳闸出口延时整定

比较2次保护动作录波图可发现，第1次机端和中性点3U0波形中仅含有基波零序电压，而第2次录制的3U0波形中并没有基波零序电压，而是近似于外加20 Hz的低频波，并在其波形上调制了高次谐波，这近似于20 Hz的低频波就是影响注入式定子接地电阻计算的主要原因。

分析第2次跳闸时的工况可知，当系统对#1机组主变压器空载充电时，在运行的#1机组将汲出大量励磁涌流，而涌流波形将随着不同的合闸角等因素随机变化。查阅以往的运行记录可知，这种操作属于正常方式，以往并没有发生过注入式定子接地保护误出口事件，说明这次故障仅是各种因素的巧合。

为了避免这种近似注入电源的低频波的影响，有些厂家建议在机组启机低频段退出注入式保护，但并没有提出解决类似空载合闸时低频波影响的办法。由于定子绕组单相接地允许机组在一定时间内继续运行，原本保护跳闸延时设定为0.1 s，可以通过延长注入式定子接地保护跳闸出口时间的方法，来避免空载合闸涌流对保护产生影响。

3.3 定子接地保护的配置

目前大中型发电机定子接地保护主要配置分为3种类型：基波零序过电压、三次谐波电压保护和外加低频注入式100%定子接地保护。阿萨汉一级水电站配置以上3种保护措施，但由于三次谐波电压保护在投运时厂方专业人员没到场，该套保护一直没有投运，为日后的故障分析带来不便。在发生以上2次注入式接地保护动作事件后，及时联系厂方人员进行了各种工况下的三次谐波动作方程系数测试，机组已投入运行，与注入式接地保护构成了不同原理的双套定子接地保护。

基波零序过电压保护是一套原理简单、动作可靠的定子接地保护，由于同时采用了机端压变开口三角电压和中性点接地压变电压，出口逻辑可选用与门方式，动作可靠，保护范围可达定子绕组90%以上。

但从第1次故障现象可以看出，运行机组在主变压器低压绕组及引线上发生接地时，发电机定子接地保护可以反映出故障，当发电机保护动作跳开机组出口断路器后，接地故障点仍然存在，但发电机定子接地保护已不能反映故障状态，此时只能借助主变压器低压侧自身接地保护来反映故障。但由于设计单位的疏忽，尽管主变压器低压母线三相电压及开口电压引入主变压器保护装置，但没有专门设置接地保护。这样，当发电机出口断路器跳开前后，主变压器保护一直未能发出主变压器低压侧接地信号，给故障查找带来了极大不便。鉴于此，对主变压器低压侧接地保护也进行重新设置并投入运行，对整个主变压器低压侧接地保护进行了完善。

4 注入式定子接地保护探讨

随着大型发电机组的广泛应用，对发电机定子接地保护也提出了更高的要求，注入式接地保护成为大型机组接地保护主流保护。注入式接地保护由于其保护原理不受接地位置和机组运行工况影响，无保护死区，具有可在线监视定子绕组绝缘的缓慢变化等优点而被广泛接受。针对目前应用的各型注入式接地保护，本文就以下3个问题作一探讨。

4.1 定子接地保护跳闸判据宜引入接地安全电流

根据DL/T 684—2012《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》规定，当发电机定子绕组单相接地故障电流小于安全电流时，单相接地保护设置带时限动作于信号，允许发电机运行一段时间；当单相接地电流大于允许值时，保护应切换为动作于停机。

阿萨汉一级水电站定子接地动作主判据为测量接地电阻，由于该测量值受到系统运行方式、注入电源及外部干扰等因素的影响，致使第2次注入式接地保护误动作。实查此时安全电流极少，如果用安全电流值来闭锁保护出口，既增加了可靠性，也符合规程的有关规定。

比较大型发电厂常用的注入式定子接地保护，判断逻辑适合现场应用，如图4所示。

图4 注入式定子接地保护动作逻辑

4.2 定子机端电压宜采用三相四线

早期的发电机保护采用的机端引入电压多为三相四线制，即有N中性线。当机组运行时，保护装置采样值既显示单相电压值，也可查看相间电压值。当发电机发生单相接地时，接地相电压通常降低，非接地相电压升高，3U0出现不平衡电压，极易判断是哪相发生接地现象。

但目前有些微机型发电机保护装置不引N线，装置也就无法测量发电机单相电压。国内主要厂家接入方式统计见表1。

表1 国内主要厂家保护装置电压引入方式统计

由表1可知，不少厂家并不引入机端电压N线。但现场实际使用中发现，不引入机端电压N线对事故分析不利，因为不引入N线，保护装置采样值只能是相间电压，当发生定子接地或压变回路不正常时给运行分析带来不便。如阿萨汉一级电站，当2次定子接地保护动作时，保护动作报告只记录3U0值和相关保护动作值，调看保护装置动作波形图，并无定子单相电压记录，只录下相间电压。当发电机发生接地故障时，包括主变压器低压侧在内，不论哪相接地，发电机保护装置采样相间电压不会变化，尽管3U0值增大，但保护动作后无法区分哪相接地，为事故查找和分析带来不便。

按照大型发变组保护配置要求，单机100 MW及以上机组要配置发变组故障录波器，通过故障录波器来分析故障可以弥补不引入机端电压N线的不足，但对一些不配故障录波装置的中小型机组来说，分析难度仍然很大。

4.3 注入式接地保护的频率闭锁问题

大部分保护装置厂家在其装置说明中都认为无需考虑注入式接地保护的频率闭锁问题，理由是发电机绝大部分时间的运行频率不会低于注入电源频率(通常为20 Hz)。在实际运行中，发电机虽然在启、停机阶段运行时间不长，但发电机在低频段产生的低频磁场对注入低频信号源产生了影响，其影响需通过现场实测来观察，决定是否投入频率闭锁。但如阿萨汉一级电站遇到的情况，在变压器空投时产生的包括低频在内的各种谐波对注入源的影响，同样也应引起保护厂家设计人员的重视。

若在图4所示的注入式接地保护逻辑中增加频率闭锁投入控制选项，可极大地方便现场保护整定和运行人员的选择。

5 结束语

定子接地保护是发电机系统中最重要的组成部分之一。随着大型发电机组的大量投入运行，单机容量增加，机组造价提高，机组容量占电网总容量的比重加大，一旦机组发生接地损坏事故，将对国民经济造成巨大损失。发电机内部发生单相接地故障，接地点流过的电流是发电机本身及其引出回路对地电容总电流，当该电流超过发电机允许值时，会烧伤定子铁芯，进而损坏定子绕组绝缘，引起匝间或相间短路，扩大事故范围。而由于注入式定子接地保护灵敏度高，能100%反映定子接地故障，受定子绕组对地电容影响小，能全天候反映定子绕组绝缘水平，成为大中型发电机组所必配的保护装置，在定子接地事故中发挥了重要作用。

参考文献：

[1]GB/T 14285—1993 继电保护和安全自动装置技术规程[S].

[2]DL 478—1992 静态继电保护及安全自动装置通用技术条件[S].

[3]GB 50171—1992 电气装置安装工程盘、柜及二次回路结线施工及验收规范[S].