定子绕组单相接地保护

1定子绕组单相接地保护（一）概述定子绕组单相接地（定子绕组与铁芯间的绝缘破坏）是发电机最常见的一种故障。由于大中型发电机中性点不接地或经高阻接地，定子单相接地并不产生大的故障电流。所以定子绕组单相接地通常只发信号而不跳闸，故障机组经转移负荷后平稳停机。同时也应指出：发电机单相接地故障往往是相间或匝间短路的先兆。因此对于大型发电机组，在定子单相接地保护动作发信号后应立即通知系统调度部门，瞬间减少故障机组负荷，尽快实现停机检修。2（二）发电机接地电流允许值发电机单机容量的增大，一般使三相定子绕组对地电容增加，相应的接地电流也增大。如不采取措施（如增设消弧线圈），单相接地故障将危及定子铁芯，而近代大型汽轮机组采用复杂的辐相和轴向冷却通道，其定子铁芯是在几兆牛压力下锻压成的单一整体。因此定子铁芯的检修比较困难，停机时间比较长，造成相当大的直接和间接经济损失。因此必须对大型发电机的顶子单相接地电流制定一个合理的安全允许值。为确保大型发电机的安全，不使单相接地故障发展成相间或匝间短路，应使单相接地故障处产生电弧或使接地电弧瞬间熄灭。这个不产生电弧的最大接地电流被定义为发单相接地的安全电流。其值与发电机的额定电压有关。3当单相接地电流小于上述安全短路电流时，定子接地保护动作后只发信号而不跳闸，但应及时处理，转移负荷，平稳停机，以免再发生另一点接地故障而烧毁发电机。我国曾有过单相接地电流小于2A，调相机继续长时间运行，以至最终发展为相间短路的严重教训。发电机额定电压（KV）单相接地电流允许值（A）发电机额定电压（KV）单相接地电流允许值（A）6.3及以下413.8~15.752*10.5318及以上1表1发电机接地电流允许值*对氢冷发电机可取为2.5A4（三）大中型发电机定子接地保护的基本要求国内外运行经验证明，由于机械原因或水内冷机组的定子漏水，单相接地故障有可能首先在中性点附近发生（几率较小），也可能故障初始是由位于中性点附近的定子多匝线圈中发生部分匝间短路。由于短路匝数少，横差保护不能反应，故障继续发展，最终中性点附近绕组的绕组对铁芯击穿，形成单相接地故障。如果定子接地保护在中性点附近存在死区，则故障将进一步蔓延为相间或层间短路，使机组严重损坏。因此应强调大中型发电机装设无死区（100%保护区）定子接地保护的必要性。对于10万kW及以上的发电机组，除此以外，还要求在定子绕组任一点经过渡电阻接地时，保护能灵敏动作。这是考虑到当中性点附近首先经过渡电阻接地时，若保护灵敏度不够而未能动作，随之在机端附近再发生第二点接地，中性点电位升高，第一个5接地点的接地电流增大而过渡电阻减小，结果发生相间或匝间的严重短路。综上所述，大中型发电机中性点接地方式和定子接地保护应满足三个基本要求，即：接地故障点电流不应超过安全电流，确保定子铁芯安全。保护动作区覆盖整个定子绕组。保护区内任一点接地故障应有足够高的灵敏度（即经一定过渡电阻接地仍能动作）。暂态过电压数值较小，不威胁发电机的安全运行。在以上三个要求下，定子接地保护最好能判定接地故障位于机内或机外，但实现这一点要求是比较困难的。6（四）发电机定子绕组单相接地的特点现代的发电机，其中性点都是不接地或经消弧线圈接地的。因此，当发电机内部单相接地时，流经接地点的电流仍为发电机所在电压网络（即与发电机有直接电联系的各元件）对地电容电流之总和，而不同之处在于故障点的零序电压将随发电机内部接地点的位置而改变。dD0eC0eC0lC0lC0TACBA0dU0TA(a)(b)图15发电机内部单相接地时的电流分布(a)三相网络接线；(b)零序等效网络7如图15(a)所示，假设A相接地发生在定子绕组距中性点处，表示由中性点到故障点的绕组占全部绕组匝数的百分数，则故障点各相电势为、和，而各相对地电压分别为：（2-4-1）因此，故障点的零序电压为：（2-4-2）上式表明，故障点的零序电压将随着故障点位置的不同而改变。由此可作出发电机内部单相接地的零序等效网络，如图15(b)所示。图中为发电机每相的对地电容，为发电机以外电压网络每相对地的AEBECE0ADBABDCACDUUEEUEE0()1()3AdaADBDCDUUUUE0eC0lC8等效电容。由此即可求出发电机的零序电容电流和网络的零序电容电流分别为：（2-4-3）则故障点总的接地电流即为：（2-4-4）其有效值为，式中为发电机的相电势，一般在计算时，常用发电机网络的平均额定相电压来代替，即表示为。流经故障点的接地电流也与成正比，因此当故障点位于发电机出线端子附近时，，接地电流为最大，其值为。当发电机内部单相接地时，流经发电机零序电流互感器一次侧的零序电流，如图15(b)所示，为发00()0000()00333333eAdaeelAdallIjCUjCEIjCUjCE()003daAeeIjCCE003eeCCE003eeCCUU1003eeCCU0TAE9电机以外电压网络的对地电容电流，而当发电机外部单相接地时，如图16所示，流过的零序电流为发电机本身的对地电容电流。当发电机内部单相接地时，实际上无法直接获得故障点的零序电压，而只能借助于机端的电压互感器来进行测量。由图15可见，当忽略各相电流在发电机内阻抗上的压降时，机端各相的对地电压分别为：（2-4-5）0TA0eC0lC图16发电机外部单相接地的零序等效网络(1)AADBABDCACDUEUEEUEE03eCU0TA0()daU10其向量关系如图17所示。由此可求出机端的零序电压为：（2-4-6）其值和故障点的零序电压相等。AEADUDCEBEOCDU0dUAEBDU图17发电机内部单相接地时，机端的电压向量图00()1()3dADBDCDAdaUUUUEU11（五）利用零序电压构成的定子保护一般大、中型发电机在电力系统中大都采用发电机—变压器组的接线方式。在这种情况下，发电机电压电压网络中，只有发电机本身、连接发电机与变压器的电缆以及变压器的对地电容（分别以、、表示）其分布图可用图18来说明。当发电机单相接地后，接地电容电流一般小于允许值。对于大容量的发-变组，若接地后的电容电流大于允许值，则可在发电机电压网络中装设消弧线圈予以补偿。TEX0tC0xC0eC~图18发电机-变压器组接线中，发电机电压系统的对地电容分布0tC0xC0eC12由于上述三项电容电流的数值基本上不受系统运行方式变化的影响，因此，装设消弧线圈后，可以把接地电流补偿到很小的数值。在上述两种情况下，均可以装设作用于信号的接地保护。发电机内部单相接地的信号装置，一般是反应于零序电压而动作，其原理接线如图19所示，过电压继电器连接于发电机电压互感器二次侧接成开口三角的输出电压上。由于在正常运行时，发电机相电压中含有三次谐波。因此，在机端电压互感器接成开口三角的一侧也有三次谐波电TEX~图19发电机-变压器组单相接地的信号装置接线图0U3U过滤器Vt信号13压输出。此外，当变压器高压侧发生接地故障时，由于变压器高、低压绕组之间有电容存在，因此，在发电机端也会产生零序电压。为了保证动作的选择性，保护装置的整定值应躲开正常运行时的不平衡电压（包括三次谐波电压），以及变压器高压侧接地时在发电机端所产生的零序电压。根据运行经验，继电器的启动电压一般整定为15~30V左右。按以上条件的整定保护，由于整定值较高，因此当中性点附近发生接地时，保护装置不能动作，因而出现死区，可采取如下措施来降低启动电压。如图19所示，加装三次谐波滤过器。对于高压侧中性点直接接地的电网，利用保护装置的延时来躲开高压侧的接地故障。在高压侧中性点非直接接地电网中，利用高压侧的零序电压将发电机接地保护闭锁或利用其对保护制动。14采取以上措施以后，零序电压保护范围虽然有所提高，但在中性点附近接地时仍然有一定的死区。由此可见，利用零序电流和零序电压构成的接地保护，对定子绕组都不能达到100%的保护范围。对于大容量的机组而言，由于振动较大而产生的机械损伤或发生漏水（指水内冷的发电机）等原因，都可能使靠近中性点附近的绕组发生接地故障。如果这种故障不能及时发现，则一种可能是进一步发展成匝间短路或相间短路；另一种可能是如果又在其它地点发生接地，则形成两点接地短路。这两种结果都会造成发电机的严重损坏。因此，对大型发电机组，特别是定子绕组用水内冷的机组，应装设能反应100%定子绕组的接地保护。目前，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，如上所述，它能保护定子绕组的85%以上；第二种保护则用来消除零序电15压不能保护的死区。为提高可靠性，两部分的保护区应相互重叠。构成第二部分保护的方案主要有：发电机中性点加固定的工频偏移电压，其值为额定相电压的10%~15%。当发电机定子绕组接地时，利用此偏移电压来加大故障点的电流（其值限制在10~25A左右），接地保护即反应于这个电流而动作，使发电机跳闸。附加直流或低频（20Hz或25Hz）电源，通过发电机端的电压互感器将其电流注入发电机定子绕组，当定子绕组发生接地时，保护装置将反应于此注入电流的增大而动作。利用发电机固有的三次谐波电动势，以发电机中性点侧和机端侧三次谐波电压比值的变化，或比值和方向的变化，来作为保护动作的判据。16（六）利用三次谐波电压构成的100%定子接地保护1、发电机三次谐波电势的分布特点由于发电机气隙磁通密度的非正弦分布和铁磁饱和的影响，在定子绕组中感应的电势除基波分量外，还含有高次谐波分量。其中三次谐波电势虽然在线电势中可以将它消除，但在相电势中依然存在。因此，每台发电机总有约百分之几的三次谐波电势，设以表示。如果把发电机的对地电容等效地看作集中在发电机的中性点N和机端S，每端为，并将发电机端引出线、升压变压器、厂用变压器以及电压互感器等设备的每相对地电容也等效地放在机端，则正常运行情况下的等效3NU3SU02eC02eC0SC03INS3E图20发电机三次谐波电势和对地电容的等值电路图3E012eC0SC17网络如图20所示。由此即可求出中性点及机端的三次谐波电压分别为：（2-6-1）此时，机端三次谐波电压与中性点三次谐波电压比为:（2-6-2）由上式可见，在正常运行时，发电机中性点侧的三次谐波电压总是大于发电机机端的三次谐波电压。极限情况是，当发电机出线端开路（即）时，当发电机中性点经消弧线圈接地时，其等值电路如图213NU3SU02eC02eC0SC03INS3E图21发电机接有消弧线圈时，三次谐波电势和对地电容的等值电路图0033000330022()2()eSNeSeSeSCCUECCCUECC3030012SeNeSUCUCC3SU00SC33SNUU3NU3L18所示，假设基波电容电流得到完全补偿，则：（2-6-3）此时发电机中性点侧对三次谐波的等值电抗为：（2-6-4）将式（2-6-3）代入整理后可得：（2-6-5）发电机机端对三次谐波的等值电抗为：（2-6-6）因此，发电机机端三次谐步电压和中性点三次谐波电压之比为：（2-6-7）上式表明，接入消弧线圈后，中性点的三次谐波0013()eSLCC0303(3)(2/3)3(3)(2/3)eNeLCXjLC3006(72)NeSXjCC30023(2)SeSXjCC33003300729(2)SSeSNNeSUXCCUXCC19电压在正常运行时比机端三次谐波电压更大。在发电机出线端开路时，，则：（2-6-8）在正常运行情况下，尽管发电机的三次谐波电势随着发电机的结构及运行状况而改变，但是其机端三次谐波电压与中性点三次谐波电压的比值总是符合以上关系的。当发电机定子绕组发生金属性单相接地时，设接地发