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发电机定子接地保护误动作的消除

郝娟蓉，张芜

中国石油宁夏石化公司  宁夏回族自治区银川市    750026

摘要：自备发电机定子接地保护频繁误动作，通过理论结合实际，消除故障，取得成功。

关键词：发电机  单相接地保护   误动作   解决问题  

引言

宁夏石化公司对生产连续性的要求非常高,为了确保长周期运行，公司内部6kV系统配有两台自备发电机，其中25MW发电机继电保护装置由德国西门子的三块数字式继电器组成，该套保护装置在多次事故中准确动作，起到了保护发电机和汽轮机的作用，是值得信赖的先进设备。但有一个问题从2000年发电机投用至今一直困扰着我们，那就是在6kV系统发生单相接地时，7UM512单元中的定子接地保护频频发生误动作。仅2002、2003两年误动作就达到10次之多，具体情况见下表：

                            表一  近年来保护误动作情况统计

25MW发电机零序电流互感器变比60A/1A，电压互感器变比为：6000V/100/V/100/3V。发电机定子接地保护的原始定值为：零序电压：10V，零序电流：30mA，方向角：225°，延时0.3s。在发生误动作后，我们曾根据最原始的试验记录，并征得厂家同意后将方向角改为45°，保护仍然发生误动作；后厂家进行技术服务时，用模拟的方法试验给出的方向角为135°，此后保护仍然发生误动作。

发电机定子接地保护误动作会使发电机跳车，减少发电量，同时造成生产装置波动，给公司带来很大的损失。

一、分析存在的问题

发电机定子接地保护保护的是发电机本体，即当发电机的定子线圈及其引出线发生单相接地故障时，保护动作。在不但检测零序电压，而且检测零序电流的系统中，保护的动作区域为定子线圈到零序电流互感器安装处。除此之外的位置发生单相接地，保护均不应动作。参考保护装置说明书，我们选用的继电保护装置具有这个能力。

在分析保护发生误动作的原因时，我们首先想到的是：虽然保护装置具有区分区内、区外故障的能力，但性能不稳定，因而在区外故障时,保护发生误动作；第二个原因是保护装置完好，可能由于某种原因，虽然发生的是区外故障，但对保护装置而言，已经具备了动作条件。保护动作的逻辑图如下：

由上图我们可以知道，定子接地保护动作，必须同时具备零序电压、零序电流、电流方向角三要素。由于并网运行，系统发生单相接地时，系统中存在零序电压，而且发电机也要向故障点提供电容电流，但是数值很小，远小于保护定值；另外根据电流性质，其方向角应该落在保护的不动作区域内。因此分析的重点集中在了零序电压和零序电流的方向角β上。

二、理论分析

（一）6kV不接地系统的单相接地故障

中性点不接地系统在正常运行时，三相电压、电流均对称，对地的电容亦相等，因此三相电容电流的和为零；一旦发生单相接地故障，原有的平衡被打破，系统中出现了零序电压和零序电流。

所谓单相接地，以A相为例，相当于在原来的系统中出现了一个大小与A相相电压Ua相等，方向与Ua相反的电压，也就是零序电压，这样矢量叠加的结果是Ua为零，因此A相的零序电流也为零；系统的中性点发生偏移，中性点不再与大地等电位，中性点电压不再为零，而是等于系统的相电压，因此B、C相的相电压因叠加而升高倍，零序电流也升高倍，B、C两相的电容电流通过发电机中性点和接地点形成回路，形成单相接地时的接地电流。具体的相量图2所示：

从图2可以看出，6kV不接地系统单相接地故障时零序电流超前零序电压90°。 

（二）发电机系统的单相接地故障

发电机系统发生单相接地，有两种情况：发电机的定子线圈及引出线到零序电流互感器安装处单相接地，一般称为区内故障；而零序电流互感器以外电缆及6kV   系统其他部位发生接地称为区外故障。区分区内、区外故障的分界点就是零序电流互感器（ZCT）安装处。

1、发电机内部单相接地

如果在距离发电机中性点α（0<α<1）处的A相发生单相接地，与上面的分析类似，相当于在原有的基础上出现了一个方向与Ea相反，大小等于αEa的电压，剩余的（1-α）Ea（也就是下图中的u₀）产生的电容电流i₀₁与外电网的非故障相B、C产生的电容电流i₀₂都流经接地点，通过发电机的中性点，形成电流回路。不同的是 i₀₁不经过ZCT就回到了接地点，而i₀₂却必须通过ZCT才能形成回路，因此这时i₀  = i₀₂。因为外网的电容电流较大，因此这时ZCT检测到的零序电流i₀也较大。

C₁    ——发电机对地电容，对应i₀₁为单相接地时发电机电容电流

C_Σ  ——外电网总的对地电容，对应i₀₂为单相接地时外电网的电容电流之和

图3 发电机内部单相接地时零序等值网络图

2、发电机外部单相接地

如果在发电机的ZCT以外发生单相接地，发电机定子产生的电容电流i₀₁与外电网的非故障相B、C产生的电容电流i₀₂以相同方向经过接地点，通过发电机的中性点，形成电流回路；区别是i₀₂两次以不同的方向穿过ZCT，因而ZCT检测不到，因此这时i₀  = i₀₁，而i₀₁相对很小，几乎可以忽略，因此外网接地时ZCT检测到的零序电流值很小。

3、发电机定子接地保护的动作区域

很明显，发电机内部发生接地，定子接地保护应当迅速动作，使发电机出口开关跳闸；而发电机外部发生接地故障，保护应可靠不动作。

    如果规定零序电压对地方向为正，根据关联方向的规定，零序电流的正方向是由母线（即电源）指向线路（这里的线路包括发电机）。那么，从上面的分析可以看出，发电机内部接地时，零序电流的方向是由线路（包括发电机）指向母线，是反方向；而外网发生接地故障时，零序电流的方向是由母线指向发电机（线路），是正方向。显然，内部接地保护应当准确动作，外部接地保护应当可靠不动作，单凭零序电流的大小也是可以区分的。但为了提高保护动作的准确性，先进的发电机定子接地保护往往还检测零序电流与零序电压的相位关系。图5和图6 分别画出了发电机内部、外部接地时零序电流、电压回路相位之间的关系。

　　正常情况下由电容电流构成的零序电流超前零序电压90°，发电机内部单相接地时零序电流为反方向，也就是零序电流滞后零序电压90°，由此就可以定出保护的动作区域，如图7：

因此，在电流、电压接线正确的情况下要使保护动作，零序电压必须超前零序电流90°。

三、检查发电机的定子接地保护系统

为了彻底消除定子接地保护误动作，2004年4月我们利用停车检修的机会，做了以下工作：

1、确认电缆接地状况：用铜导线将原电缆头接地线辫与接地极直接相连，测试零序电流大小没有发生变化，说明电缆屏蔽层接地良好。

2、确认零序电流回路接地状况：在25MW发电机厂房附近找一个接地良好的接地极，用导电性能良好的导线（截面积不小于4mm²），接到零序保护的电流二次回路，观察零序电流的大小没有发生变化，说明零序电流二次回路接地良好。

3、零序电流互感器确认：将新互感器装上，在二次回路接入高精度电流表，对比新旧互感器所产生的零序电流的大小，结果证明旧的互感器精度没有问题。但是在停车阶段，25MW发电机的负荷在逐渐减小的过程中，我们发现零序电流随着负荷的减小发生变化，具体数据如下：

表二   零序电流与发电机负荷之间的关系

由此可以看出正常运行时发电机零序电流较大，主要是由不平衡负荷引起的。

4、零序电流、电压回路的检查：

(1) 检查发现电流回路二次线的极性、接线正确，但未按规程要求接地，我们在零序电流互感器的非极性端一点接地，接地电阻值为0.3 Ω。

(2) 检查发现电压互感器零序电压回路极性、接线正确，但存在两点接地现象，我们保留了电压互感器开口三角c尾处的接地点，取消了另一个接地点，测试接地电阻合格。

5、电缆试验：西门子的技术人员一直认为B相电缆可能存在问题，我们重点对其进行试验，并排除了电缆安装过程中存在的一些可能导致零序电流过大的因素，例如铁丝捆扎等；摇测电缆接地线对地绝缘良好，R60”/R15” =70000 MΩ/20MΩ，而且电缆屏蔽层按照规程要求两端接地，接地极对地电阻值为0.3Ω，符合要求。

6、确定保护动作范围：（注：所有试验均在电流、电压正极性情况下）

检查确认保护定值如下：零序电压：10V，零序电流：30mA，方向角：225°，延时改为0s。

(1) 在7UM512型保护装置零序电压端子上加15V交流电压，并将其相位角设定为0°；

(2) 在零序电流端子上加40mA交流电流；

(3) 改变输入电流的相位角，确定保护动作范围；

(4) 改变保护定值中电流方向的设定，确定其对保护动作的影响。

经过调试人员的反复试验，我们可以肯定保护装置动作准确、可靠，保护的动作区域为：电流方向角 + 90°～ 方向角-90°（逆时针方向），动作区域大约为180°，不动作区域也大概占180°。 同时还可以肯定：

(1)该保护装置不存在传统意义上的最大灵敏角，只要在动作区域，超过零序电流定值，保护均能可靠动作；

(2)不存在“最小动作值”，在动作区域内能使保护动作的电流基本相同。

7、发电机试验：测量了发电机定子直流电阻，结果如下：

Ra = 2.567mΩ     Rb = 2.626 mΩ       Rc = 2.589 mΩ

Rab = 5.179mΩ    Rbc = 5.150mΩ       Rac = 5.211mΩ

结论：从理论分析可以看出，如果将零序电压作为参考量，即零序电压的相位角为0°，那么保护的动作区应该是180°沿逆时针方向至360°。而以前的保护定值的电流方向角45°、225°和135°都是错误的，电流方向角应修改成270°。

既然我们可以肯定，现在的零序电流是由于发电机负荷不平衡引起的，考虑到发电机满负荷时零序电流约为40mA，30mA的零序电流定值显然不合适，需要修改，按1.5倍取60mA比较合适。

经查证，我国汽轮发电机的定子接地保护延时一般都取1到2秒，过于灵敏不利于生产，经过讨论我们决定定子接地保护动作延时取1.5秒。这样发电机定子接地保护定值修改为：

零序电流60mA，零序电压10V，电流方向角270°，动作延时：1.5s。

为了确保定值的正确性，我们对其灵敏性、可靠性进行计算，结果符合要求，2004年4月6日，我们修改了25MW发电机定子接地保护的定值。2004年4月至今，因施工等原因，曾数次造成我公司6kV系统单相接地，25MW发电机定子接地保护没有发生过误动作。

四、结束语

解决继电保护误动作问题，一定要从根本出发，同类型继电保护的动作原理基本上都是相同的，因此解决问题的关键就在于，首先要透彻理解保护动作原理和继电保护装置的动作特性，防止保护定值的“误整定”；其次是二次回路严格按照保护装置的要求及规程要求接线，防止出现“误接线”。