外加交流20Hz电源发电机定子单相接地保护说明文档.docx

外加交流20Hz电源发电机定子单相接地保护定子绕组的单相接地（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，由于发电机中性点不接地或经高阻抗接地，定子单相接地故障并不产生 很大的故障电流，所以定子绕组单相接地保护通常只发信号而不跳闸，故障机组 经转移负荷后平稳停机。同时发电机单相接地故障往往是相间或匝间短路的先 兆。定子绕组单相接地保护的可靠和灵敏动作可以大大降低更为严重的内部短路 故障发生的概率。如果定子单相接地故障电流不大，对发电机的定子铁芯的损伤 基本上可以避免，但如果定子单相接地故障时产生了较大的电流，那么严重时可 以灼伤定子铁芯，甚至可以造成难以修复的结局，因此定子绕组单相接地保护对 预防更为严重的内部短路故障和保护发电机少受损坏有着重要的意义。发电机定 子绕组单相接地保护也成为大型发电机保护系统中的一项重要的内容。近年对全 国大型发电机的故障进行统计发现，单相接地故障在发电机本体故障中占了很高 的比例。定子单相接地保护是发电机继电保护系统中的重要组成部分之一，它的正确 与灵敏动作将大幅降低发电机内部短路故障的发生几率。目前采用的定子接地保 护（双频式定子接地保护）存在一定的死区，且灵敏度不高，不适应大型发变组 对定子接地保护的要求。特别是在发电机停机状态，发电机处于定子单相接地无 保护状态。外加交流20Hz电源发电机定子单相接地保护灵敏度高，保护无动作 死区，接地电阻灵敏度能够达到10kQ且在发电机停机状态能起保护作用。外 加交流20Hz电源发电机定子单相接地保护与双频式定子接地保护构成发电机定 子单相接地保护的双套不同原理的保护，提高了发电机定子单相接地保护可靠性 及发电机安全运行的可靠性。1. 保护原理外加交流20Hz电源发电机定子单相接地保护是在发电机定子回路对地之间 外加一个交流20Hz电源，利用发电机正常运行时，整个三相定子回路对地是绝 缘的，20Hz电源几乎不产生电流，而发生定子单相接地故障时这种对地绝缘就 被破坏了，20Hz电源将产生电流使保护测量电阻减小，以此来区分正常运行和 接地故障。为了消除50Hz干扰电压的干扰，保护装置采用了与系统频率不同的 注入电源，这样就可简单地利用滤波器将干扰隔开。保护算法：通过提取10Hz频率的二次谐波分量的傅氏计算来实现的。这种 方法不仅20Hz分量能有效地提取出来，而且可滤除其它所有10Hz的倍频信号 （包括50Hz工频）干扰信号。由于发电机定子发生一点接地后，定子回路的阻抗 将会发生变化。保护装置测量到的动作电流相量是不等于正常电流相量的。为了 充分利用这种故障前后电流相量的差别，采用了导纳判据。计算公式：RK=n2X1/Re（I20/U20）（1）式中：n一中性点接地变压器的综合变比；U20保护装置测量到的20Hz电压； I20 保护装置测量到的20Hz电流。当接地故障电阻计算值低于电阻的高整定值时保护发信号告警，当接地故障 电阻计算值小于电阻的低整定值时保护动作于跳闸。导纳判据中接地故障过渡电 阻的计算值是单相接地保护执行的动作性质和监测绝缘水平的主要依据，准确地 计算是十分必要的。但现有运行的外加电源单相接地保护都没有考虑中性点接地 变压器的参数影响，本保护通过对导纳型判据进行修正，提高了故障电阻计算的 准确度，进一步提高检测的灵敏度。发电机图1外加20Hz电源单相接地保护原理图配电变压器Tn发电机中性点经配电变压器高阻接地(二次侧接电阻)时，外加20Hz电源 单相接地保护的接法如图1所示。过去分析外加电源型单相接地保护的等效电路 时，认为配电变压器的漏阻抗很小可以忽略不计，激磁阻抗很大认为开路。实际 上，配电变压器的激磁阻抗并非无穷大，漏抗也会产生压降，如图2是考虑配电 变压器参数的等效电路。Rg,U图2考虑配电变压器参数的T型等效电路R，X'是一次侧绕组漏阻抗；R，X是二次侧绕组漏阻抗；R、X'是激磁阻 抗：各1参数均为20Hz下折算2到二2次侧的值，其中漏阻雅r，= R = r /2，一 12 kX' = X = X ：2 ； R，X是配电变压器的短路阻抗。12k k k.二次侧计算的定子对地导纳为丫 = Uss折算到一次侧的接地过渡电阻值为Rg=气2rY其中：U = ks uU = I (R + jXp，* U - U - U ，21-kU - UI u2m R，+ jX 'mmI k * I -1 ， U k * I(R + jX )， Im2 I22ku为电压分压器变比，kI为电流互感器变比，nv为接地配电变压器变比。发电机外加20Hz电源定子接地保护的逻辑框图如图3图3外加20Hz电源单相接地保护逻辑框图当接地故障电阻计算值低于电阻的高整定值时保护发告警信号，当接地故障 电阻计算值低于电阻的低整定值时保护动作于跳闸。另外设有工频零序过流定子 接地保护作为外加交流20Hz电源发电机定子单相接地保护的补充。外加交流20Hz电源发电机定子单相接地保护通常仅在有限的频率范围内计 算的电阻才是有效的，其频率范围与所采用的滤波器有关。有效频率范围设为 f=47.5Hz52.5Hz，在发电机启、停过程中，只要频率超过这个范围就不计算电 阻值即将其闭锁，而靠接地工频零序过流保护动作。这是考虑发电机频率过低， 会干扰20Hz测量值。2. 定值整定2. 1接地电阻整定计算2. 1. 1动作值国内外对于单相接地后接地电流对发电机定子铁心造成的损害也持有不同 的意见。我国对于各容量机组的安全接地电流有明确的规定（机端电压18kV以上 不大于1A）。而有些国家由于电网容量储备较大，定子接地保护大多作为发电机 的主保护，一旦绝缘下降到规定值以内，便在短时间内切机，避免事故扩大造成 严重损失。建议接地电阻低定值整定按在距发电机中性点的20%以内发生一点接地， 接地故障点电流3I0不大于安全接地电流Is为原则。即：3I03R + 3RJI(- jXc 0)式中Un为发电机一次额定线电压，Rg为接地过渡电阻，Rn为中性点一次接地电阻值，X0为每相对地的容抗。接地电阻高定值整定：按照发电机绝缘的健康水平和定子冷却水的电导率， 同时考虑中性点变压器、机端电压互感器、升压变低压侧、高厂变高压侧、离相 封闭母线的绝缘水平。在保证正常运行情况下不误发信号的前提下取值越大越 好。2. 1. 2延时时间关于发电机注入信号构成的100%定子接地保护延时时间的选择并没有明确 的规定。由于原理上注入信号构成的100%定子接地保护不受系统接地故障的影 响，接地电阻低定值宜取0.5 2秒；接地电阻高定值宜取2-4秒 2. 2后备工频电流保护整定2. 2. 1动作值：在全偏移电压下，保护测量电流为：150 = r*。式中Rb为中性点接地 b I变压器的二次电阻，U 为配电变压器二次额定电压。一般取保护范围为发电机定子绕组的80%，则当偏移电压达到全偏移电压 的20%时，保护必须动作。因此，电流整定值也取20%，则整定值为：I _ 0.2 * U50 _ R *KnbI2. 2. 2延时时间：取下列两个条件的最小值，即接地变压器的过载持续运行时间与系统接地 保护的配合时间。2. 3启动电压整定1）实测20Hz电源及引线故障时的最大电压。2）配电变压器一次侧发生金属性接地故障时，保护装置测得的二次20Hz电 压值最小，在发生接地故障时，20Hz电压会大于上述最小值。实测配电变压器 一次侧发生金属性接地故障时的电压。为保证发电机发生金属性单相接地故障 时，保护可靠动作，取实测配电变压器一次侧发生金属性接地故障时的电压的 0.8 倍。启动电压按上述两个电压的最大电压整定。2. 4启动电流整定在一次侧绝缘正常时，保护装置测得的二次20Hz电流值最小，在发生接地 故障时，20H z电流会大于上述最小值，而20H z电源及引线故障时，电流会小 于上述最小值，因此启动电流按此最小电流整定。3. 定值清单定值名称整定范围备 注20Hz定子接地保护接地电阻高定值0.10k Q 50.00k Q接地电阻低定值0.10k Q 50.00k Q零序动作电流0.01InA10.00InAin为电流互感器二次额定电 流（1A或5A）启动电压0.05V20.00V启动电流0.01InA1.00InAin为电流互感器二次额定电 流（1A或5A）配电变压器变比1.00500.00电流互感器变比1.00500.00分压器变比1.0050.00漏电阻0.00 Q 99.00 Q漏电抗0.00 Q 99.00 Q激磁电阻0.01k Q 99.00k Q激磁电抗0.01k Q 99.00k Q高定值延时时间0.20s10.00s低定值延时时间0.20s10.00s零序电流延时时间0.20s10.00s以下为保护软压板高定值软压板/：投入乂：退出低定值软压板/：投入乂：退出零序过流软压板/：投入乂：退出4.工程应用4. 1外加交流20Hz电源发电机定子单相接地保护与双频式定子接地保护构成 发电机定子单相接地保护的双套不同的原理，提高发电机定子单相接地保护可靠 性及发电机安全运行的可靠性。4. 2外加交流20Hz电源发电机定子单相接地保护主要应用于经配电变压器接 地的大中型发电机组°20Hz电源装置采用德国由西门子公司生产的20Hz电源装 置和20Hz滤波器。20Hz电源装置型号为：7XT3110-1/CC, 20Hz滤波器，型号 为：7XT3200-0/CC。也可采用许继电公司自制的电源。采用何种电源在订货时 需要特别注明（两种电源的价格不一样）。4. 3保护装置输入电压是经过分压器的，分压器的输入电压不应取自保护屏， 应直接取自中性点接地电阻。如图1。4. 4电流互感器的选取20Hz定子一点接地保护包括反映50Hz基波电流的后备保护和反映20Hz测 量电阻的主保护，保护装置的测量电流输入回路是公用的。因此，中间变流器变 比的选择要两方面兼顾。对于中间电流互感器的变比选择原则：（1）在保护灵敏度及测量精度期望值 的要求下，首先要保证二次保护装置的测量精度；（2）在考虑接地故障时基波电 流的影响下，选取电流互感器的额定值，不使电流互感器饱和。4.5 中性点接地电阻值的选取：其电阻吸收功率大于或等于三相对地电容的无功伏安，为限值动态过电压不超过2.6倍额定相电压，接地电阻（一次值）Rn <g4. 6中性点接地变压器变比大小与定子单相接地保护灵敏度的相互配合根据20Hz注入电源电压的幅值一般为1 % 3 %发电机额定相电压值的要求 来校核中性点接地变压器的变比选择的是否合适。4. 7 20Hz电源装置的输入电源选取20Hz电源装置输入电源通常取自发电机机端的电压互感器和厂用电系统供 电，正常时使用前者。这样当发电机单相接地故障是，仍能可靠供给电源。而且 保护不会受到厂用电系统干扰的影响。另外，也可以保证在发电机停机时，不会有杂散电压施加在发电机上。在停机时电源可切换到由厂用电系统供电，进行接 地试验。缺点是增加了电压互感器的负载。20Hz电源装置输入电源也可选取直流电源，在停机时可通过汽轮机转速检 测器自动断开输入电源或用灭磁开关来进行控制。5. 保护性能测试5. 1技术条件a）接地电阻定值整定范围：0.10k Q50.00k Q，误差不超过±10%或0.10kQ；b）动作电流整定范围：0.01In10.00In，误差不超过±2.5%或土0.01In；c）动作延时整定范围：0.20s10.00s当延时时间在0.20s1.00s时，误差不超过土25ms；当延时时间大于1s时， 误差不超过土2.5% （对于过量保护施加1.2倍动作值进行测试，欠量保护施加0.8 倍动作值进行测试）。5. 2测试方法将定子接地保护的硬压板和软压板投入，其他所有保护的硬压板和软压板均 退出，接地高定值、低定值、零序过流分别测试。a）性能测试接线如图4：10端子为二次电流，U0端子为经过分压器后的二次电压，U a为测频电压。'接地电阻计算公式为：Y = U R = 2_s其中： U = k * U - U - U ， I = k * I -1 ， u = k * I（Rk + jx k），s u21 Im2 I2T J _ r （R + jX ），一 k U Uckk出、/左 咸奥.U 一 I KK， I u2， u为 电压分 压器变比，I 为电流L互）感器1 s 2 m Rm+jxm变比，Rk + jXK为配电变压器折算到二次侧的漏阻抗，R m + jx m为配电变压器折算到二次侧的激磁阻抗，nv为接地配电变压器变比。将高定值判据延时整定为最小，施加20Hz电流、电压70，U0,且电流、电 压值都大于其启动值，至保护出口指示灯亮，测量电阻应为高定值电阻整定值， 误差符合技术条件要求。将低定值判据延时整定为最小，施加20Hz电流、电压7 °，U °，且电流、电 压值都大于其启动值，至保护出口指示灯亮，测量电阻应为低定值电阻整定值， 误差符合技术条件要求。施加20Hz电流、电压7 °，U °，且电流、电压值任一项小于其启动值时，高 定值及低定值可靠不动作。施加47.5Hz-52.5Hz频率范围（大于47.5Hz，小于52.5Hz）的U /高定 值及低定值的电阻测量误差应符合技术条件要求。当频率在此范围之外时，高定 值及低定值不动作。零序电流判据延时整定为最小，施加50Hz电流7°，至保护出口指示灯亮， 所加电流应为零序电流动作整定值，误差符合技术条件要求。b）延时时间测试施加0.8倍动作电阻（20Hz）,用毫秒计（或微机测试仪的时间测试功 能）测延时，结果应符合技术条件要求（测电阻动作时间时，采用测量阻值从大 值降至0.8倍动作电阻的测试方法）。施加1.2倍零序动作电流（50Hz）,用毫秒计（或微机测试仪的时间测试功 能）测延时，结果应符合技术条件要求。6. 配电变压器的激磁阻抗及漏电抗的计算6. 1变压器的T形等效电路jX；jXU12图5变压器T形等效电路图变压器的T形等效电路是一个四端网络，故参数可以通过空载试验和短路试验 测出。Z广（R + 气）+ j（X i + X之）近似认为R1 = R2, X 1 = X 2短路试验与空载试验都是在变压器的低压侧作试验，计算的阻抗值为折算到 二次侧的值。6. 2利用短路试验及空载试验计算漏电抗及激磁阻抗a)短路时计算变压器的漏阻抗忽略变压器的激磁阻抗的影响。假设在20Hz的频率下实测变压器短路试验时的短路电流电压分别为1 ,叽K KUUZK (20) = , = RK + jXK (20)Kb)空载时计算变压器的激磁阻抗忽略变压器的漏阻抗的影响假设在20Hz的频率下实测变压器空载试验时的空载电流电压分别为10,U0m (20) m I m(20)1 06. 3利用配电变压器的铭牌值计算激磁阻抗及漏电抗6. 3. 1利用短路试验铭牌值计算变压器的漏阻抗6. 3. 2利用空载试验铭牌值计算变压器的激磁阻抗举例如下：树脂胶注干式接地变压器：型号：DDBC-50/20；额定容量：50KVA； 额定电压：20/0.865/0.173kV；额定电流：2.5/58/1.2A；负载损耗：727.9W(750C)； 阻抗电压：4.34%；空载损耗：328.1W；空载电流：1.62%。a)短路时计算变压器的漏阻抗忽略变压器的激磁阻抗的影响。Uk % =.(5)I * Z °nU Kn由式(5)可以推导出ZkU, * Uk % = 865 * 4.34% = 0 647 n I K.n58PK-12K727.9=0.216气2 - Rk2 = 0.6158*58XK上述数据是在频率为50Hz时计算的数值，折算到20Hz的数值如下Xk 函=0.4 Xk = 0.244所以在20Hz的频率下配电变压器的漏阻抗为Z * (20) = Rk + jX k (20) = 0.216 + j0.244(Q)b)空载时计算变压器的激磁阻抗忽略变压器的漏阻抗的影响8651.62%*58=921=371P. _328.14 58*1.62%*58*1.62%0X =.：Z 2 - R 2 = 842.9 mmm上述数据时在频率为50Hz时计算的数值，折算到20Hz的数值如下Xm (20)= 0.4 Xm= 337所以在20Hz的频率下配电变压器的漏阻抗为Zm (20)= R/jXm (20)= 3” +刀3冲注明：上述两种计算配电变压器漏阻抗和激磁阻抗参数的计算方法对接地电阻 计算的精度有所不同。配电变压器的铭牌数值容易得到，计算也较简单，因而 如果在要求准确度不是很高的场合下，可以直接用铭牌数值计算的参数整定。 但如果要求的精度较高，还应该用20Hz电压下实测的参数整定。