大型发电机零序过电压定子接地保护的改进

赵健，陈浩，贺琰

(扬州供电公司，江苏省扬州市 225009)

Improvement on Stator Ground Fault Protection based on the Zero-sequence Overvoltage

for Large Generator

ZHAO Jian，CHEN Hao，HE Yan

Yangzhou Power Supply Bureau，Yangzhou 225009

ABSTRACT: The traditional ground fault protection based on the zero-sequence voltage has the disadvantage of large dead zone and long time to delay, which is difficult to meet the requirements of sensitive and fast trip for the large generator. The zero-sequence voltage is proportional to the ground fault currents, the inverse time overvoltage ground fault protection is presented and setting principle is given in this paper. It improves the speed of protection when serious faults happened in the stators. By using zero-sequence voltage of high voltage side block criterion, the setting value of zero sequence voltage is decreased, which to some extent minish the dead zone of protection.。

KEY WORD: stator ground fault； inverse time； zero-sequence voltage blocked

摘要：现行零序过电压定子接地保护死区大，动作延时长，难以满足大型机组灵敏、快速跳闸的要求。定子接地时零序电压与接地电流成正比关系，本文提出了反时限零序过电压定子接地保护并给出了整定原则，提高了定子区内严重故障时保护动作的快速性。引入高压侧零序电压闭锁判据，降低了零序电压的动作整定值，一定程度上减小了保护的动作死区。

关键词：定子接地；反时限；零序电压闭锁

动作， 3U0保护整定定值高且动作延时长[3]，对发电机的安全十分不利。江苏某电厂就曾因定子单相接地而3U0保护动作延时较长导致定子铁芯烧损的事故。

本文在传统3U0保护原理的基础上，引入反时限延时及闭锁判据，试图在不失选择性的前提下，提高3U0保护的快速性和灵敏性。

1 传统3U0保护的不足

通常3U0保护用于发电机变压器组，通过发电机的基波零序电压大小来反映发电机定子接地情况，保护逻辑如图1所示，其中3U0为发电机的零序电压。

3U0>t跳闸

图1 3U0保护逻辑

Fig.1 3U0 Protection Logic Diagram

由于变压器高低绕组之间耦合电容的存在，当变压器高压侧发生接地故障时，在发电机侧会产生零序电压。为了防止主变高压侧发生接地故障时3U0保护误动作，《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》特别强调应从动作电压整定值及延时两方面与系统接地保护配合[4]。这样保护整定与实际运行存在以下矛盾：

1) 通常高压侧耦合至机端的零序电压要远大于正常运行时的不平衡零序电压，因此零序电压整定值须与耦合零序电压配合，往往高达10V以上，意味着保护至少有10%的死区[5]。

2) 动作时限与线路侧接地后备保护配合，往往

0 引言

近年来，发电机定子绕组单相接地故障时有发生[1][2]。定子绕组单相接地时流过故障点的电流产生电弧可能烧坏定子铁心，如果扩大为匝间短路或相间短路，发电机将遭受更为严重的破坏，因此配置灵敏、快速的定子接地保护至关重要。

目前国内应用最为广泛的是基波零序过电压(以下称“3U0保护”)和三次谐波电压构成的100%定子接地保护。为防止发电机定子区外接地故障误

长达3s，更有5~6s之久。当发电机机端附近发生定子单相接地时，接地电流远大于发电机接地安全电流，此时保护若能快速动作，对保护发电机的安全十分有利，而实际上3U0保护要延时几秒后才能出口动作。

基于上述原因，在实际运行中也出现了尴尬的局面，某些电厂发电机发生单相接地故障时，定子接地保护虽然启动，但动作出口的却是其他保护，定子接地保护不能及时动作[6]。

2 零序电压与定子接地电流的关系

一般情况下大型汽轮发电机中性点经配电变压器电阻Rn接地，当发电机定子绕组经电阻Rg单相接地时，等效电路如图2所示，其中α为接地处距中性点的距离百分数（全绕组为100%），EA为发电机A相电动势。

U0.EACfIrRnCwIgRgCf ：发电机对地电容 Cw：发电机外部对地电容之和图2 发电机定子单相接地等效电路图

Fig.2 Equivalent Circuit Diagram of Generator Stator

Ground Fault

由基尔霍夫电流定律，

IgIrIc0 (1)

Ic为流入对地电容电流之和。

IU0gRjC(EAEBEC3U0) (2)

n其中CCfCw。

IU0gRj3CU0 (3)

n因此接地电流幅值为

IgU10R292C2 (4) n对于某一台发电机，中性点接地电阻和发电机对地电容之和是固定的，因此式(4)表明当发电机发生单相定子接地时零序电压与接地电流成正比关系。

发电机定子单相接地时，铁心的烧损程度与流过故障点的电流平方成正比[7]，接地电流的大小直接反应了故障的严重性。尽管在实际中无法测得故障点的接地电流，但是可以获得零序电压，因此根据零序电压的大小，同样可以推测故障的严重程度。

3 3U0保护的改进

3.1 反时限3U0保护

从上文分析知道，定子发生单相接地故障时，发电机零序电压与接地电流成正比关系，零序电压的大小同样反映了故障的严重性。借助“反时限”的思想，3U0保护动作速度随着零序电压的大小而改变，零序电压越大，跳闸延时越短。这样当发生机端附近发生严重定子接地故障时，保护快速跳闸，

而当靠近发电机中性点或高阻接地时，适当长延时跳闸。

ttmax反时限曲线tminUocU0maxU0

图3 零序过电压反时限曲线

Fig.3 Inverse-time Zero-sequence Over-voltage Curve

3U0保护反时限曲线如图3所示，动作启动电压为Uoc，对应动作延时为时间上限tmax，当机端发生定子单相金属性接地时，零序电压最大为U0max（二次值一般为100V）

，此时动作延时对应时间下限tmin。以上参数按以下原则整定：

1) Uoc按躲过高压侧单相接地最大耦合零序

电压U0Cmax整定，UocKrelU0Cmax，Krel为可靠系数。

2) tmax按躲过高压侧接地后备时间整定。 3) tmin按躲过高压侧快速保护整定，可取0.3s； 3.2 主变高压侧零序电压闭锁

为了提高区外接地故障时3U0保护的可靠性，引入主变高压侧零序电压U0g闭锁条件，当高压侧零序电压大于U0g时，认为是高压侧接地故障，闭锁零序过电压保护。反之，开放零序过电压保护。高压侧零序电压闭锁值按照高压侧单相接地时能够可靠闭锁原则整定，U0gU0hK，U0h为主变高压sen侧接地时的零序电压，Ksen为灵敏系数，可取1.5~2。

采用高压侧零序电压闭锁式3U0保护，区外接地故障时闭锁3U0保护，因此发电机零序电压动作值可不考虑高压侧接地时耦合电压的影响，只需躲过正常运行时最大不平衡零序电压U[8]0unbmax， 即UopKrelU0unbmax。

而动作延时按躲过高压侧接地后备时间整定，与反时限上限时间tmax一致。因此采用高压侧零序闭锁后反时限3U0保护动作特性如图4。

ttmax反时限tminUopUocU0maxU0

图4 改进后3U0保护动作特性

Fig.4 The Improved 3U0 Protection Operation

Characteristics

3.3 改进后3U0保护逻辑与动作特性分析

UopU0U0c&tmax≥跳闸U0g&U0U0c图5 改进后3U0保护逻辑

Fig.5 The Improved 3U0 Protection Logic Diagram

改进后3U0保护逻辑如图5所示，保护由一定时限和一反时限构成。假设主变高压侧发生单相接地，高压侧耦合到发电机侧的零序电压为U0gc，由于Uoc按照躲过最大耦合零序电压整定，因此有

U0gc配合和高压侧零序电压闭锁双重保证零序过电压定子接地保护不会失去选择性。

当靠近定子中性点或区内发生高阻单相接地故障时，发电机零序电压U0较小。若Uop于动作死区，因此尽管采用高压侧零序电压闭锁降低了零序电压的动作门槛，但是动作死区仍然存在。

4 结论

1) 现行3U0保护原理简单，应用广泛，但保护死区大，动作延时长，难以满足大型机组较大接地电流时快速跳闸的要求。

2) 定子接地零序电压与接地电流成正比关系，本文提出了反时限零序过电压定子接地保护，当零序电压较小时，经过上限延时跳闸，能够满足与高

压侧接地后备延时的配合；当机端发生单相接地故障时，零序电压较大，保护延时变短，满足了快速跳闸的要求。

3) 改进后3U0保护引入了高压侧零序电压闭

锁判据，降低了零序电压的动作门槛，但动作死区依然存在，仍须与三次谐波电压一起构成100%定子接地保护。

参考文献

[1] 王翔，张成，沈全荣．一次典型的定子接地故障分析与优化保护原理．电

力系统自动化，2006，30(11)：52-55．

WANG Xiang，ZHANG Cheng，SHEN Quanrong．Typical Analysis of Stator Ground Fault and Principle of Optimal Protection．Automation of Electric Power System，2006，30(11)：52-55．

[2] 刘金涛，毕大强，齐军等．由两次区外故障谈定子接地保护定值的校

核．继电器，2005，23(21)：18-21．

LIU Jintao，BI Daqiang，JI Jun，etal．Discussion about Settings Checking of Ground Fault Protection from Two External Ground Faults．RELAYS，2005， 23(21)：18-21．

[3] 杨文超，张立港，李红军．大型发电机组定子接地保护3U0定值整定

的探讨．继电器，2007，35(4)：18-21．

YANG Wenchao，ZHANG Ligang，LI Hongjun．Discussion about Stator Grounded Protection 3U0 Setting in Large Power Plant．RELAYS，2007， 35(4)：18-21．

[4] 大型发电机变压器继电保护整定计算导则[S]．DL/T 684-1999． Guide of Calculating Settings of Relay Protection for Large Generator．DL/T 684-1999．

[5] 李玉海，张小庆，徐敏．关于定子接地保护的几个问题．电力系统自

动化，1999，23(11)：50-54．

LI Yuhai，ZHANG Xiaoqing，XU Ming．Study on Stator Earth Fault Protection．Automation of Electric Power System，1999，23(11)：50-54．

[6] 高春如，沈俭，吴政华等．大型发电机定子绕组单相接地保护方式的

商榷．电力系统自动化，2006，30(20)：88-92．

GAO Chunru，SHEN Jian，WU Zhenghua，etal．Discussion on Single Phase Grounding

Fault

Protection

Mode

of

Large-scale

Generator

Stator

Winding．Automation of Electric Power System，2006，30(20)：88-92．

[7] 毕大强，王祥珩，王维俭．大型水轮发电机中性点接地方式的若干问

题分析．电工技术学报，2002，17(4)：7-12．

BI Daqiang，WANG Xiangheng，WANG Weijian．Study on How to Ground for the Neutral Point of Large-Sized Hydro-Generator．Transactions of China Electro technical Society，2002，17(4)：7-12．

[8] 王维俭．电气主设备继电保护原理与应用．北京：中国电力出版社，

2002．

WANG Weijian．Generator and Transformer Relaying Protection

Application．Beijing：China Electric Power Press，2002．

作者简介：

赵 健（1982-），男，学士，助理工程师，主要从事电网规划工作， 陈 浩（1975-），男，工程硕士，工程师，主要从事电网规划工作， 贺 琰（1976-），男，助理工程师，主要从事电网规划与计划工作。