定子绕组单相接地保护ppt课件.ppt

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413.815.752*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：n接地故障点电流不应超过安全电流，确保定子铁芯安全。n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）。n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。dD0eC0eC0lC0lC0TAC B A0dU0TA(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AEBECE0ADBABDCACDUUEEUEE0( )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( )00333333eAdaeelAdallIjC UjCEIjC UjCE ( )003d aAeeIjCCE 003eeCCE003eeCCUU1003eeCCU0TAE9 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)AADBABDCACDUEUEEUEE03eCU0TA0 ( )daU10 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。AEADUDCEBEOCDU0dUAEBDU图17 发电机内部单相接地时，机端的电压向量图00( )1()3dADBDCDAdaUUUUEU11（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。TEX0tC0 xC0eC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 0tC0 xC0eC12 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1530V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。n如图19所示，加装三次谐波滤过器。n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。n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：n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1025A左右），接地保护即反应于这个电流而动作，使发电机跳闸。n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。n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3NU3SU02eC02eC0SC03INS3E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213NU3SU02eC02eC0SC03INS3E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()eSNeSeSeSCCUECCCUECC3030012SeNeSUCUCC3SU00SC 33SNUU3NU3L18 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 ()eSLCC0303 (3 )( 2/3)3 (3 )(2/3)eNeLCXjLC3006(72)NeSXjCC 30023 (2)SeSXjCC 33003300729(2)SSeSNNeSUXCCUXCC19 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，设接地发生在距中性点 处，其等值电路如图22所示。此 时不管发电机中性点 是否接有消弧线圈， 恒有：3NU3SU02eC0(1)2eC0SC3E图22 发电机内部单相接地时，三次谐波电势分布 的等值电路图3(1)E3NU3SU00SC 33/7/9SNUU33NUE20 则 （2-6-9） 、 随 而变化的关系 如图23所示。当 时，恒 有 。 因此，如果利用机端三次 谐波电压 作为动作量，而用中性点侧三次谐波电压作为制动量来构成接地保护，且当 时为保护的动作条件，则在正常运行时保护不可能动作，而当中性点附近发生接地时，则具有很高的灵敏性。利用这种原理构成的接地保护，可以反应定子绕组中性点侧约50%范围以内的接地故障。0 10 20403050 60 70 80 90 100%3E3E3SU3NU（中性点）（机端）图23 、 随 的变化曲线3SU3NU33(1)SUE33/(1)/SNUU 3SU3NU50%33SNUU3SU33SNUU212、反应三次谐波电压的比值 和基波零序电压构成 的100%定子接地保护执 行执 行TESU1L3C1TAL1C1U1R1RP2R2U2TAL5C6C4C2L2Cab1TVTM3U7C8C3R2RPcd0TVNU33NSUU图24 反应三次谐波电压的比值 和基波零序电压 的100%定子接地保护原理接线图33NSUU03U22 反应三次谐波电压比值和基波零序电压构成的100%定子接地保护的原理接线图如图24所示，用 和 分别表示从发电机端和中性点侧电压互感器二次侧所取出的交流电压以输入保护装置。 反应于三次谐波电压比值而动作的保护部分如下:由电抗互感器 、 的一次线圈分别与电容 、 组成三次谐波串联谐振回路，由电感 、 分别与电容 和 组成50周串联谐振回路。当有三次谐波电压输入时，在每个电抗互感器的原边回路中，由于三次谐波的感抗和容抗互相抵消只剩下回路电阻，因此，虽然 和 的输入电压很小，但也能产生较大的电流，因而在副边就有较大的电压输出。当有基波零序电压输入时，由于电抗互感器原边回路对它呈现很大的阻抗，而且在副边还接有对50周串联谐振的滤波回路，SUNU1U2U1C2C1L2L3C4C3SU3NU23 因此，虽有较大的基波零序电压输入时，在副边也只有很小的电压输出。这样，由 的二次输出电压正比于发电机端三次谐波电压 ， 的二次输出电压则正比于发电机中性点三次谐波电压 ，将这两个电压信号经过整流滤波后，用环流法接线进行幅值比较，则a、b 两点之间的电压即为： （2-6-10） 当 时，执行回路动作。调节电位器 便可改变保护的整定值。 反应于基波零序电压而动作的保护部分如下：由机端电压互感器接成开口三角侧取得的电压 ，通过中间变压器TM，经整流滤波后输出直流电压 ，然后接入执行回路。在此， 的大小与发电机接地时的1U3SU2U3NU33SNabUUU0abU1RPSUcdUcdU24 基波零序电压成正比，调节电位器 ，便可以改变基波零序电压的启动值。 如上所述，利用三次谐波电压构成的接地保护可以反应发电机绕组中 范围以内的单相接地故障，且当故障点越接近中性点时，保护的灵敏度越高；而利用基波零序电压构成的接地保护，则可以反应 以上范围的单相接地故障，且当故障点越接近于发电机出线端时，保护的灵敏度越高。因此，利用三次谐波电压比值和基波零序电压的组合，就构成了100%的定子绕组接地保护。2RP00500015253、提高三次谐波电压型定子接地保护的灵敏度 三次谐波电压型单相接地模拟式保护，为了确保在各种正常工况下都能可靠不误动，制动系数 不敢调得太小，因为动作量由于 和 随工况而改变，按某种工况调平衡的系数 值，工况一变，又失去平衡，动作量又出现较大值。 值采用保守的较大数值,必然降低保护的灵敏度。 考虑到发电机运行工况的改变以及系统振荡对 和 的影响是比较缓慢的，微机保护可以随时跟踪 的变化，不断修正动作判据，使保护在任何工况下均处于较理想的灵敏状态。该保护的动作判据为： （2-6-11） 式中： 跟踪计算时间间隔，可取23个工频周期 新的制动系数，考虑 前后的计算误差, 可取 0SU0NUPK0SU0NU00SNUU1( )() /()( )( )SSNNNccUtUttUttUtUtct1ct10.10 0.1526 按式（2-6-11）整定的微机保护，在300MW、20kV、 的汽轮发电机上做过中性点的接地故障试验，结果证明灵敏度大幅度提高（见表2）。 倘若定子绕组对地绝缘水平的下降是缓慢变化的,最终绝缘损坏形成单相接地故障的过程持续多个跟踪计算时间间隔 ，则可改用下述动作判据： （2-6-12）发电机工况空载 U=20kV222735轻载 P=10MW,Q=9Mvar243644重载 p=200MW,Q=85Mvar30435010.1510.1210.10表2 300MW汽轮发电机中性点接地故障保护试验 最大允许值fRk0.224/gCFphct2()PSNNUKP UU27 式中： ，随发电机的有功功率P改 变而改变； 制动系数， 。 应该认为：定子绝缘水平的下降是一个缓慢的量变过程，但是绝缘击穿发生单相接地故障却是一个快速的质变（突变）过程，因此作为三次谐波电压型微机保护的动作判据宜采用式（2-6-11）。 以三峡水电站发电机组 为例，当 = 、 、 时，最大过渡电阻 如图25 中的曲线所示。当 时 发电机中性点经 过渡电()()()PSNKPUPUP22100.083 0.167 0.25 0.333 0.417 0.5 0.583 0.667 0.75 0.833 0.9171246810max()Rk00( )图25 式（2-6-11）单相接地保护灵敏度10.1210.0610.04510.0450.060.1210.045maxR8k28 阻接地时，保护能动作，但在定子绕组中部，此保护方案的灵敏度（ ）仍达不到 。 在实际工作中，调整系数 非常困难，因为无法确定在哪种运行工况下调整 使 达可能的最小值，也就无法整定制动系数 的大小以保证正常运行中不误动。利用微机的强大记忆功能，可以随时测定 ，使 随运行工况自适应调整，不再像模拟式保护那样 经整定后固定不变，造成某些工况下 较大，必须选用较大的制动系数 结果降低了保护的灵敏度。 上述自适应式三次谐波电压单相接地微机保护之所以能取得较高灵敏度，是因为虽然发电机运行工况改变时 、 和 都有不同程度的变化，但微机保护随时随地改变调整系数 （即 ）， maxR8kPKPKPSNUKU()()SNccUttUttPKPKPSNUKUSUNUSNUU()()SNccUttUttPK29 使保护装置的动作量在正常运行条件下总是保持不大的数值，这样为防止误动所需的制动系数 就可以取较小的值，确保单相接地故障时有较高的灵敏度。 当发电机在改变正常运行方式（P、Q的调整）或系统发生振荡时， 、 和 的改变是比较缓慢的，而发生定子绕组单相接地故障时，这些三次谐波电压量将迅速改变,微机保护能方便地实现“自动跟踪”，达到发电机正常运行时保护可靠不误动，单相接地故障时保护灵敏动作。 SUNUSNUU130（七）外加电源方式的定子接地保护1、概述 以上讨论的定子接地保护都是利用发电机本身固有的工频和三次谐波电动势，在定子接地故障时所产生的相应频率的电流或电压作为保护的动作参量。本节将要讨论的定子接地保护，其共同特点是:为了得到100%的定子接地保护，根据发电机正常运行时整个三相定子回路对地是绝缘的，而发生单相接地故障时这种对地绝缘就被破坏，利用这个最直接的区分正常运行和接地故障的特征，在发电机定子回路与大地之间外加一个信号电源，在正常运行时，这个信号电源不（或很少）产生电流，只是在发生接地故障后，这个信号电源才产生相应频率的接地电流，使保护动作。31 根据这个概念，很容易引出有关外加电源方式的定子接地保护的几个共同问题：n这种保护方案不能只用于发电机中性点经低阻、消弧线圈、配电变压器高阻接地的场合（包括电压互感器的原边中性点接地在内）。因为所有这些情况下，发电机定子回路与大地之间有电的直接联系。但是上述这些情况几乎包括了所有发电机，因此在应用这种保护方案时必须有相应的措施。例如，对于外加交流的方案（图26），外加电源不从一次侧直接送入，而是由电压互感器的开口三角绕组接入零序电源，经过TV的传变再加到发电机定子回路去（此时发电机中性点不接地）；如果发电机中性点经消弧线圈接地，而且电压互感器TV的一次中性点，根据安全观点的测量的要求也必须直接接地，那么为了应用外加交流的接地保护方案，就必须在32 保护装置的设计上采取一些必要的措施（如图26所示）。下面分别介绍这些具有代表性的外加电源方式的定子接地保护。Z2K2K1Z1GTTVRBTAAU (20)UHzURA动作补偿图26 外加20Hz电源的定子接地保护原理图33n外加信号电源的频率一定不用工频,以便明确分清正常工作的工频电流和接地故障时的信号电流。同时也应避开三次谐波频率和二分之一次谐波频率，因为这些频率是发电机电压回路比较容易发生谐振过电压的。n定子绕组对地参数主要是电容，为减少在发电机正常运行时外加信号电源的电流，既有利于提高接地故障保护的灵敏度，又能减小外加电源的容量，外加信号电源的频率宜低不宜高，但也不能采用外加直流电源的方案，因为这种方案难以使一、二次侧在电气上严格隔离，以保证人身及二次设备安全。n这种保护方案的可靠性直接与外加电源的可靠性有关。为此，外加电源往往取自厂用电或机端电压互感器，这些电源在发电机单相接地故障时仍能保证可靠供给。34n从理论上看，这种方案的灵敏度可以非常高，只要相应提高外加电源的电压就可实现。实际上由于发电机单相接地电流不应过大、外加电源的电压和容量也有限、保护装置本身的安全和经济等。这种保护方案的灵敏度也是有限的。对于定子绕组采用水内冷方式的发电机，正常运行的绝缘电阻就不高，客观上对定子接地保护灵敏度的要求也不是很高。n从原理上看，外加电源方式定子接地保护反映定子绕组绝缘的均匀下降，因此它能对绝缘老化起到监督作用。利用发电机固有的基波或三次谐波电动势的定子接地保护却只能反映定子绝缘的局部恶化和破坏。因此绝缘的年久均匀老化较少影响基波或三次谐波电压定子接地保护的动作，它们的整定值受正常运行绝缘水平均匀下降的影响较小。352、外加20Hz交流电的定子接地保护 如图26所示，Z1、Z2是20Hz带通滤波器。接入TV的开口三角绕组的继电器K1是通常的基波零序电压型定子接地保护。 20Hz电源经Z1加于TV的开口三角绕组，经TV传到定子回路。正常运行时，发电机三相对地电容流有小量的20Hz零序电流，这个电流反映到中间电流互感器TAA的一次，最后经Z2滤波和U整流后成为继电器K2的不平衡动作电流，为了补偿这个电流，20Hz电源电压又经过电阻RA并整流得到一个反方向的补偿电流，调整RA使发电机正常运行时K2中的电流等于或近于零，保护不动作。n 既然是外加电源，这种保护方案易于实现大型发电机在停机状态或启、停过程中的定子接地保护。36 当发电机发生单相接地故障时，定子回路零序阻抗大大减小，20Hz的零序电流骤增，使K2的动作电流相应增大，此时右侧的反向补偿电流却不变，所以保护动作。 这一方案也可用于中性点经消弧线圈接地的发电机，但是灵敏度要差些。因为在正常运行时定子回路20Hz零序阻抗比没有消弧线圈时小。设发电机定子回路总电容电抗为 ，完全补偿时消弧线圈电感电抗的大小 与 相等，这是对工频而言的，对于20Hz，频率为工频的0.4，所以20Hz的零序阻抗为： （2-7-1） 即零序电抗下降到47.6%，从而正常运行时的K2不平衡动作电流要大一倍以上，反向补偿电流也必须相应地增大，这样在接地故障时灵敏度就低了。CxLxCx0.4 ( 2.5)11.00.4/0.4760.40.42.52.1CLCCCxxxxx 37接地保护装置同图(a)，但TNNR20I20I1TAASEFISEFUVD500/200VVFkRgCgCgCTGLNkRgCgCgCNR (a) 发电机中性点经接地变压器TN电阻接地(b) 发电机中性点经消弧线圈LN接地图27 外加20Hz电源的定子单相接地微机保护38 微机型20Hz定子接地保护原理图见图27，其中20Hz电源是由三相交流电源经整流、整形得方波交流电压，经隔离变压器T带通滤波器F，获得以20Hz为主的交流电源，再经分压器VD（500V/200V），最终有定子单相接地电压 ，进入接地保护装置。 20Hz交流电源同时通过发电机中性点接地变压器YN或消弧线圈LN送入发电机三相定子绕组对地的回路中，产生20Hz电流，经中间变流器1TAA得定子单相接地信号电流 。根据 和 经数字滤波后的大小可推算出单相接地故障电阻 的数值。SEFUkRSEFUSEFISEFI39数字滤波SEFUSEFI20U20IkR20U 中断20Hz电源失效信号20U20I/kS E FR /kS E FR /S E FI 40fHz&111&/S E F失效kTRkTR/S E F报警/S E F跳闸/S E故障跳闸矩阵返回时间中止跳闸信号/S E F中止并发信号/S E F中止图28 20Hz定子接地保护装置的逻辑框图40 图28是数字式20Hz定子接地保护装置的逻辑框图。由图27输出的 和 进入图28的保护装置中，首先经数字滤波得20Hz正弦交流信号 和 ,当频率在40Hz70Hz之间， ， 则利用 和 的大小，可计算单相接地故障过渡电阻值 。当 较大时（20500 ，可整定的二次阻值），保护动作于报警；当 较小时（10 300 ，二次值，可整定），保护动作于跳闸。如果单相接地故障过渡电阻很小，接地故障电流很大，则 不经数字滤波，直接由“ ”（阈值为20mA80mA，可整定）判定，动作于跳闸，不受频率条件限制。SEFUSEFI20U20I200.515UV20840ImAmA20U20IkRkRkRSEFISEFII 413、外加12.5Hz交流电源的定子接地保护 图29为发电机中性点经配电变电阻接地的本保护方案的原理示意图。发电机接地故障电流主要由 来控制，在 与地之间接入一注入分流电阻 和注入变压器T。该变压器两个原边绕组分别接到两组可控开关VT1和VT2，通过它们的交替导通接到辅助交流电源(UPS电源),交替导通频率为1/4系统频率，即12.5Hz,这样注入电压 的相位被周期地切换 。选通控制乘法器交流辅助电压（UPS）积分器比较发电机中性点GTNTMNRPRT1VT2VTYisXII图29 原理示意图TN发电机中性点接地变压器； 接地电阻； 注入分流电阻；VT1、VT2可控开关； T注入变压器；TM测量变压器NRPRNRNRPRiU18042 图30为一个完整的选通 信号期间内的注入电压 的 波形。在一个选通信号期间 AJ内，包括BC一个完整的 负向变化区间和FG一个完整的正向变化区间。AD、DE、EH、HJ各为工频的一个周期。保护测量仅在BC和FG期间进行，在此期间通过控制器将注入电压 送至保护内部的乘法器，若不考虑变换系数 （以下分析 、 类同），则Y信号的函数表达式为： （2-7-2）iUABCDEFHGJt图30 注入电压理想波形图iUiUuKiIsI1200223340iiUtTTtTYUTtTTtT43 且 （2-7-3） 式中： 工频角频率 工频周期 实测注入电压波形初相位 图31为注入等值电路。由 图可知，流过电阻 的电流由 两部分组成，即注入电流 和 寄生电流 。由注入电源 产生，在保护测量BC和FG期 间，由于注入电源 的相位仅 仅被切换 ，因此 可表示为 （2-7-4） isIILKxNRiUsUSRCKx 图31 注入等效电路 注入电压； 接地电阻； 接地变等值短路电抗； 等值“寄生”电压； 定子回路等值漏电阻； 测量变压器iUNRLKxsUSRK120cos()iiuuUUAt 0TuNRiIsIiUiU180iI12023iiiItTIITtT44 其中： （2-7-5） 为发电机运行时中性点上固有电流，它具有基波和谐波分量，且有任意的相位和一定的幅值。 可表示为（k为谐波次数）： （2-7-6） 因此，流过电阻 的总电流为： （2-7-7） 将X信号和Y信号相乘，然后将乘积在一个注入波期间内积分，且以式（2-7-2）和式（2-7-7）代入得： （2-7-8） 将式（2-7-2）式（2-7-6）代入式（2-7-8），利用定积分的换元法得：1201cos()iiiIIAt 01,2 ,3sin()0sskskkIAkttNRisXII44003122202()()()TTiisTTiiiiisTX Y d tUIId tUIId tUIId tsI45 （2-7-9） 由上述分析可知，GIX104型100%定子接地保护具有如下技术特点：n在一个注入波期间，由于注入电压 周期性地切换 ，使得 项变为零，但由于 和 的方向在同一时刻变化，积分项 不为零，因此，切 换注入信号相位和积分的原理可以把在接地故障时流过的注入电流 与可能流过电阻 的其它“寄生”电流 区分开来。n积分值与注入电源消耗在电阻 和定子绕组漏电阻 上的能量之和成正比，因此积分值反映了发电机绕组的绝缘情况。当发电机正常运行时， 是一个很小的容性电流，积分值不很大。当发电机定子绕 400002c o s () c o s ()c o s ()TTuiuiuiuiX Y d tAAtd tAA TiU18040TisU I dtiUiI40TiiU I dtiINRsINRSRiI46 组绝缘降低时，就会产生一个增大的主要成电阻性的电流 ，积分值就相应变大。n保护装置将积分值以百分数在装置面板上显示出来，实时地反映了发电机定子绕组的绝缘状况。n保护工作状态与机组的运行状况无关，机组无论是在运行还是在停机状态，保护都能正常工作。n该保护既可作为大容量机组的发电机100%定子接地保护，也可用来作为各种励磁方式的发电机转子接地保护。iI474、采用电流突变量的外加电源式定子单相接地保护 外加12.5Hz或20Hz电源方式的定子单相接地保护灵敏度与发电机中性点接地方式、三相对地电容大小及中性点接地电阻或电感数值、外加电源内阻大小、接地变压器变比和二次阻值等有关，有时灵敏度比较低。对于发电厂来说，总希望尽可能提高保护的灵敏度，因此介绍一种新思路。kRkIiR20E图32 单相接地故障时20Hz等值电路(a) 经接地变压器二次电阻 接地；(b) 经消弧线圈接地；(c) 图(a)的等效电路 发电机三相对地电容； 发电机中性点消弧线圈电感； 单相接地故障过渡电阻； 接地变压器副边电阻； 20Hz电源内阻， ；其中 、 、 均已折合到TN或LN副边kR20I3gC20EkRNR8iR 30V3gCNL20I8iR 20E30VNR3gCNLkRNRiR8iR 3gCNLkR(a)(b)(c)48 以图32(a)为例，利用弥尔曼定理，得等效电路图32(c)，图中： （2-7-10） 发生接地故障以前， ， ；发生接地故障之后， ，产生 ，所以突变量 ； 不可测量，但它的突变量 必然反映出 。 以三峡机组（ ）为例 ，仿真试验结果见表3和表4。20201113212.52201113giiNkgiNEEjCRRRRjCRR或kR 0kI kR kIkkIIkIkI20I1.81/gCFph122.535781.2641.5051.2531.2181.2011.1881.1941.19701.1730.6990.5810.4970.3150.2310.20301.2430.7410.6160.5270.3340.2450.216表3 ，发电机中性点经接地变压器接地，经 单相接地电流8iR kR()kR k电流（A）20I 20I kI 49 从表3和表4可知：n仅依靠单相接地时 的大小，很难实现保护的高灵敏度；n最灵敏的方案是测量 突变量，可惜无法实现；n折衷的方案是采用 突变量，它比测量 大小要灵敏。0.010.02135783.7383.7413.7333.6483.7033.7173.7233.72500.3040.3030.0980.0350.0210.0150.01303.7403.726102010.4280.2590.1850.162表4 ，发电机中性点经消弧线圈接地，经 单相接地电流8iR kR()kR k电流（A）20I 20I kI 20I 20I kI 20I 50（八）选择性定子接地行波保护 对于数台中小型发电机机端共母线的情况，前面讨论的基波零序电压、三次谐波电压定子接地保护菌无选择性。对于一机一变的大型发电机组，上述这些定子接地保护也不能区分接地故障位于机内或机外。为了解决这一技术问题，一种做法是采用中性点经电阻接地，适当增大接地故障电流，然后用零序方向保护取得动作的选择性。但是前已说明，人为增大接地故障电流对发电机定子铁芯不利，是本来轻微的定子接地故障恶化了，保护出口也由发信号改为故障跳闸，这不是上策。另一种做法即采用选择性定子接地行波保护。试验分析表明，发电机中性点正常时对地只存在三次谐波电压，中性点接地故障时行波即由三次谐波电压产生，从中性点向外推进。51 分析研究还表明，发电机单相接地故障时波过程电流的固有频率，由行波在相距L的不均匀点之间传播所决定，其值在310kHz之间变化。行波电流幅值可超过接地故障稳态电流的百倍以上，此值与接地故障发生瞬间有关，也与故障点位置有关，中性点接地故障只有很小的行波电压和电流。 为了使扩大单元接线方式发电机的定子接地保护具有选择性，也为大型发电机组的定子接地保护能区分故障位于机内或机外，我国曾研制定子接地零序功率方向行波保护的样机并投入试运，区外故障未误动但未发生机内接地故障。 为了完成定子接地行波保护的研制任务，尚有很繁重的理论分析和装置改进工作要做。