发电机三次谐波定子接地误动分析

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摘要：本文对发电机三次谐波定子接地原理作了简要说明，并根据大唐石泉水力发电厂5#机开停机过程中，发电机保护装置频繁打出“发电机3ω定子接地”信号，分析了三次谐波定子接地保护误动的原因。

关键词：发电机 定子接地 误动作

0 引言

发电机是电力系统中最重要的设备，随着对电力系统运行稳定性要求的不断提高，三次谐波定子接地已经普及到中小型发电机组中，用来和零序接地保护配合，实现100%定子接地保护。然而基波零序电压保护在中性点附近存在保护死区，三次谐波电压保护与运行工况有关，且容易误动作。大唐石泉水力发电厂安装45×5MW水轮发电机组，机端额定电压为10.5kV，5#发电机保护采用的是DGT801A数字式发电机变压器保护装置，该保护装置在运行中出现了异常情况，因此有必要在此认真分析、总结，以提高检修水平，改善运行环境。

1 原理

由于发电机气隙磁通密度的非正弦分布和铁芯饱和的影响，其定子中的感应电动势除基波外，还有三、五、七次等奇次谐波，以三次谐波含量最高。因为三次谐波具有零序分量的性质，虽然在线电动势中不存在，但在相电动势中依然存在。而发电机三次谐波定子接地就是根据比较发电机机端和中性点三次谐波电压大小和相位构成的。这里用US3、UN3分别表示发电机机端和中性点的三次谐波电压，若US3作为动作量， UN3作为制动量，则当US3>UN3时保护动作，而在发电机正常运行时保护不会误动作，只有在发电机中性点附近发生接地时，保护才动作，且具有较高的灵敏性。用这个原理构成了发电机定子绕组单相接地保护，它可以保护定子绕组中性点及其附近范围内的接地故障，对其余范围则可以用反应基波零序电压的保护，从而构成了100%发电机定子接地保护。

2 现象描述

我厂5#机开停机过程中，发电机保护装置频繁打出“发电机3ω定子接地”信号，从2013年5月5日到2013年9月12日累计打出该信号88次。在开机过程中，当机组满负荷运行时，运行人员手动复归信号，该信号消失，然而停机过程中，该信号再次出现。

3 原因分析

3.1 三次谐波定子接地保护动作判据 在DGT801系列装置中，可以提供两种原理的三次谐波定子接地保护，即矢量比较法接地保护和绝对值比较法接地保护。

3.1.1 矢量比较法。

矢量比较法的方程为 │K1US3+K2UN3│>K3UN3

注：①在式中K1、K2表示动作系数，K3表示制动系数；②UN3、US3分别表示发电机中性点、机端三次谐波电压，均为矢量。③K1、K2表示幅值和相位的系数，它们的整定应该在发电机空载额定电压下进行自整定，取值范围在-5.5～5.5之间。④K3的整定有两种。一种是在发电机小负荷工况下，设置一接地电阻，使3ω保护刚刚动作后，确定并写入K3值。另一种方法是在发电机空载额定电压下，操作界面键盘，输入K3值。取值范围在-5.5～5.5之间。

3.1.2 绝对值比较法。绝对值比较法方程为│K1US3│>K3UN3+ΔU

其中，K1、K3为三次谐波定子接地调整系数；ΔU为浮动电压门坎。

3.1.3 说明：上述判据都存在平衡系数，然而在打印的保护动作报告中，发现K1、K2均为自动整定值，K3为0.2。说明5#机保护装置三次谐波定子接地保护动作采用判据一。由于平衡系数为自动整定值，又因为发电机的工艺特性和现场的具体情况不同，所以可以通过记录带负荷实验时，不同负荷下三次谐波的比值确定平衡系数，以确保躲过最大不平衡因素的影响。

3.1.4 动作报告分析。从2013年5月5日到2013年9月12日累计打出“发电机3ω定子接地”信号88次。动作量US3在2.01～2.06V之间变化，制动量UN3在1.81～1.82V之间变化。按照国内现有动作判据UN3/US3=K，（其中K

3.2 运行工况变化引起误动 根据运行观察，并对5#机在并网前后三次谐波进行了分析。分析表明并网前发电机机端电容较小，容抗较大。而当机组并网之后，机端电容受电网影响，电容逐渐增大，相反，容抗逐渐减小，机端三次谐波电压也随之减小，而在此过程中中性点三次谐波电压不受影响，基本不变。为此，有人认为保护误发信是因为发电机三相对地电容分布不均，其实最根本的原因是运行工况发生了变化。

3.3 机端手车式PT接触不良引起误动 因我厂5#机PT也采用手车式的，所以可以参考大唐龙滩电站相关文献。根据龙滩电站相关文献，若PT手车不到位或者动静触头接触不良，在机组开停机时，动静触头间放电，产生电弧，从而引起电压波形的畸变，并产生大量谐波分量。与此同时，PT开口三角形感应产生大量三次谐波分量，最后引起三次谐波电压波动，导致机端和中性点三次谐波的不平衡，最终导致保护误动作。另外根据《三次谐波电压式定子接地保护的运行和改进》这篇文献，运行经验表明，已经发生多次UN3丢失，而 UN3主要起制动作用，一旦UN3消失，继电器失去制动作用，保护必然误动。

3.4 其他原因引起误动

3.4.1 系统中三次谐波的影响。当系统中含有较大的三次谐波时，它将通过主变高低压侧的耦合电容来影响发电机机端和中性点的三次谐波的含量，最终导致机端和中性点三次谐波失衡，进而导致保护误动作。具体过程请参考《三次谐波电压式定子接地保护的运行和改进》。

3.4.2 机端PT饱和引起保护误动。若PT长期工作在磁化曲线非线性区即饱和区，则PT激磁电流中产生大量的奇次谐波，其中以三次谐波含量最高。尤其是当端电压超出额定值，此时PT就工作在磁化曲线饱和区，三次谐波明显增大，导致保护误动。

3.4.3 绝缘下降。①发电机中性点接地装置二次侧污垢过多造成绝缘下降。②定子空冷液化为水，渗漏造成绝缘下降。

4 结论和建议

4.1 发电机三次谐波定子接地保护误动最直接的原因是运行工况变化引起的。开停机过程中，发电机对地电容变化很大，引起机端三次谐波的变化，进而导致保护误动作。建议适当调整保护定值，增大制动量阈值。

4.2 发电机三次谐波定子接地保护误动也可能是由于PT接触不良引起的。对于这一种人为因素产生的保护误动，建议可通过对人员操作技能的加强来避免保护误动作。

4.3 以上是发电机三次谐波定子接地保护误动的主要原因。当然，也存在其他原因。如系统中大量三次谐波通过变压器高低侧的耦合电容来影响发电机机端和中性点三次谐波的变化。对于系统中三次谐波，建议装设滤波器；对于机端PT饱和引起的保护误动，建议PT变比正确的情况下，尽量远离磁化曲线饱和区，避免保护受到干扰而误动；对于绝缘下降，建议每次A修之后，定子绕组对地绝缘。

4.4 本文通过对发电机三次谐波定子接地原理的说明，结合实际分析了保护误动作的原因，发电机三次谐波定子接地保护误发信主要原因在于运行工况的变化，同时也有人为的原因，并给出了在今后运行过程中的一些建议，希望可以改善运行环境。至此感谢帮助我的同事和朋友们，同时希望本文对从事电气二次检修工作的人员有所帮助。

参考文献：

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机变压器组保护装置技术说明书第7版[M].国电南自出版社，2009.

[3]王维俭，鲁华富合编.三次谐波电压式定子接地保护运行和改进[M].中国电力出版社，1995.

[4]顾轩，曾宏，饶运龙合编.发电机定子接地三次谐波电压保护误动分析与探讨[M].四川水力发电出版社，2010.

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[6]曹积慧，韦江平合编.一起发电机定子三次谐波保护误发信的分析和处理.龙滩水电开发有限公司，2008.

作者简介：王小平（1989-），男，大学本科，助理工程师，从事继电保护工作。