大型发电机组三次谐波定子接地保护动作行为分析与研究

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【摘 要】 根据某350MW发电机组的实例可以看出，利用机端三次谐波电压作为动作量，用中性点三次谐波电压作为制动量，且当时作为保护的动作条件，由此构成的发电机三次谐波定子接地保护，可以对发电机中性点附近发生的单相接地故障正确反应。若中性点附近发生接地故障，则三次谐波定子接地保护必可靠动作。

【关键词】 发电机三次谐波定子接地保护 机端三次谐波电压 中性点三次谐波电压

自上世纪80年代，三次谐波定子接地保护开始广泛应用于大型发电机组，其保护范围为发电机中性点附近发生的接地故障。但在实际运行中，机组发生的定子接地故障极少在发电机中性点附近，三次谐波定子接地保护实际动作事件并不多见，因此其灵敏性和可靠性并未得到充分验证。本文以某发电厂350MW机组实例为据，对发电机三次谐波定子接地保护原理及动作行为做了进一步分析，得到了相应的结论。

1 概况

2011年9月17日16：00，某发电厂350MW级1号机组有功负荷301MW、机端电压19.7kV、220kV母线电压232kV，机组运行正常。16：02，发变组保护A、B屏开始报“三次谐波定子接地”保护告警信号，此后至9月19日机组停机消缺期间，该信号频出。

经统计从9月17日16：02至19日下午16：00，两天时间内发变组保护A、B屏的三次谐波定子接地保护分别启动600余次。保护屏三次谐波定子接地保护启动后，较长时间不能复归，且机端和中性点3次谐波电压值逐渐趋于更低，而电压比趋于增大，保护动作情况反映电气一次系统接地情况可能有进一步严重的趋势。

2 对三次谐波定子接地保护原理的研究

该电厂采用的发变组保护为许继电气股份公司生产的WFB-805A微机型发电机变压器组保护装置。当发电机定子绕组发生单相接地故障时，在定子绕组中感应的电动势除基波分量外，还含有三、五、七次等高次谐波分量，其中三次谐波分量是零序性质的分量。当靠近发电机中性点附近发生单相接地时，基波零序电压或电流构成的定子接地保护有死区，而三次谐波式接地保护动作灵敏度较高，所以利用机端90%保护范围的基波零序电压保护和靠近发电机中性点25%以上的三次谐波电压定子接地保护，组成100%定子单相接地保护。从发电机机端电压互感器副边开口三角处取得电压经滤波得到保护所用的三次谐波，与从发电机中性点电压互感器副边取得的电压经滤波得到保护所用的三次谐波电压的比值为：

式中：（=）——机端总电纳；

（=）——中性点总电纳；

——发电机每相对地电容；

——机端每相外接对地电容；

——中性点接消弧线圈电抗。

所以，恒有。只有当发电机未与系统并列运行，且中性点不接消弧线圈电抗L时，才有，正常运行时必有：≤1.0。

在不计定子绕组对地绝缘电阻时，该比值始终为一不变常数，同时正常运行时与相位一致。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a，中性点电压和机端电压随故障点a的变化曲线如图1所示。

因此，如果利用机端三次谐波电压作为动作量，用中性点三次谐波电压作为制动量来构成接地保护，且当时作为保护的动作条件，可以反应距中性点约25%范围内的接地故障。

该电厂发电机三次谐波定子接地保护动作判据为：

其中为机端和中性点TV的变比调整系数；为“谐波比系数”，有“并网前谐波比系数”、“并网后谐波比系数”两套定值。

3 对三次谐波定子接地保护动作行为的分析

3.1 相关数据

（1）从机组双套配置的许继WFB-805A微机发变组保护装置中调取首次动作报告，如表1所示。

（2）对三次谐波定子接地保护动作采样进行记录（9月19日），数据如表2所示。

3.2 分析处理

3.2.1 审核定值

重新对保护整定值进行核算，将发变组保护A、B屏采样与保护整定值进行核对，经检查所有数据都正确。从机组启动至今，曾带过各种负荷（包括满负荷或最小负荷），均未出现过该保护告警信号。说明三次谐波定子接地保护定值整定无误，符合现场实际情况。

翻阅设计图纸，该机组发变组保护A、B屏机端零序电压分别取自不同的PT和单独的二次回路，中性点零序电压取自同一中性点接地变压器回路，符合设计规范。根据图纸现场排查，从发电机PT根部、中性点接地变压器根部，到PT端子箱、再到发变组保护装置，对整个电气二次回路进行校对，测量值与保护采样值基本一致，且未发现电气接线有松动或异常现象。排除由于电气二次回路问题导致保护误动的可能性。

3.2.3 检查装置

将发变组保护A屏中三次谐波定子接地保护动作告警信号，与发变组保护B屏的动作信号相比较，二者几乎同时动作，且动作值基本一致。对动作报告进行分析、对保护装置进行检查，可排除由发变组保护装置异常引起误动的可能性。

3.2.4 其他原因

查阅电气一次数据和机组近期运行状况，发现该机组近期启动后有发电机漏氢量增大、定冷水电导率增高等现象。初步判断在发电机中性点附近，确发生电气一次系统绝缘不好或定子接地现象的可能性较大，向电厂建议停机检查。

3.2.5 后续处理

该机组于19日22：42停运。20日进行发电机内部检查，发现靠近中性点附近的汽端汇水管与绝缘引水管连接处有三处漏水。经处理后进行机端PT、中性点变压器空载特性试验及发电机绝缘测试，均合格后开始恢复。机组重新启动，一切正常，保护装置不再发出三次谐波定子接地告警信号。

4 结语

对本次事件的研究和分析表明，利用三次谐波电动势构成的发电机定子接地保护，可以有效保护定子绕组中性点及其附近范围内发生的接地故障，消除发电机基波零序电压元件保护不到的死区。当发电机中性点附近发生单相接地故障时，三次谐波定子接地保护能够准确反映并可靠动作，提高了大型发电机组的安全运行水平。

参考文献：

[1]高春如.大型发电机组继电保护整定计算与运行技术[M].北京：中国电力出版社，2005.

[2]王维俭.电气主设备继电保护原理与应用[M].北京：中国电力出版社，2002.

[3]许继电气股份有限公司，WFB-800A微机发变组成套保护装置技术说明书[R].2007.