俄罗斯800MW机组定子接地后备保护分析

　　0引言
　　
　　发电机定子接地保护的难点集中在靠发电机中性点侧接地时，基波零序保护所不能保护到的那部分死区。虽然说100％保护方案有多种，但又各有弊端[1]。大型发电机定子接地保护要求所安装的定子接地保护，其中应有一套在机组启、停过程中仍起作用的保护[2]。这就给大型发电机定子接地保护的设计提出了更高的要求。绥中发电厂引进俄罗斯800MW发电机组的定子接地保护，两套中的3次谐波电压保护组件原理不同，其中一套БРЭ1301.01主保护的3次谐波组件电压取自发电机出线侧和中性点侧电压互感器，反应发电机定子对地相对阻抗的变化，兼用于启、停机时对发电机定子接地保护；另一套БРЭ1301.02后备保护的3次谐波电压组件，与其他保护相比，有它自身的独到之处。本文着重介绍、分析БРЭ1301.02保护的3次谐波电压组件保护原理、工作过程和性能。
　　
　　1保护的工作原理和工况分析
　　
　　1．1保护组成及谐波组件工作原理
　　
　　俄罗斯БРЭ1301.02型100％定子接地后备保护采用集成电路实现，主要包括4个部分（见1999年绥中发电厂《БРЭ1301型发电机保护组件技术说明和运行规程》）：①电源组件БП为装置提供工作电源；②基波零序分量组件БОС对发电机靠机端侧80％定子线圈接地故障起保护作用；③负序电压闭锁继电器ОБН防止发电机电压系统以外故障时的保护误动作；④3次谐波组件БТГ保护发电机靠中性点侧0～40％的定子接地故障。所有组件电压取自发电机出口、负荷开关外侧电压互感器TV4。
　　
　　3次谐波组件БТГ的工作原理如图1所示，它由电源变压器TI、150Hz带通滤波器、全波整流器、平波器、启动机构、测量机构和逻辑输出等部分组成，其启动机构反应发电机出线端侧的3次谐波电压Us3对时间的导数dUs3/dt。当导数dUs3／dt>0且Us3变化的时间常数小于0．1s，启动机构就启动，并且保持在动作状态；当导数dUs3／dt<0且Us3变化的时间常数小于0．1s，启动机构就返回。3次谐波组件БТГ的测量机构反应的是3次谐波电压Us3，在发生定子接地故障以后与故障前的比值Us3'／Us3。如果Us3'／Us3>1．25，测量机构就提供动作条件；如果Us3'／Us3<0．85，测量机构就取消动作条件。组件只有在启动机构启动、测量机构提供动作条件时才动作；在启动机构返回、测量机构取消动作条件时保护才整组返回。　　1．23次谐波组件的几种工况分析
　　
　　1．2．1发电机并网前的工况
　　
　　БРЭ1301.02型保护作为大型发电机组定子接地故障的后备保护，安装在发电机负荷开关外侧（主变压器低压侧、高厂变高压侧），动作后经过0．5s～1．0s延时，启动机组后备保护出口中间继电器，跳开机组500kV侧开关和高厂变低压侧6．3kV开关。一次发电机系统如图2所示。
　　　　在发电机并网前，保护装置的3次谐波组件不起作用，基波零序电压组件对发电机出线段24kV系统起接地保护作用，动作后跳开500kV向
　　
　　6．3kV输送的厂用电，备用电源自动投入。
　　
　　1．2．2发电机并网后的工况
　　
　　发电机并网后，检查装置没有动作信号后投入跳闸压板，空载运行时3次谐波电压在0．6V～0．8V之间，随着发电机负荷的增加，3次谐波电压也在增加，但由于U3变化的时间常数大于0．1s，测量机构反应的3次谐波电压Us3在变化后与变化前的比值Us3'／Us3<1．25，3次谐波组件БТГ的启动机构和测量机构都不会提供动作条件，保护不动作。尽管负荷升到额定值或者在做超负荷试验时，3次谐波电压在3．0V或更高一些，保护都不会误动作。发电机负荷下降时，启动机构的dUs3／dt<0，保护也不会误动作。发电机负荷波动时，由于U3变化的时间常数大于0．1s，Us3'／Us3<1．25，保护的3次谐波组件БТГ不会误动作。
　　
　　1．2．3发电机定子接地时的工况
　　
　　只有发电机靠中性点侧发生接地故障时，机端3次谐波电压迅速增加，dUs3／dt>0，且Us3变化的时间常数小于0．1s，启动机构启动；同时Us3'／Us3>1．25，测量机构也提供动作条件，保护保持有动作量输出；经过0．5s～1．0s延时，启动机组后备保护出口中间继电器，跳开机组500kV侧开关和高厂变低压侧6．3kV开关，机组全停，3次谐波电压消失，启动机构、测量机构取消动作条件，保护返回。当发生瞬时非金属性接地故障时，定子接地后备保护可能动作，但因故障瞬间消失，在整定时间内启动机构、测量机构返回，后备保护出口不会发跳闸信号。
　　
　　23次谐波组件性能分析与评价
　　
　　2．1性能分析
　　
　　保护的灵敏度检验是衡量保护装置性能的重要指标，是由中性点的临界接地电阻表现的。
　　
　　设发电机的3次谐波电势为E3，定子三相绕组对地电容为CF，机端引线段连接元件对地电容为Cs，中性点侧非金属性接地，保护动作时的临界接地电阻为R临界，其3次谐波电路如图3（a）所示。发电机在绝缘良好状况下空载运行时，机两端3次谐波电压相等、方向相反；带上出线段连接元件运行时，机端3次谐波电压Us3恒小于中性点侧3次谐波电压Us3，如图3（b）所示；当发电机发生接地故障时，设接地点发生在距中性点α处（α为由故障点到中性点的绕组占全部定子绕组的百分数），且α<50％时，机端3次谐波电压总是大于中性点侧3次谐波电压，即Us3>UN3[3]，如图3（c）所示。中性点发生金属性接地时，中性点侧3次谐波电压为0，机端3次谐波电压zui大，Us3＝E3。　　
　　通过设备说明书和实测的结果计算，发电机在额定功率因数和负荷下运行，中性点侧电压互感器二次侧的3次谐波电压为3V，计算到一次侧3次谐波电压UN3＝415V，机端侧电压互感器二次侧的3次谐波电压为2．45V，计算到一次侧3次谐波电压US3＝340V，CF＝1μF，Cs＝0．1μF。
　　
　　当发生非金属接地故障时，出线端的3次谐波电压US3对时间的导数dUs3／dt>0，且US3变化的时间常数小于0．1s，3次谐波组件БТГ的启动机构启动，测量机构Us3突变为原来的1．25倍时保护动作，如图3（a），（c）所示，即Us3，UN3（单位为V）为：
　　
　　Us3=340x1.25=425
　　
　　UN3=415+340-425=330
　　
　　求得测量机构动作时的临界接地电阻为：R临界＝1833Ω。此值与定子接地主保护БРЭ1301．01的3次谐波组件临界接地电阻1573Ω相比略大，即保护的灵敏度更高些。如果必要，还可以通过调整测量机构动作条件Us3'／Us3>1．25调整3次谐波组件的临界接地电阻（灵敏度）。
　　
　　发电机正常工况下，中性点对地阻抗以容性为主，在3．0kΩ～6．4kΩ之间。由此可见，该保护装置性能良好。
　　
　　2．2保护装置的优点
　　
　　俄罗斯БРЭ1301．02型100％定子接地保护装置以3次谐波组件БТГ为主，作为大型发电机组的一种后备保护，构成原理简单，能够准确把握发电机定子靠中性点侧接地时，机端3次谐波电压量的突增。该装置克服了以往外加直流法、外加低频电压法、人工2次谐波法行波式定子接地保护中的诸多弊端，与一般的3次谐波保护相比，保护原理简单，不用运行中设定定值，也没有灵敏度难于配合的问题，在发电机3次谐波电压随负载和功率因数变化的问题上保护能够不动，是该装置较一般的3次谐波保护的突出优点。
　　
　　2．3保护装置的不足
　　
　　该装置由集成电路构成，虽然电路内设抗干扰电路，但没有实现交流电压量和直流工作电源进人装置的电压同时抗干扰，所以装置的抗扰能力欠佳，易受对讲机等大功率无线通信设备使用的影响而启动。解决办法是远离设备、使用无线、装置外壳设屏蔽网、电量输入端口设抗干扰盒等。
　　
　　另外，由于机组启、停时零序和3次谐波电压易发生变动，所以保护方案本身要求跳闸压板在机组并列后投入而停机前解除，这样给运行人员带来一些不便。
　　
　　3结论
　　
　　以3次谐波组件БТГ为主的БРЭ1301．02型100％定子接地后备保护装置有设计中的不足，但只要按要求掌握投、退保护的时间，采取合适的抗干扰办法，装置可以投人运行。本保护方案在我国具有较大的推广应用价值。