发电机100%定子接地故障研究

发电机100%定子接地故障研究

宋宇刘锦

（中车资阳机车有限公司四川资阳641300）

摘要：本文介绍了发电机100%定子接地保护的原理，保护对象，适用条件。以公司承建的孟加拉电站的实际应用为例，详细说明了100%定子接地保护在使用中遇到问题，问题分析及处理方法。

关键词：100%定子接地保护；三次谐波；90%定子接地保护

引言：

我公司在孟加拉国承建两座规模50MW（单座）的重油电站，于2012年底交付使用。在运行之初，重油机组的发电机继电保护装置频繁出现100%定子接地报警，导致发电机出口断路器跳闸保护，极大的影响了电站的正常运行。本文特针对孟加拉电站发生100%定子接地报警故障，予以探讨研究。

1.100%定子接地保护概念及原理

100%定子接地保护有多种方式。主要包括中性点双频保护信号的100%定子接地保护方式；保护信号分别取自机端和中性点的100%定子接地保护方式；外加低频注入电源的100%定子接地保护方式。

孟加拉电站使用了保护信号分别取自机端和中性点的100%定子接地保护方式。其主要由两部分构成：一部分为基波零序电压保护，能保护发电机机端到中性点85%的范围；另一部分为三次谐波电压定子接地保护，能够保护发电机中性点附近0-30%的范围。他们一起构成了100%定子接地保护。

由于发电机气隙磁通密度的非正旋分布和受铁芯饱和的影响，其定子中的感应电动势除基波外，还含有三、五、七次等高次谐波。因为三次谐波具有零序分量的性质，在线电动势中它们虽然不存在，但在存在于相电动势中。

三次谐波电压型定子接地保护是利用发电机中性点和出线端的三次谐波电压在正常和接地故障时的特点构成的。正常运行时，发电机中性点的三次谐波电压Un比出线端的三次谐波电压Us大；而在发电机定子绕组中性点及其附近范围内发生接地故障时，出线端的三次谐波电压Us比发电机中性点的三次谐波电压Un大。利用其变化的特点，使发电机出口的三次谐波电压Us作为动作量，中性点的三次谐波电压Un为制动量，利用绝对值比较原理，当发电机出口三次谐波电压Us大于中性点的三次谐波电压Un时，保护继电器动作。

2.孟加拉电站应用情况

孟加拉电站两座电站，各由6台额定功率8730kW的重油发电机组组成，并网运行，单电站装机容量50MW。

发电机组的发电机保护装置使用了西门子7UM62数字式继电保护装置。该保护装置专用于大、中、小型发电机组的紧凑型多功能保护单元，适用于柴油发电机电站。

实际使用中，发电机中性点通过变压器一次侧接地，变压器二次侧使用电阻分压，西门子7UM62数字式继电保护装置通过采集二次侧的分压信号，依据发电机厂家提供的发电机三次谐波电压曲线，设定相应保护值，以实现发电机的100%定子接地保护。

在实际运行时，电站内6台机组在加载负荷时，经常发生100%定子接地保护报警，报警导致发电机出口断路器跳闸，发动机突甩负荷（不停机）。

检查继电保护装置设定值，依据发电机三次谐波电压曲线，保护装置设定在发电机50%负荷时，采样电压需高于0.8V，否则延时0.5秒报警。观察报警现象，在电站5台机组运行至较高负荷后启动第6台机组，当第6台机组加载至50%负荷后即发生报警，测量报警时的采样电压，低于0.8V。实际使用时，任何机组在其余机组均运行在较高负荷后启动，加载至50%后，均触发100%定子接地保护报警。

对电站某台机组进行实验，当电站只运行该台机组并将其加载至49%负荷时，测量采样电压，电压值接近2.0V，继续加载至100%负荷，机组运行正常；将其余五台组均运行在较高负荷（高于80%负荷）后，启动该机组，加载至49%负荷，电压在0.5V左右，继续加载至50%时，机组报警。随后以相同方法检查其余机组，情况类似（只是采样电压值有所不同）。

由于机组独立运行时能够正常工作，因此判断发电机定子未发生接地故障，该报警为误报警。

3.问题分析

通过实际测量发现，同一机组独立运行时与机组并机运行时的三次谐波采样电压值存在较大差异。因此，可以判断在机组并机运行时，三次谐波采样电压间相互存在干扰。

由于6台发电机中性点均通过变压器直接接地，每台发电机并网前后及在不同负载下的对地电容均不同。因此，每台发电机的中性点、机端、三次谐波的电压及相位，在不同数量机组运行时，以及在不同负载情况下，相互影响。而孟加拉电站的三次谐波电压保护设定值，是依据一台机组的三次谐波电压曲线设定（设定值保护只为0.8V），因此误报警频繁发生。

4.问题处理

查找资料，发现在多机组并联运行时，由于机组之间三次谐波电压的相互干扰，100%定子接地保护确实有较大的误动作的可能。一般而言，100%定子接地保护用于单机组100MW以上的发电机，此类机组并联运行的数量较少。因此在设定100%定子接地保护值的时候，通常会设定多套保护值，以避免在多台机组并联运行时出现的误报警。

对于孟加拉电站而言，单台发电机容量相对较小，且运行时机组较多。如果要设定100%定子接地保护，需要设定多套保护定值，以避免不同数量发电机运行时的不同的三次谐波电压值引起的误报警。对于1台7UM62保护装置而言，这是完成不了的。

考虑到100%定子接地保护一般用于100MW以上机组，由于孟家电站单台发电机容量小，因此我们将100%定子接地保护改为90%定子接地保护，以消除100%定子接地保护的误报警。

5.结语

孟加拉电站出现的发电机100%定子接地的误报警，根源在于设计阶段的失误。由于现阶段该类重油电站在国内几乎没有应用，设计院在缺乏类似电站设计经验的情况下，主观地要求设备厂家提供以发电机三次谐波保护为基础的100%定子接地保护。孟加拉实际应用说明，在多机组并联运行的情况下，完善的100%三次谐波定子接地保护是难以实现的（需要对保护继电器有极高的要求）。然而对于不足9MW的发电机，也没有必要设置100%定子接地保护。

参考文献：

[1]高有权等.发电机变压器继电保护设计及整定计算.中国电力出版社

[2]7UM62中文规范书.西门子资料