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1、ZDJ801A注入式定子接地保护装置的研制刘小波（国电南京自动化股份有限公司）ABSTRACT: Stator ground protection is the important part of the GENERATOR and TRANSFORMER PROTECTION SYSTEM. Subharmonic injection scheme is a new scheme for hydro-generator stator ground protection. This paper expatiates the drawbacks of the scheme in the appl
2、ication. In the developing of ZDJ801A stator ground protection with Subharmonic injecting, full consideration to the the drawbacks effect, we have made a series of measures and got a good effect in the experimentation of dynamic simulation and the commissioning of power plant.摘要：定子接地保护是发变组保护系统中的重要组成
3、部分，注入式定子接地保护是一种新型原理的定子接地保护。本文阐述了注入式定子接地保护在实际运行中出现的问题，在ZDJ801A注入式定子接地保护装置在研制过程中，充分考虑这些问题的影响，提出了相应的解决措施，在动模实验和现场投运中取得了较理想的运行效果。0 引言定子接地保护是发变组保护系统中的重要组成部分，目前的定子接地保护一般是基波零序电压3U0保护和三次谐波3保护。近年来，注入式定子接地保护受到用户的青睐，其优点在于：(1)不受机组运行状况影响，无死区；(2)与接地点位置无关；(3)这种原理能反映定子绕组绝缘均匀下降，起到对绝缘老化监视的作用1。随着电力系统的发展，百万机组的中性点接地方式一般
4、采用经接地变高阻接地。注入式定子接地保护的外加电源一般从中性点接地变二次侧注入。为防止动态过电压，要求接地变二次侧接入电阻Rn很小(一般不大于1)，测量过程中，由于外加电源及滤波器内阻的存在，从而使得正常运行时Rn上分得的电压很小，仅有1V左右，这给接地电阻的监测测量增加了困难，使得保护灵敏度降低存在一定的死区。另外，电阻判据是通过分压器的测量电压和注入回路的测量电流计算后获得，但在靠近机端发生接地短路时，电流电压测量值中可能出现很大的基波分量的影响，同时接地变等值阻抗的影响，使得电阻判据在实现高灵敏度的测量计算上受到了限制。传统保护算法是通过提取10 Hz频率的二次谐波分量的傅氏计算来实现的
5、。因此，保护的数据窗长为100 ms，这样保护动作时间就存在一个100 ms 的固定延时误差2。ZDJ801A注入式定子接地保护装置在研制过程中，充分考虑上述因素的影响，提出了相应的解决措施，在动模实验和现场投运中取得了较理想的运行效果。1 软硬件相结合的基波抑制措施1.1 20Hz分量快速滤波算法传统的20Hz滤波算法由5个工频周期的采样点，即以10Hz为基频，提取二次谐波20Hz信号分量，这样保护动作时间就存在一个100ms的固定延迟。在ZDJ801A保护装置的研制过程中，采用了20Hz分量快速滤波算法，该算法将保护数据窗缩短为一个半工频周期，即30ms，从而有效解决了保护动作时间存在10
6、0ms的固定延迟问题。在发电机实际运行过程中，基波分量和三次谐波分量相对较大，但是，该算法能够有效滤除基波分量及三次谐波分量，从而在算法上保证了这些谐波分量对保护测量精度的影响。1.2 20Hz低频信号滤波通道消除谐波的方法之一是从算法上进行滤波，但算法不能有效地滤除全部谐波，因此有必要设计一种20Hz低频信号专用滤波通道3。为实现此目的，通过以下的技术方案来实现：（1）带阻通道的设计影响注入式定子接地保护运行的因素主要是系统中的基波和各种谐波，其中基波的影响较大。尤其在机端附近发生接地故障时，故障电流中大部分为基波分量，20Hz的电流分量相对较小，这影响了20Hz故障量的检测灵敏度。为了提高
7、保护性能，首先必须去除基波的影响。（2）带通通道的设计在注入式定子接地保护系统中，考虑到发电机发生单相接地时，会产生较大的基波分量，必须加电阻分压器和中间变流器以使保护装置能够有效接收，在缩小基波分量的同时，20Hz分量也给缩小了，这给保护的测量精度带来了影响，为此，有必要设计一种带通滤波器以放大20Hz分量，同时滤掉系统中的高次谐波，以满足保护测量精度的要求。（3）20Hz低频信号滤波通道将（1）和（2）所述的滤波通道合二为一，便形成了20Hz低频信号滤波通道，其幅频特性如图1所示。图1 20Hz低频信号滤波通道，其幅频特性20Hz低频信号滤波通道的设计，抑制了各次谐波，同时放大了20Hz分
8、量，从而在硬件上保证了保护的测量精度。2 中间变流器变比和分压器变比的确定原则发电机发生定子接地故障时，发电机接地零序电流和零序电压里面含有较大的工频分量，而注入式定子接地保护装置的CT 和PT的二次额定值很小，为此需采用中间变流器和分压器，将较大的基波分量和保护装置安全隔离。2.1 中间变流器变比的选择（1）中间变流器的变比选择首先要保证保护装置能够量测到正常情况下的20Hz电容电流，保护装置能够测到的最小20Hz电流为1.0mA，则： 即 （1）式中：为20Hz电容电流，单位为mA。（2）接地电阻判据的保护范围应为距中性点80%定子绕组，当在距中心点80%定子绕组发生金属性接地故障时，保护
9、装置CT应不致饱和。当外加电流大于2.4A，保护装置CT趋于饱和，故：，即： （2）式中：为接地变二次侧最大电压；为接地变二次电阻。由式（1）和式（2）即可确定中间变流器原边付边匝数比。2.2 分压器变比的选择（1）为了保证接地电阻的测量精度，在正常情况下，保护装置测得的20Hz电压不能过小，应大于0.1V：，即 （3）式中：为正常运行时，注入到接地变二次侧的20Hz电压。（2）在机端发生金属性接地时，接地变二次侧会产生较大的工频电压，为使保护装置PT不致损坏，要求加到保护装置PT地电压不大于120V：，即 （4）式中：为接地变二次侧最大电压。由式（3）和式（4）即可确定分压器变比范围，由于分
10、压器有五个阻值相同、容量相同的电阻组成，故的可能取值为1/5，2/5，3/5，4/5，1。3 接地变参数的考虑文献4提出了在计算接地故障过渡电阻时，应考虑接地变漏阻抗和励磁阻抗。但在实际运行过程中，由于中性点接地变压器的励磁阻抗与一次接地电阻相差一个数量级，忽略中性点接地变压器的励磁阻抗对测量误差影响不大。图2为考虑接地变漏阻抗而忽略励磁阻抗的等效电路图。图2 考虑接地变漏阻抗的等效电路图图2中，、为接地变漏阻抗；为接地过渡电阻；为滤波器内阻；为发电机定子对地容抗；为接地变二次电阻，所有参数均归算到二次侧，则： （5）由于 则： （6）式中：为接地变变比；为接地电阻在一次侧的值。ZDJ801A
11、注入式定子接地保护装置在研制过程中，主要考虑了接地变漏阻抗对测量接地电阻精度的影响。在动模实验中，给出了考虑接地变参数和未考虑接地变参数时，测量接地电阻的比较。4 ZDJ801A注入式定子接地保护装置4.1 硬件介绍保护装置采用双电源双CPU系统构成，保护CPU1系统和保护CPU2系统是完全相同的两套系统，但相互之间又完全独立。每套系统中均包含滤波、采样、CPU及大规模门阵列FPGA等硬件回路；可独立完成采样、计算、判断、出口、自检、故障信息处理和故障录波等全部软件功能。管理CPU实现与两个主CPU系统的信息交互和人机界面控制，并与电厂DCS控制系统通讯。此外，两个主CPU之间通过隔离相互查检
12、，以提高装置运行的可靠性。4.2 保护构成判据接地电阻判据反映发电机定子绕组对地绝缘电阻的大小，设有两段接地电阻定值，高定值段作用于延时发信报警，低定值段作用于延时跳闸，延时可分别整定。其动作方程为： （7） （8）式中：为发电机定子绕组接地测量电阻； 、分别为发电机定子绕组接地电阻的低定值、高定值为了提高发电机机端接地时保护的灵敏度，增设零序电压和零序电流辅助判据,反映距发电机机端80的定子绕组单相接地，与接地电阻判据构成高灵敏的100%定子接地保护方案。保护逻辑框图如图3所示。图3注入式定子接地保护的逻辑框图当保护测得的U20 和I20同时低于其各自定值时，认为保护回路故障，闭锁保护出口并
13、发出报警。此外在注入电源故障时，可以经控制字选择去闭锁注入式定子接地保护装置的接地电阻判据，但是接地电流判据不受影响。5 动模实验5.1 动模实验接线中间变流器变比1：1，分压器变比1：1图4 注入式定子接地动模试验接线图该模型主要针对三峡工程的700MW机组进行相关折算建立。220V直流电源加入20Hz信号发生器产生26V左右的注入电压，再经过20Hz滤波器和Rx分压电阻，使得负荷电阻上的电压为2V左右。用一个220/22的PT模拟现场的接地变压器，使负荷电阻上的2V交流电压变为220V，施加到模拟机组上，保护装置通过监测负荷电阻上的注入电压和回路的电流来计算接地电阻，判别接地故障。5.2
14、动模实验结果表1 接地电阻测量比较机组状态接地位置接地电阻值（单位：k）测量电阻值（未考虑接地变参数）（单位：k）误差（%）测量电阻值（考虑接地变参数）（单位：k）误差（%）停机状态机端6.06.518.56.020.312.93.4619.32.910.340.91.4257.70.911.1100.530.01中性点6.06.548.66.020.332.93.4719.42.910.330.91.4657.30.911.4200.520.01空载状态机端3.13.6517.743.141.291.11.6650.911.110.9100.540.01中性点3.13.6417.723.12
15、1.341.11.6750.931.120.9500.540.01并网状态机端3.13.6817.773.151.281.11.6550.981.120.9200.550.01中性点3.13.6517.823.101.321.11.6651.931.090.9100.570.02由表1可以看出，在考虑接地变参数后，接地电阻的测量误差大为降低，从而说明考虑接地变参数能提高接地电阻的测量精度。6 结语ZDJ801A注入式定子接地保护装置目前已成功应用于实际工程，对于新出来产品，也必将存在各方面的问题。对于注入式定子接地保护而言，所面临的问题是接地电阻定值的整定，目前的定值只是按照传统经验来整定，今
16、后，需要结合发电机的实际运行工况，来探索一个整定标准。参考文献 1 王维俭. 电气主设备继电保护原理与应用. 北京：中国电力出版社.20012 李德佳,毕大强, 王维俭. 大型发电机注入式定子单相接地保护的调试和运行.继电器,2004：32(16):51-563 刘小波,包明磊. 百万机组注入式定子接地保护的研究与开发.华电技术,2008：30(7):37-414 毕大强,王祥珩等. 发电机定子绕组单相接地故障定位方法.电力系统自动化,2004：28(22):55-57，94刘小波（1978-），男，硕士，江苏如东人，国电南京自动化股份有限公司电厂技术中心，从事电厂继电保护自动化开发研究工作。 E_mail:sunyuntai