第２７卷第５期２００８年１０月红水河ＨｏｎｇＳｈｕｉＲｉｖｅｒＶ０１．２７．Ｎｏ．５Ｏｃｔ．２００８长洲水利枢纽发电机选择性定子接地保护设计林杰梅１，丘栋１，谈涛２（１．广西电力工业勘察设计研究院，广西南宁５３００２３；２．南瑞继保电气有限公司，江苏南京２１１１０２）摘要：介绍了长洲水利枢纽发电机选择性定子接地保护方案设计及试验情况，该保护方案由零序方向元件和中性点零序电压元件共同构成，采用中性点零序电压元件作为动作判据，零序方向元件作为开放辅助判据，现场模拟试验结果证明了该方案的成功。关键词：定子接地保护；选择性；零序方向元件；长洲水利枢纽中图分类号：Ｔｖ７３４．２文献标识码：Ｂ文章编号：１００１—４０８Ｘ（２００８）０５—０１０２一０５１引言定子绕组单相接地故障是发电机常见的故障之一，它往往是导致更为严重的绕组内部故障发生的先兆，如不及时检测和处理，容易引起故障点局部过热，危及定子绕组，影响发电机安全运行…１。因此，发电机定子接地保护方案的设计至关重要。现有的定子接地保护方法一般采用零序基波电压、零序基波电流、三次谐波电压、注人信号测量法等，这些保护方案在现场得到了广泛应用，积累了大量的运行经验。但是，对于扩大单元接线，上述的方法均不具备选择性，不能判断故障发电机，容易扩大事故范围。行波保护是现行的一种具有选择性的定子接地保护方法…Ｉ，但是由于发电机所对应的行波首半波持续时间很短，使该保护的测量和判定有较大困难，而且在工频相电压瞬时值过零点附近发生定子单相接地时，该保护根本不能反应，行波保护难以推广使用［４Ｉ。长洲水利枢纽为西江下游河段广西境内的最后一个梯级电站，共装设１５台单机容量为４２ＭＷ的灯泡贯流式水轮发电机组，发电机变压器采用三机一变扩大单元接线，中性点经配电变压器接地。长洲发电机的接线形式决定其装设选择性定子接地保护，避免并联运行的非定子接地故障发电机误跳闸的需要尤为迫切。如何确定长洲水利枢纽发电机定子接地保护方案，并选定具有相应工程经验和研发收稿日期：２００８—１０—０７能力的设备供货商共同研究和实施是长洲水利枢纽主设备保护设计的重点。２保护方案的设计２．１招标设计阶段保护方案的确定２．１．１保护方案的初步确定招标设计阶段是保护方案确定的关键阶段。广西电力工业勘察设计研究院对国内多个采用扩大单元接线形式的发电机保护配置方案进行了调研，多次与国内外多家保护设备知名供应商及业内专业人士展开技术研讨，以确定切实可行的发电机定子接地保护设计方案。中性点不接地电网中单相接地故障具有以下特点：（１）在发生单相接地时，全系统都将出现零序电压。（２）在非故障的元件上有零序电流，其数值等于本身的对地电容电流，电容性无功功率的实际方向为由母线流向非故障元件。（３）在故障元件上，零序电流为全系统非故障元件对地电容电流之总和，电容性无功功率的实际方向为由故障元件流向母线…２。根据以上故障特点分析看出，零序功率的流向可作为判别发电机内部是否发生接地故障的确切判据，可以用零序方向来保证定子接地保护的选择性，且相对于零序电流保护而言，零序方向保护的灵敏作者简介：林杰梅（１９７６一），女，广西隆安人，工程师．学士主要从事电气二次谩计工作．Ｅ－ｍａｉｌ．１ｉｎｊｍ＠ｇｘｅｄ．ｃｏｌｒｌ；丘栋（１９８０一），男．／＇－西陆Ｊ，ＩＡ．．工程师，主要从事电气二次设计工作，Ｂｎｌａｉｌ：ｑｉｕｄ∞ｇ＠弘ｅｄ．咖；１０２／谈涛（１９８２一）．男．江苏澡ｒａＡ．．助理工程师．学士．Ａ二－ｔ４Ｘ事主设备保护工程调试工作，Ｅ—ｍａｉｌ：ｔａｎｔ＠ｎａｉｌ．ｒｅｌａｙｓ．ｍ。万方数据林杰梅，丘栋，谈涛：长｝Ｉｆ｜水利枢纽发电机选择性定子接地保护设计度高，并对运行方式的改变适应性强。因此，招标设计初步确定长洲水利枢纽应采用基于零序方向判别的选择性定子接地保护方案，并在设备招标书中作为主保护配置方案的重点提出要求。２．１．２零序ＴＡ型式及参数的初步设计选择性定子接地保护灵敏度受到ＴＶ、ＴＡ传变精度的，因此该设计方案的关键技术之一是如何装设机端零序ＴＡ并确定ＴＡ变比等技术参数，保证ＴＡ的传变精度。长洲发电机主引出线采用电缆出线，每相采用４根２４０删ｍ２的电缆进行并联，经与多家ＴＡ设计及生产厂家进行技术交流，并调研广东飞来峡电站等同类型电站的设计情况，确定长洲发电机主引出线侧装设套管式零序ＴＡ，装设于发电机至出口断路器的电缆上。由于定子接地电流一般较小，为使保护装置准确测量二次电流，要求ＴＡ变比不能太大，而小变比的ＴＡ由于匝数少，传变精度较难满足要求，因此ＴＡ变比的确定和选型是方案设计的难点之一。经与多家ＴＡ设计及生产厂家及同类型电站调研发现，由于国内继电保护设备几乎无选择性定子接地保护的运行业绩，相应的国内较大型的ＴＡ制造商也几乎无发电机套管式零序ＴＡ的生产业绩，因此长洲零序ＴＡ参数如何确定无工程经验借鉴。经调研百龙滩水电站日本富士设备的设计情况及多家零序ＴＡ生产厂家的实际设计及制造情况，初步确定零序ＴＡ变比为１００／５，精度为０．５级。为确保在后续工作中能更好地解决该技术问题，广西电力工业勘察设计研究院在设备招标书中要求各投标单位对零序ＴＡ的型式和参数要求给出技术方案，并作为技术评标的重点考核之一。２．１．３确定长洲发电机保护设备供货商经过保护设备招投标评审，认为南瑞继保公司的研发能力较强，提出的保护原理较可行，可实施性较好，因此选定南瑞继保公司为长洲水利枢纽发电机保护设备的供货商。２．２设计联络会阶段保护原理及方案的确定长洲发电机保护设备合同签订后，南瑞继保公司作为设备的设计和供货方，开始着力进行选择性定子接地保护方案的具体设计，广西电力设计院全力配合，确定保护原理及具体配置实施方案。通过对广东飞来峡电厂的调研，设计院和南瑞继保针对长洲水电站进一步深入研究后，发现引入接地变二次侧电流和机端零序电流、机端零序电压一起形成万方数据零序方向元件，能够提高区内单相接地故障时零序方向元件的灵敏度。２．２．１保护原理分析长洲水利枢纽三机一变扩大单元接线见图１。图ｌ长洲三机—变扩大单元接线图设发电机定子绕组每相对地电容为Ｃ。，机端电缆每相对地电容为Ｃ１，母线每相对地等效电容为ＣＢ，接地变二次负载电阻为Ｒ。，接地变压器变比为Ｎ，接地变压器二次负载电阻折算到一次侧的阻值为ＲＮ＝Ｎｚ・Ｒ。ｏ２．２．１．１接地变压器二次负载电阻的设计原则对于扩大单元接线方式，发电机中性点接地变压器二次负载电阻的选取，应按仅１台发电机并网运行的情况考虑：ＲＮ≤ｌ／［３∞・（Ｃｇ＋ＣＩ＋ＣＢ）］（１）设计中取ＲＮ＝１／［３ａ，・（Ｃｇ＋Ｃｌ＋ＣＢ）］２．２．１．２发电机区内定子接地故障时原理分析假设图１中１号发电机发生定子接地故障，接地故障点位于定子绕组Ａ相距中性点口处，接地过渡电阻为Ｒｆ，定子绕组的对地电容分布均可等效地各以０．５Ｃ。集中于发电机机端和中性点，其零序等值电路如图２所示，分析过程中，忽略了接地变压器的漏阻抗和励磁阻抗，所有电流、电压均为一次值。图２中，３，ｏ为发电机机端零序电流，，由为接地变压器一次侧电流，讥为发电机任一处的零序电压，窟为发电机Ａ相电动势。只有１台发电机并网运行（ＱＦｌ处于合闸状态，ＱＦ２、ＱＦ３处于断开状态），１台发电机区内单相接地故障时，机端零序电流表达式为：３Ｉｏ＝Ｕｏ・ｊ３ｃｎ・（Ｃｌ＋ＣＢ）（２）１０３红水河２００８年第５期图２发电机区内定子接地故障时的零序等值电路图２台发电机均并网运行（ＱＦｌ和ＱＦ２均处于合闸状态，ＱＦ３处于断开状态），１台发电机区内单相接地故障时，机端零序电流表达式为：加，构造如下合成零序电流ｊ＿ｏ∑：ｌｏｓ，＝３１＂ｏ＋Ｉ，ｏ＝讥・［１／ＲＮ＋』・３０，・（ＣＩ＋ＣＢ）］（１台发电机）（６）３Ｉｏ＝Ｄ．ｏ・［１／ＲＮ＋歹・３０，・（２ＣＩ＋Ｃｇ＋ＣＢ）］（３）３台发电机均并网运行（ＱＦｌ、ＱＦ２和ＱＦ＇３均处于合闸状态），１台发电机区内单相接地故障时，机端零序电流表达式为：Ｉｏ：ｇ＝３Ｉｏ＋Ｉ，ｏ＝（－７０・［２／ＲＮ＋歹・３ｃｃＪ・（２Ｃｌ（７）＋Ｃｇ＋ＣＢ）］（２台发电机）Ｊｏ∑＝３Ｉｏ＋Ｊ仍＝Ｕｏ・［３／ＲＮ＋歹・３ｃｏ・（３Ｃｌ＋２Ｃ。＋ＣＢ）］（３台发电机）（８）由式（６）、式（７）、式（８）结合接地变压器二次负载电阻的设计原则可知，发电机区内单相接地故障时，一次合成零序电流超前零序电压０～４５。。２．２．１．３发电机区外单相接地故障时原理分析（５）（４）３Ｉｏ＝讥・［２／ＲＮ＋．ｆ・３ａＪ・（３Ｃｌ＋２Ｃｇ＋ＣＢ）］接地变压器一次侧电流为：ｉ，ｏ＝（，ｏ／ＲＮ母线上发生单相接地故障时的零序等值电路如图３所示。将机端零序电流和接地变压器一次侧电流叠图３发电机区外单相接地故障时的零序等值电路图由图３可得发电机区外单相接地故障时，无论几台发电机并网运行，机端零序电流的表达式均相同：３Ｉｏ＝一０＂ｏ・（１／ＲＮ＋歹・３ｃ￡，・Ｃｇ）（９）作选择性的要求。兼顾１台、２台、３台发电机并网运行情况，同时考虑动作边界与区外故障区之间留有一定的裕度，零序方向选择“开放式”，区内单相接地故障时，灵敏角取２２．５。，零序功率方向动作边界１可整定为３１５。（即一４５。），动作边界２可整定为９０。～１８０。。２．２．２机端零序ＴＡ和接地变二次侧ＴＡ的变比配合同样，将机端零序电流和接地变压器一次侧电流叠加，构造如下合成零序电流ｊ＿ｏ∑：Ｊｏ∑＝３Ｉｏ＋，由＝０＂ｏ・（一歹・３ｃｔＪ・Ｃｇ）（１０）由式（１０）可知，发电机区外单相接地故障时，一次合成零序电流滞后零序电压９０。。２．２．１．４零序方向元件整定根据上述分析得出的发电机区内外单相接地故障时的零序方向元件特性，合理整定零序方向元件的灵敏角和动作边界，即可明确判断发电机区内、区从上述保护原理分析结果可知，二次合成零序电流与零序电压的相位关系将是本保护方案能否正确动作的关键。要保证接入微机保护装置的二次电流和二次电压与上述分析结果一致，接地变压器二次侧ＴＡ与发电机机端零序ＴＡ的变比应满足一定的关系：外单相接地故障，满足长洲发电机定子接地保护动１（１４万方数据林杰梅，丘栋，谈涛：长洲水利枢纽发电机选择性定子接地保护设计接地变二次侧ＴＡ变比＝机端零序ＴＡ变比Ｘ接地变压器电压变比。（１１）根据此要求，长洲水电站接地变压器变比为１３．８ｋＶ／２３０Ｖ（电压变比为６０），发电机机端零序ＴＡ的变比为１００／５Ａ，接地变压器二次侧ＴＡ的变比应为６００／０．５Ａ。２．２．３保护原理及保护方案的确定长洲发电机选择性定子接地保护原理在业主组织的设计联络会上得到了确认，同时，会议还审定了长洲发电机定子接地保护配置方案，见图４。图４发电机定子接地保护配置图该方案的判据由零序方向元件和中性点零序电压元件共同构成，中性点零序电压元件作为动作判据，零序方向元件作为开放辅助判据。采用零序方向元件判断发电机区内、外单相接地故障，判断为区外单相接地故障时，闭锁基波零序电压定子接地保护，当判断为区内单相接地故障时，开放基波零序电压定子接地保护，避免了并联运行的非定子接地故障发电机误跳闸。零序方向元件由发电机机端零序ＴＡ电流、发电机中性点接地变压器二次侧ＴＡ电流以及发电机机端零序电压共同构成。３现场试验３．１初次试验２００７年１２月底，对３号机进行定子接地故障试验及试运行时发现以下两个问题：发电机不平衡电流偏大；机端零序ＴＡ的传变性能不满足要求。３．１．１发电机不平衡电流偏大３号发电机试运行并网后，机端零序电流随着万方数据负荷电流的增大而增大，带满负荷时机端零序电流达２００ｍＡ左右，发电机正常运行时零序ＴＡ检测出如此大的零序不平衡电流是不正常的，要确保零序方向元件正常工作，必须消除或减少正常运行时的零序不平衡电流。３．１．２机端零序ＴＡ的传变性能不满足要求在区外单相接地故障时，机端零序电流应为：３Ｉｏ＝一Ｕｏ・（１／ＲＮ－Ｉ－歹・３ｃｔＪ・Ｃｇ）中性点零序电流应为：ｊ仍＝Ｄｏ／ＲＮ显然，在所有相关ＴＡ变比传变和极性正确的情况下，区外单相接地故障时机端零序电流应大于中性点零序电流。而根据试验结果，机端零序电流却远小于中性点电流，可推测机端零序ＴＡ传变特性不满足精度要求，导致相位关系不正确。机端零序ＴＡ的变比为１００／５Ａ，在模拟区外单相接地故障时，升励到中性点零序电压为１０Ｖ（１７３Ｖ抽头），接地变二次侧电流为１０ＶＸ２３０／１７３／ｏ．２４Ｑ＝５５．３９Ａ，接地变一次侧电流为５５．３９Ａ／６０＝０．９２３Ａ，在近似认为电阻性电流与电容性电流相等的情况下（实际电容性电流比电阻性电流小），流过机端零序ＴＡ一次的电流为０．９２３×√２＝１．３０５Ａ（实际电流要小一些），这么小的电流通过１００／５Ａ的ＴＡ传变，变比和相位误差难以满足要求，ＴＡ变比需要重新选择。３．２针对初次试验发现问题的解决方案３．２．１规范发电机主引出电缆的排列布置，消除不平衡电流针对３号发电机并网带满负荷时机端零序电流高达２００ｍＡ的异常情况，广西电力工业勘察设计研究院组织技术力量进行现场查线、与业内专业人士进行技术研讨、赴飞来峡电厂进行技术调研，最后将问题的重点落到发电机主引出电缆的布置方案。机端零序电流与电缆的布置有很大的关系，原设计由于未对发电机主引出电缆的布置作明确规定，现场施工时电缆布置较随意。而根据理论分析及赴飞来峡电厂调研情况发现，机端零序电流与电缆的布置有很大的关系，要求三相电缆穿过零序ＴＡ时达到较好的磁平衡，有效减少互感引起的不平衡电流。广西电力工业勘察设计研究院进行了设计补充，对发电机主引出电缆在电缆桥架上排列布置的方式做了严格要求，施工单位对电缆重新进行了布置。３．２．２重新设计并定制机端零序ＴＡ原设计机端零序ＴＡ为测量级ＴＡ，变比为１００／５Ａ，ＴＡ的正常传变范围为２５％～１００％的一】０５红水河２００８年第５期次额定电流，因此该ＴＡ保证正常传变特性的范围是一次额定电流为２５～１００Ａ。根据中性点接地装置计算结果，发电机定子接地最大电流约为１２Ａ，磁，递升励磁电流，直到发电机零序电压超过保护定值，检验保护的动作行为。多次接地试验结果表明，区内单相接地故障时，定子接地保护可靠动作；区外原ＴＡ显然无法满足要求。经过计算核定，决定采用额定二次电流为１Ａ的零序电流互感器，变比为２０／１单相接地故障时，定子接地保护可靠闭锁。２００８年７月，５号发电机同样进行了模拟接地试验，试验结果同样验证了零序方向元件的正确性。Ａ。由于该变比的ＴＡ匝数少，其对消除不平衡电流的影响提出了更高的要求，存在相当高的技术难度，需特制生产。３，３再次试验２００８年５月，新装设的４号发电机主引出电缆采用调整后的磁平衡布置方式进行布置，零序ＴＡ特制生产完成，装设于发电机主引出电缆桥架上的平行段，发电机并网带满负荷后机端零序ＴＡ测出的不平衡电流仅为几毫安，可忽略不计，发电机不平衡电流已得以消除，可进行发电机区内、区外单相接４结语长洲水利枢纽发电机选择性定子接地保护采用中性点零序电压元件作为动作判据，将接地变压器二次侧电流与发电机机端零序电流叠加合成后再与机端零序电压构成零序方向元件，比较合成零序电流与机端零序电压之间的相位关系，可准确判断发电机区内、区外单相接地故障。发电机中性点接地变压器二次侧电流的引入，对于实现机组并网前以及单台机组并网情况下的选择性具有重要意义。长洲水利枢纽发电机定子接地保护方案从设计提出到试验成功，经历了相当多的波折和多次艰难的技术探讨，最终试验成功，目前已正式投运。参考文献：［１］王维俭．电气主设备继电保护原理与应用（２版）［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００２．［２］贺家李，宋从矩．电力系统继电保护原理［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００４．［３］陈俊，沈全荣．扩大单元接线发电机定子接地保护方案［Ｊ】．电力系统自动化，２００７，３１（２４）：８６—８９．［４］穆大柱，伊项根．中小型水利枢纽中发电机定子单相接地保护原理的探讨［Ｊ］．继电器，２００５，３３（２２）：１０一１５．地故障的模拟试验，验证零序方向元件的正确性。４号机组的相关参数如下：发电机单机容量４２ＭＷ，定子绕组每相对地电容０．７９１心，发电机主引出线送出电缆每相对地电容０．１０８８弘Ｆ，发电机中性点接地变压器电压变比１３．８ｋＶ／２３０Ｖ，接地变压器二次负载电阻Ｏ．２５Ｑ，机端零序ＴＡ变比为２０／１Ａ，接地变二次侧ＴＡ变比为６００／０．５Ａ。发电机的定子出线端设置单相接地点，模拟发电机区内单相接地故障，在ＴＡ０与出口断路器之间设置单相接地故障点，模拟发电机区外单相接地故障。为了保证接地试验不对发电机及电网构成威胁，试验在一台未并网的发电机上进行，先在停机状态下设置好接地故障点，启动机组至空载，手动投励（上接第１０１页）要求，闸门主行走支承采用悬臂滚轮，可正、反向支承、行走。面板布置于靠内江一侧，闸门侧止水、顶止水同布于内江侧。闸门按等荷载布置２根主梁，设主轮４个，侧轮４个，闸门上附２个铰轴连接的拍门。两个拍门结构型式相同，均布置于２根主梁上，水平梁为角钢，纵粱和边梁均为槽钢，拍门面板设在上游侧（即靠内江一侧）。拍门止水安装在快速闸门速闭门的要求。为降低启闭机的容量，采用悬臂式定轮支承。主轮按等荷载布置，直径为８００ｒｎｒｎ，材料采用ＺＧ３４０—６４０，主轨选用铸钢轨道，材料为ＺＧ３５ＣｒＭｎ。主轮轴材料采用４０Ｃｒ，轴承材料采用自润滑复合材料，此种材料具有摩擦系数低，承载能力高，受温度影响极小，可免去润滑维护等优点，能有效延长闸门设备的使用寿命。门体的下游侧，为环型橡胶水封。止水封水面设计成倾斜式，倾斜角为１０。，使拍门依靠自重即可与水封良好接触。５结语在闸门上设拍门的快速闸ｆ－Ｊ工ｌｉ妙地解决了混流泵的启动和事故保护，并缩短出水管（流道）长度，节约工程投资，对于类似工程项目具有一定的参考价值。４闸门支承型式本快速闸门的工作条件为动水启闭，并且有快１０６。万方数据
