发电机定子绕组单相接地保护的原理与存在的问题及改进分析

1 引言

发电机定子接地是指发电机定子绕组回路及与定子绕组回路直接相连的一次系统发生的单相接地短路。定子接 按接地时间长短可分为瞬时接地、断续接地和永久接地；按接地范围可分为内部接地和外部接地；按接地性质可分为 金属性接地、电弧接地和电阻接地；按接地原因可分为真接地和假接地。

近几年来，各种原理的发电机定子绕组单相接地保护装置纷纷出现，如三次谐波电压型、零序电流型等，但零序电压型由于其接线简单、维护方便、运行可靠等优点，仍在中小型机组上广泛应用。因此，对零序电压型单相接地保护进行分析和改进，仍有现实意义。

2 零序电压型单相接地保护原理

6kV发电机为中性点不接地系统，当发生定子绕组单相接地时，故障点将出现零序电压。下面以A相定子绕组任一点发生金属性接地故障为例进行分析。

当中性点直接接地系统（又称大接地电流系统）中发生接地短路时，将出现很大的零序电压和电流。还有在中性点不直接接地系统中当发生单相接地时，也会产生零序电压。零序电源在故障点，故障点的零序电压最高，系统中距离故障点越远处的零序电压就越低，取决于测量点到大地间阻抗的大小。

如图1所示，假设A相在距中性点a处（a表示由中性点到故障点的匝数中该相总匝数的百分数）的d点发生接地故障。

则零序电压为（推导过程略）：Ud0=-aEA

上式表明，故障点的零序电压与a成正比，即接地点离中性点越远，零序电压越高。这样，可以利用接于机端的电压互感器开口三角形取得零序电压，构成单相接地保护，如图2所示。

3 存在问题与改进

图2是最基本的零序电压型发电机定子接地保护，实际运行中，经常发生保护误动或拒动现象。因此，有必要对这些问题进行分析与改进，从而提高保护的正确动作率。

3.1 动作电压值整定

变压器 bian ya qi利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁心（磁芯）。在电器设备和无线电路中，常用作升降电压、匹配阻抗，安全隔离等。变压器按用途可以分为：配电变压器、电力变压器、 全密封变压器、组合式变压器、干式变压器、油浸式变压器、 单相变压器、电炉变压器、整流变压器、电抗器、抗干扰变压器、防雷变压器、箱式变电器 试验变压器、转角变压器、大电流变压器、励磁变压器。

零序电压型单相接地保护，是从机端电压互感器开口三角形侧取得零序电压，接入保护用的过电压继电器。理想情况下，发电机正常运行时，TV开口三角形侧无零序电压，继电器不动作。但实际上，发电机在正常运行情况下，其相电压中存在三次谐波电压；另外，在变压器高压侧发生接地短路时，由于变压器高低压绕组之间有电容存在，发电机机端也会产生零序电压。为了保证保护动作的选择性，保护的整定值应躲开上述三次谐波电压与零序电压。根据运行经验，电压值一般整定为15~20V之间。按此值整定后，由于靠近中性点附近发生接地故障时，零序电压低，保护可能不会起动，故此种保护的保护范围约为由机端到中性点绕组的85%左右，保护存在死区。为了减小死区，提高保护的灵敏性，应采取措施降低动作电压。包括装设三次谐波电压滤过器、利用变压器高压侧的零序电压将接地闭锁等方法来实现。接线原理如图3所示。

将发电机出口6.3kV侧零序由压经三次谐波滤过器LF滤波后，作为起动量输入定子接地继电器KE中，为防止变压器高压侧接地时对低压侧的影响，将35kV侧零序电压作为制动量输入KE中，这样保护的整定值可降低。实际运行中电压值可整定在10V以下，可实现对发电机定子绕组90%范围以上单相接地保护。

3.2 发信或跳闸

规程规定，对于出口电压为6.3kV的发电机，当接地电流等于或大于5A时，单相接地保护作用跳闸；小于5A时，一般只发信号不跳闸，这是基于保护发电机定子绕组而作出的规定。由于电力系统都在不断扩大，现有系统的电容电流一般都在5A以上，按照规定发电机是应该跳闸的。但实际运行中，受各种因素影响，单相接地误动率还是较高的，发电机频频停机影响较大。这样，在发信和跳闸上进一步研究提有必要的。

向电力机车供电的牵引供电系统的安全运行应该得到保证。一旦发生事故，安装于牵引变电所（开闭所、分区亭）内的继电保护装置即被事故产生的短路电流启动，自动将向事故点供电的断路器断开，以缩小事故范围，保证其他设备的安全运行和向非事故线路正常供电。这种因事故而自动断开断路器的动作，称为"跳闸".

（1）应准确区分接地点在发电机侧还是在6kV厂用系统。多数中小电厂，发电机与厂用系统是联为一体的，构成6kV不接地系统。为准确区分接地点，可在厂用分支处装一方向零序电流保护，当判断为6kV厂用系统单相接地时，因线电压对称，仍可继续运行（一般为2h）。当判断为发电机侧单相接地时，可按下面（2）跳闸方式处理。

（2）跳闸方式选择。现代电厂，一般都是多台锅炉与汽机通过母管并列运行。这样，当判断为发电机侧单相接地时，为避免发电机停机，可将该6kV系统上不重要的辅机跳闸，以减少电容电流至规定值以下，避免发电机定子铁心进一步烧损。在此期间，值班人员可对接地点进行确认，确认无误后，再通过调整系统负荷，对接地发电机进行停机处理。

3.3 保护动作时间

国家有关规程对发电机定子绕组单相接地保护的动作时间未作明确规定，各电厂应根据本厂机组的实际运行情况给出延时时间。根据运行经验，延时时间应躲过变压器高压侧后备保护的动作时间，一般为3~5s为宜，否则容易误动。

4 小结

在发电机主保护动作跳闸，发电机重新零起升压过程中，值班人员发现发电机出现零序电压时，未直接切断灭磁开关来消除发电机磁场能量，而是将发电机电压降至零后才断开励磁调节柜输出开关Q4,延误了事故处理时间，甚至有可能扩大事故。因为若故障点在发电机内部的定子回路中，则二次升压后故障电压持续时间过长，会对定子回路造成严重损坏，造成无法挽回的后果。因此，处理此类事故时要头脑冷静，可直接采取切断灭磁开关的办法来处理。发电机定子绕组单相接地保护，对于中小型发电机，可采用零序电压型保护，实际运行中，应根据系统接线与运行方式，决定保护接线、定值整定、跳闸方式等，以利于发电机定子单相接地保护准确而可靠地动作。