适用于单点和两点接地系统的发电机注入式定子接地保护方法

摘要

适用于单点和两点接地系统的发电机注入式定子接地保护方法，保护装置检测发电机机端电流互感器CT二次侧电流，计算得到三相电流信号的有效值：Ia、Ib、Ic；保护装置检测发电机出口断路器GCB跳位位置接点信号TWJGCB；当信号TWJGCB=0时，表示GCB处于合位；当信号TWJGCB=1时，表示GCB处于跳位；保护装置检测主变低压侧接地变压器的隔离刀闸分位位置接点信号TWJSW；当信号TWJSW=0时，表示隔离刀闸处于合位；当信号TWJSW=1时，表示隔离刀闸处于分位；进行工况判别：通过状态判别和两种计算方法，保护装置可灵活实现适应于发电机-变压器组单点和两点接地系统的注入式定子接地保护。

权利要求

1.适用于单点和两点接地系统的发电机注入式定子接地保护方法，其特征是步骤如下：

(1)保护装置检测发电机机端电流互感器CT二次侧电流，计算得到三相电流信号的有效值：Ia、Ib、Ic；

(2)保护装置检测发电机出口断路器GCB跳位位置接点信号TWJGCB；当信号TWJGCB＝0时，表示GCB处于合位；当信号TWJGCB＝1时，表示GCB处于跳位；

(3)保护装置检测主变低压侧接地变压器的隔离刀闸分位位置接点信号TWJSW；当信号TWJSW＝0时，表示隔离刀闸处于合位；当信号TWJSW＝1时，表示隔离刀闸处于分位；

(4)按下面的公式进行工况判别：

max{Ia，Ib，Ic}＞Iset (1)

TWJGCB＝0 (2)

TWJSW＝0 (3)

保护装置检测发电机出口断路器跳位位置接点TWJGCB，检测发电机机端三相电流Ia、Ib、Ic，检测主变压器低压侧接地变压器隔离刀闸分位位置接点TWJSW，利用这三组信息量判别发电机-变压器组的运行状态是单点接地系统状态还是两点接地系统状态；其中，Ia、Ib、Ic是发电机机端CT二次电流值的有效值，Iset是内部定值，一般Iset在3％～10％Irated范围内取值，Irated是发电机额定电流值对应的CT二次电流值；上述条件(1)和(2)的逻辑结果经过逻辑“或门”后，再经“延时”操作，延时定值tset为保护装置内部定值，取值范围是

20ms～100ms，逻辑输出结果再与上述条件(3)经逻辑“与门”，如果输出结果为1，表示当前是两点接地系统状态，如果输出结果为0，表示当前是单点接地系统状态；

其逻辑含义是：如果发电机机端电流足够大，或者GCB的位置接点信号处于合位，则表明发电机与主变压器连接在一起，此时如果主变压器低压侧接地变压器隔离刀闸的位置接点信号也处于合位，则表示当前是两点接地系统状态；如果主变器低压侧接地变压器隔离刀闸的位置接点信号处于分位，则表示当前是单点接地系统状态；如果发电机机端电流足够小，而且GCB的位置接点信号处于分位，则表明发电机没有和主变压器连接在一起，此时是单点接地系统状态；上述逻辑判别中的定值Iset和tset都是内部定值，无需整定；

(5)保护装置检测发电机中性点接地变压器低压侧的电压与电流信号，经过数字滤波，得到低频注入电压信号 和低频注入电流信号(6)如果步骤(4)判别认为当前是单点接地系统状态，则采用下式计算接地故障的过渡电阻：

式中Re(*)，表示取复数相量的实部；

如果步骤(4)判别认为当前是两点接地系统状态，则采用下式进行并联电阻补偿，计算出接地故障的过渡电阻：式中Rp是保护装置中的并联电阻补偿定值，该保护定值通过现场实测可以得到；Rp表示无接地故障时，注入式定子接地保护可以观测到的主变低压侧接地位置的接地过渡电阻Rn2；在两点接地系统状态下，用公式(5)测量到的R′E是接地过渡电阻RE与接地变等值接地电阻Rn2相并联的结果，因此，经过并联电阻补偿后，能够计算出RE；

步骤(6)中Rp实测方法是主变压器高压侧断路器分断，发电机静止，GCB闭合，发电机与主变压器相连，主变压器低压侧接地变压器隔离刀闸闭合，在此状态下由保护装置实测注入的低频电压、电流，用式(4)计算出接地过渡电阻阻值，该电阻值认为是Rp。

(7)接地过渡电阻RE与保护装置中的电阻定值相比较，如果RE小于电阻定值，则经过设定的短延时判定出现了定子接地故障，保护装置报警或跳闸；这是注入式定子接地保护的电阻判据。

2.如权利要求1所述的适用于单点和两点接地系统的发电机注入式定子接地保护方法，其特征是：原常规的注入式定子接地保护中的电流判据不变，即，保护装置检测发电机中性点接地变压器低压侧的电流，当该电流超过保护装置中的电流定值后，经过设定的短延时判定出现了较为严重的定子接地故障，保护装置报警或跳闸。

3.如权利要求1所述的适用于单点和两点接地系统的发电机注入式定子接地保护方法，其特征是：保护装置检测发电机中性点接地变压器低压侧的电压与电流信号，经过数字滤波，得到低频注入电压信号 和低频注入电流信号 如果是单点接地系统状态，采用常规的导纳法计算接地过渡电阻阻值RE；如果是两点接地系统状态，采用导纳法并使用并联电阻补偿的方法计算接地过渡电阻阻值RE。

4.如权利要求1所述的适用于单点和两点接地系统的发电机注入式定子接地保护方法，其特征是：原常规的注入式定子接地保护中的电流判据不变；即保护装置检测发电机中性点接地变压器低压侧的电流，当该电流超过保护装置中的电流定值后，经过设定的短延时判定出现了较为严重的定子接地故障，保护装置报警或跳闸。

说明书

适用于单点和两点接地系统的发电机注入式定子接地保护

方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电力系统领域，更具体地涉及发电机注入式定子接地的继电保护方法。

背景技术

[0002] 目前国产以及从国外引进的大型发电机多采用配电变压器电阻接地方式，是一种高阻抗接地方式。当发电机定子绕组发生单相接地时，故障电流有可能破坏发电机定子铁心，也有可能引起非故障相的对地电压升高，使事故扩大。随着发电机组容量的增大，定子铁心检修也变得复杂，一旦定子铁心受到破坏，检修时间长，机组停机的经济损失十分巨大。因此，大型发电机要求装设无死区的100%定子接地保护。常规的100%定子接地保护是“基波零序电压型”和“三次谐波电压（比率判据）型”判据。其中基波零序电压型保护在发电机中性点附近存在死区；三次谐波电压比率判据可保护距离中性点15%~25%以内的定子绕组接地故障。然而，发电机三次谐波电压与运行工况有关，一方面大型水轮发电机定子绕组多采用波绕组，三次谐波匝电势分布复杂，另一方面，少量汽轮发电机气隙磁场正弦度很好，定子绕组本体三次谐波电压极小；这些因素影响了三次谐波电压比率判据保护的灵敏度。当前大型发电机对定子接地保护提出了更高的要求，倾向于在静止无励磁状态下也要有定子接地保护，有不少机组已经装设了外加低频电源的注入式定子接地保护，该保护可以独立完成100%范围内的定子接地保护。

[0003] 常规的注入式定子接地保护技术的基本原理是：低频电源装置将低频电压加在发电机中性点配电变压器接地负载电阻上，通过接地变压器将低频电压信号注入到发电机定子绕组对地的零序回路中，发电机定子绕组绝缘正常的情况下，注入的电流主要表现为电容电流；当发生接地故障后，注入电流出现电阻性电流。检测注入的低频电压、低频电流信号，通过导纳法可计算出接地故障的过渡电阻，从而判定接地故障。保护逻辑由电阻判据和零序电流判据共同构成，保护装置检测出接地过渡电阻阻值小于定值，判定出现定子接地故障；保护装置检测出零序电流值超过定值，同样判为定子接地故障。

[0004] 目前，国内大多数核电机组，存在主变压器倒送电供厂用负荷的运行方式，由于核电机组强调主变压器倒送电的安全，在主变压器低压侧设置了一个副边绕组开口三角接电阻的接线方式，等效于设置了一个高阻抗接地点。发电机本身中性点还经过一个配电变压器高阻抗接地，因此此类核电机组是两点接地系统。对于这种两点接地系统，上述常规的注入式定子接地保护不能直接应用，需要有新型的注入式定子接地保护方法。

发明内容

[0005] 本发明的目的是：提出一种发电机注入式定子接地保护方法，可以灵活适应于发电机-变压器组的单点和两点接地系统。

[0006] 本发明采取的技术方案是：适用于单点和两点接地系统的发电机注入式定子接地保护方法，设有低频电源装置将低频电源的电压加在发电机中性点配电变压器接地负载电阻上，通过接地变压器将低频电压信号注入到发电机定子绕组对地的零序回路中；保护装置检测发电机机端断路器位置接点，检测发电机机端电流，检测主变压器低压侧接地变压器隔离刀闸（或断路器）位置接点，判别发电机-变压器组的运行状态是单点接地系统状态还是两点接地系统状态；保护装置检测注入的低频电压、低频电流信号，保护装置采用两种计算方法计算接地故障的过渡电阻阻值，单点接地系统时采用常规的导纳法，两点接地系统时，在使用导纳法的同时，进行并联电阻补偿，消除主变低压侧接地电阻对零序回路的影响。用电阻判据和电流判据实现注入式定子接地保护。

[0007] 保护装置检测发电机机端断路器跳位位置接点TWJGCB，检测发电机机端三相电流Ia、Ib、Ic，检测主变压器低压侧接地变压器隔离刀闸（或断路器）分位位置接点TWJSW，判别发电机-变压器组的运行状态是单点接地系统状态还是两点接地系统状态。保护装置检测发电机中性点接地变压器低压侧的电压与电流信号，经过数字滤波，得到低频注入电压信号 和低频注入电流信号 如果是单点接地系统状态，采用常规的导纳法计算接过渡电阻阻值RE；如果是两点接地系统状态，采用导纳法并使用并联电阻补偿的方法计算接过渡电阻阻值RE。将该计算值与保护装置中的电阻定值相比较，如果RE小于电阻定值，则经过设定的短延时判定出现了定子接地故障，保护装置报警或跳闸。这是注入式定子接地保护的电阻判据。原常规的注入式定子接地保护中的电流判据不变。即，保护装置检测发电机中性点接地变压器低压侧的电流，当该电流超过保护装置中的电流定值后，经过设定的短延时判定出现了较为严重的定子接地故障，保护装置报警或跳闸。

[0008] 实施注入式定子接地保护的具体步骤如下：

[0009] （1）保护装置检测发电机机端电流互感器CT二次侧电流，计算得到三相电流信号的有效值：Ia、Ib、Ic；

[0010] （2）保护装置检测发电机出口断路器GCB跳位位置接点信号TWJGCB；当信号TWJGCB=0（信号为低电平）时，表示GCB处于合位；当信号TWJGCB=1（信号为高电平）时，表示GCB处于跳位；

[0011] （3）保护装置检测主变低压侧接地变压器的隔离刀闸分位位置接点信号TWJSW；当信号TWJSW=0（信号为低电平）时，表示隔离刀闸处于合位；当信号TWJSW=1（信号为高电平）时，表示隔离刀闸处于分位；

[0012] （4）按下面的公式进行工况判别：

[0013] max{Ia,Ib,Ic}＞Iset (1)

[0014] TWJGCB＝0 (2)

[0015] TWJSW＝0 (3)

[0016] 保护装置检测发电机机端断路器跳位位置接点TWJGCB，检测发电机机端三相电流Ia、Ib、Ic，检测主变压器低压侧接地变压器隔离刀闸（或断路器）分位位置接点TWJSW，利用这三组信息量判别发电机-变压器组的运行状态是单点接地系统状态还是两点接地系统状态；其中，Ia、Ib、Ic是发电机机端CT二次电流值的有效值，Iset是内部定值，一般Iset在(3%~10%Irated)范围内取值，Irated是发电机额定电流值对应的CT二次电流值；上述条件(1)和(2)的逻辑结果经过逻辑“或门”后，再经“延时”操作（延时定值tset为保护装置内部定值，取值范围是20ms～100ms），逻辑输出结果再与上述条件(3)经逻辑“与门”，如果输出结果为1，表示当前是两点接地系统状态，如果输出结果为0，表示当前是单点接地系统状态；

[0017] 其逻辑含义是：如果发电机机端电流足够大，或者GCB的位置接点信号处于合位，则表明发电机与主变压器连接在一起，此时如果主变压器低压侧接地变压器隔离刀闸的位置接点信号也处于合位，则表示当前是两点接地系统状态；如果主变器低压侧接地变压器隔离刀闸的位置接点信号处于分位，则表示当前是单点接地系统状态；如果发电机机端电流足够小，而且GCB的位置接点信号处于分位，则表明发电机没有和主变压器连接在一起，此时是单点接地系统状态；上述逻辑判别中的定值Iset和tset都是内部定值，无需整定；

[0018] （5）保护装置检测发电机中性点接地变压器低压侧的电压与电流信号，经过数字滤波，得到低频注入电压信号 和低频注入电流信号

[0019] （6）如果步骤（4）判别认为当前是单点接地系统状态，则采用下式计算接地故障的过渡电阻：

[0020]

[0021] 式中Re(*)，表示取复数相量的实部；

[0022] 如果步骤（4）判别认为当前是两点接地系统状态，则采用下式进行并联电阻补偿，计算出接地故障的过渡电阻：

[0023]

[0024] 式中Rp是保护装置中的并联电阻补偿定值，该保护定值通过现场实测可以得到；Rp表示无接地故障时，注入式定子接地保护可以观测到的主变低压侧接地位置的接地过渡电阻Rn2；在两点接地系统状态下，用公式(5)测量到的R′E是接地过渡电阻RE与接地变等值接地电阻Rn2相并联的结果，因此，经过并联电阻补偿后，能够计算出RE；

[0025] （7）接地过渡电阻RE与保护装置中的电阻定值相比较，如果RE小于电阻定值，则经过设定的短延时判定出现了定子接地故障，保护装置报警或跳闸；这是注入式定子接地保护的电阻判据。

[0026] 式中Rp实测方法是主变压器高压侧断路器分断，发电机静止，GCB闭合，发电机与主变压器相连，主变压器低压侧接地变压器隔离刀闸闭合，在此状态下由保护装置实测注入的低频电压、电流，用式(4)计算出接地过渡电阻阻值，该电阻值认为是Rp[0027] 原常规的注入式定子接地保护中的电流判据不变。即，保护装置检测发电机中性点接地变压器低压侧的电流，当该电流超过保护装置中的电流定值后，经过设定的短延时判定出现了较为严重的定子接地故障，保护装置报警或跳闸。

[0028] 保护装置检测发电机中性点接地变压器低压侧的电压与电流信号，经过数字滤波，得到低频注入电压信号 和低频注入电流信号 如果是单点接地系统状态，采用常规的导纳法计算接过渡电阻阻值RE；如果是两点接地系统状态，采用导纳法并使用并联电阻补偿的方法计算接过渡电阻阻值RE。

[0029] 将发电机侧参数统一等效折算到发电机中性点接地变压器低压侧参数。当发电机机端断路器GCB断开、即发电机静止或空载运行和主变压器倒送电运行，或者主变压器低压侧接地变压器隔离刀闸分断时，整个系统属于单点接地系统；当发电机GCB闭合、即并网运行，且主变低压侧接地变压器隔离刀闸闭合时，整个系统属于两点接地系统。

[0030] 本发明的有益效果是：保护装置检测发电机机端断路器位置接点，检测发电机机端电流，检测主变压器低压侧接地变压器隔离刀闸（或断路器）位置接点，判别发电机-变压器组的运行状态是单点接地系统状态还是两点接地系统状态；保护装置检测注入的低频电压、低频电流信号，保护装置采用两种计算方法计算接地故障的过渡电阻阻值，单点接地系统时采用常规的导纳法，两点接地系统时，在使用导纳法的同时，进行并联电阻补偿，消除主变低压侧接地电阻对零序回路的影响。用电阻判据和电流判据实现注入式定子接地保护。

[0031] 不更改注入式定子接地保护的二次接线回路，通过状态判别和两种计算方法，保护装置可灵活实现适应于发电机-变压器组单点和两点接地系统的注入式定子接地保护。适用于发电机-变压器组采用两点接地系统，即除了发电机中性点有一个高阻抗接地点之外，在主变压器低压侧还装设了一个开口三角接地变压器接地的装置。

附图说明

[0032] 图1是本发明的一个典型应用接线图，

[0033] 图2是本发明涉及的单点接地系统与两点接地系统的零序等值电路图，[0034] 图3是本发明设计的判别运行工况的逻辑图。

具体实施方式

[0035] 图1中：

[0036] a.发电机。

[0037] b.主变压器。

[0038] c.发电机出口断路器GCB。

[0039] d.发电机中性点配电变压器。

[0040] e.发电机中性点配电变压器的负载电阻。

[0041] f.主变低压侧接地变压器。

[0042] g.主变低压侧接地变压器的负载电阻。

[0043] h.主变低压侧接地变压器的隔离刀闸。

[0044] i.保护装置测量低频注入电流用的电流互感器。

[0045] j.低频电源。

[0046] k.发电机保护装置。

[0047] 图2中：

[0048] a.低频电源等效电路。

[0049] b.发电机出口断路器GCB。

[0050] c.主变低压侧接地变压器的隔离刀闸。

[0051] 图3中：

[0052] a.电流判别的逻辑元件。当发电机机端三相电流的最大值大于定值，该元件输出逻辑值1，否则输出逻辑值0。

[0053] b.发电机出口断路器GCB跳位位置接点信号元件。当信号TWJGCB=0（信号为低电平）时，表示GCB处于合位，该元件输出逻辑值1；当信号TWJGCB=1（信号为高电平）时，表示GCB处于跳位，该元件输出逻辑值0。

[0054] c.主变低压侧接地变压器的隔离刀闸分位位置接点信号元件。当信号TWJSW=0（信号为低电平）时，表示刀闸处于合位，该元件输出逻辑值1；当信号TWJSW=1（信号为高电平）时，表示刀闸处于跳位，该元件输出逻辑值0。

[0055] d.“或门”操作。

[0056] e.“延时”操作。当输入信号变位时（由0变1，或由1变0），经过延时tset让输出信号等于输入信号。

[0057] f.“与非门”操作。

[0058] g.“与门”操作。

[0059] h.逻辑判别结果输出，判为当前工况为“单点接地工况”。

[0060] i.逻辑判别结果输出，判为当前工况为“两点接地工况”。

[0061] 本发明设计了一种可以灵活适应于发电机-变压器组的单点和两点接地系统的发电机注入式定子接地保护方法。下面结合某电厂一台1089MW汽轮发电机的具体情况，说明该方法的具体实施方式。

[0062] 发电机-变压器组采用两点接地系统，即除了发电机中性点有一个高阻抗接地点之外，在主变压器低压侧还装设了一个开口三角接地变压器接地。主接线图以及注入式定子接地保护接线图所附图图1所示。该发电机额定容量1089MW，额定功率因数0.9，额定电压24kV。发电机机端断路器GCB断开时，发电机侧每相对地电容Cg=0.5283uF，主变侧每相对地电容Ct=0.2885uF。发电机中性点接地变压器额定容量80kVA，额定电压变比24kV/950V，低压侧负载电阻2.867Ω。主变压器低压侧接地变压器额定容量80kVA，额定电压变比24kV/(230V/1.732)，低压侧开口三角所接的负载电阻0.969Ω。

[0063] 将上述参数统一折算到发电机中性点接地变压器低压侧，如附图图2所示，参数为：

[0064] 低频注入电源电压 电源内阻为Rin＝8Ω，中性点接地变压器负载电阻Rn1＝2.867Ω，发电机侧容抗 （注：图2中的ω，为20Hz对应的角频率ω＝2πf＝40πrad/s），主变压器低压侧容抗 主变压器低压侧接地负载
电阻Rn2＝5.511Ω。发生接地故障时的接地过渡电阻RE是保护装置计算的目标。

[0065] 从附图图2等值电路图上看，当发电机GCB断开（发电机静止或空载运行，主变压器倒送电运行），或者主变压器低压侧接地变压器隔离刀闸分断时，整个系统属于单点接地系统。当发电机GCB闭合（并网运行），且主变低压侧接地变压器隔离刀闸闭合时，整个系统属于两点接地系统。

[0066] 实施注入式定子接地保护的具体步骤如下：

[0067] （1）保护装置检测发电机机端电流互感器CT二次侧电流，计算得到三相电流信号的有效值：Ia、Ib、Ic。

[0068] （2）保护装置检测发电机出口断路器GCB跳位位置接点信号TWJGCB。当信号TWJGCB=0（信号为低电平）时，表示GCB处于合位；当信号TWJGCB=1（信号为高电平）时，表示GCB处于跳位。

[0069] （3）保护装置检测主变低压侧接地变压器的隔离刀闸分位位置接点信号TWJSW。当信号TWJSW=0（信号为低电平）时，表示隔离刀闸处于合位；当信号TWJSW=1（信号为高电平）时，表示隔离刀闸处于分位。

[0070] （4）按下面的公式进行工况判别：

[0071] max{Ia,Ib,Ic}＞Iset (1)

[0072] TWJGCB＝0 (2)

[0073] TWJSW＝0 (3)

[0074] 其中，Ia、Ib、Ic是发电机机端CT二次电流值的有效值，Iset是内部定值，一般Iset在(3%~10%Irated)范围内取值，Irated是发电机额定电流值对应的CT二次电流值。上述条件(1)和(2)的逻辑结果经过逻辑“或门”后，再经“延时”操作（延时定值tset为保护装置内部定值，取值范围是20ms~100ms），逻辑输出结果再与上述条件(3)经逻辑“与门”，如果输出结果为1，表示当前是两点接地系统状态，如果输出结果为0，表示当前是单点接地系统状态。其逻辑框图如附图图3所示。

[0075] 其逻辑含义是：如果发电机机端电流足够大，或者GCB的位置接点信号处于合位，则表明发电机与主变压器连接在一起，此时如果主变压器低压侧接地变压器隔离刀闸的位置接点信号也处于合位，则表示当前是两点接地系统状态；如果主变器低压侧接地变压器隔离刀闸的位置接点信号处于分位，则表示当前是单点接地系统状态；如果发电机机端电流足够小，而且GCB的位置接点信号处于分位，则表明发电机没有和主变压器连接在一起，此时是单点接地系统状态。

[0076] 上述逻辑判别中的定值Iset和tset都是内部定值，用户无需整定。

[0077] （5）保护装置检测发电机中性点接地变压器低压侧的电压与电流信号，经过数字滤波，得到如附图图2所示的低频注入电压信号 和低频注入电流信号

[0078] （6）如果步骤（4）判别认为当前是单点接地系统状态，则采用下式计算接地故障的过渡电阻：

[0079]

[0080] 式中Re(*)，表示取复数相量的实部。

[0081] 如果步骤（4）判别认为当前是两点接地系统状态，则采用下式进行并联电阻补偿，计算出接地故障的过渡电阻：

[0082]

[0083] 式中Rp是保护装置中的并联电阻补偿定值，它对应于附图图2中的等值电阻Rn2，该保护定值通过现场实测可以得到。实测方法是主变压器高压侧断路器分断，发电机静止，GCB闭合，发电机与主变压器相连，主变压器低压侧接地变压器隔离刀闸闭合，在此状态下由保护装置实测注入的低频电压、电流，用公式(4)计算出接地过渡电阻阻值，该电阻值认为是Rp，表示无接地故障时，注入式定子接地保护可以观测到的主变低压侧接地位置的接地过渡电阻Rn2。在两点接地系统状态下，用公式(5)测量到的R'E是接地过渡电阻RE与接地变等值接地电阻Rn2相并联的结果，因此，经过并联电阻补偿后，可以计算出RE。

[0084] （7）保护装置经过上述步骤就计算得到了接地过渡电阻RE。将该计算值与保护装置中的电阻定值相比较，如果RE小于电阻定值，则经过设定的短延时判定出现了定子接地故障，保护装置报警或跳闸。这是注入式定子接地保护的电阻判据。

[0085] （8）原常规的注入式定子接地保护中的电流判据不变。即，保护装置检测发电机中性点接地变压器低压侧的电流，当该电流超过保护装置中的电流定值后，经过设定的短延时判定出现了较为严重的定子接地故障，保护装置报警或跳闸。

[0086] 采用上述方法，在不更改注入式定子接地保护的二次接线回路的情况下，可以有效的判别发电机组的当头状态，通过两种计算方法（式4和式5），保护装置可以准确计算接地故障的过渡电阻阻值，从而灵活实现适应于发电机-变压器组单点和两点接地系统的注入式定子接地保护。