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[摘要] 注入式定子接地保护能单独实现发电机定子100％绕组的保护，通过某电厂2×300 MW发电机组注入式定子单相接地保护的现场调试，分析了20Hz注入式定子接地原理、试验过程等。总结了注入式定子接地保护在设计、安装和现场调试方面应注意的问题，可作相关调试工程参考。
[关键词] 定子接地保护 100％ 外加20Hz注入方式 现场调试
0.引言
目前火力发电机组一般设计成发电机－变压器单元组的接线方式，发电机中性点通过接地变接地。根据统计，其发生单相接地故障的可能性远大于其它故障类型。发电机定子单相接地故障具有很大的潜在危害性，可能导致更为严重的绕组短路故障。目前基于稳态量的基波零序电压和三次谐波电压保护组合实现100％定子绕组接地保护得到广泛的应用。基波零序电压保护简单可靠，但在发电机中性点附近存在死区。传统的三次谐波电压保护在运行中容易误动，并且随着定子绕组对地电容的增加，灵敏度降低。采用20Hz注入式定子接地保护可解决保护死区问题，并且对于发电机静止、启停机和并网运行各种工况下都能够起到保护作用。本文通过20Hz注入式定子接地保护的现场调试，探讨了注入式定子接地保护调试方法以及工程现场需要注意的问题。
1.某电厂注入式接地保护介绍
1.1现场基本情况
某电厂为2×300MW单元机组，其中发电机额定电压20kV，发电机额定功率为300MW，机组－变压器电容参数分别如下，其中发电机每相0.232uF，高厂变0.01796uF，主变0.033uF，母线0.0045uF，每相总计电容Cg=0.2875uF。中性点接地变压器电压比为20kV/220V，负载电阻为0.47Ω，测量电压抽头处为173V。该电厂采用四方CSC-300发变组保护，其中定子接地保护采用两种原理的保护，A套保护采用基本零序电压和三次谐波电压保护，B套保护采用20Hz注入式定子接地保护。
1.2注入式定子接地保护构成
外接电源低频注入式定子接地保护采用20Hz电源注入的方式，保护构成如图1。
图120Hz定子接地保护构成图
装置硬件采用西门子7XT33(20Hz发生器)和7XT34(20Hz带通滤波器)。其中注入接地变压器二次绕组侧的20Hz电压来自负载电阻上的电压降，负载电阻和带通滤波器在20Hz频率下的等效电阻8Ω共同组成了电阻分压器。保护通过测量二次回路的零序电压UG0、零序电流IG0，滤出低频分量后，计算出定子绕组侧接地故障电阻阻值，从而实现定子绕组的接地保护。
2现场试验及分析
2.1相位补偿试验
为了校正CT的角度误差，以及由非理想中性点接地变压器带来的角度失真，电压回路和电流回路硬件检测通道相位延迟的差异等进行相位补偿试验。图1中电压和电流是与接地电阻相关的，因而同名端而相差180°。
更改图1的试验接线，试验接线由a点更换到b点，读取此时的相角φ，修改定值中补偿角，其定值可设为φ+180°，电压、电流相角补偿后为180°。试验结束后恢复接线。注意二次接地不应断开，试验获得相角补偿定值为为2°。
2.2 金属短路试验测量补偿阻抗
图2考虑接地变压器参数的型等效电路
试验前，首先将保护装置阻抗补偿定值清零，并联补偿设为最大，电阻折算系数为1。
根据图2短路试验可得到接地变漏阻抗。发电机静止状态下，将接地变压器高压侧出线铜排对地金属性短接，读取此时测量电阻、电抗值，分别作为电阻、电抗补偿值。补偿后测量电阻值应该接近零。
短路试验后，才能进行开路试验。即将接地变与发电机定子回路相连，空载时读取测量电阻值，将该阻值作为并联电阻补偿定值。该电阻包括了接地变激磁阻抗及定子对地回路在内的对地绝缘电阻。
试验获得电阻、电抗补偿定值分别为1.4Ω和1.023Ω。
2.3电阻折算系数核实
电阻折算系数经理论计算为=131.4(其中接地变变比；和分别为电压、电流变换器变比。
为核实该系数的正确性，将变比设为1，在中性点挂接1kΩ电阻，一次实际电阻与二次测量电阻的比值即为KT ，试验获得电阻折算系数为131。
2.4定子绕组单相接地模拟试验
在中性点挂接不同阻值的电阻，模拟定子绕组接地。在进行了电阻折算系数、电阻、电抗补偿后测试不通保护采样显示的阻值和实际的阻值误差应该满足要求，表1为不同阻值下的电流、电压及保护测量值。
表1不同阻值下的保护测量及误差
实际
值 /W 电流/mA) 电压/mV 相角 保护测量/W 误差
(%)
0 35.7 65.47 -33 0.2 —
405 32 147.7 -6.9 404 -0.24
670 30 201 -0.7 665 -0.74
1000 27.9 250 3.4 995 -0.5
2000 22.9 377.5 9.6 1994 -0.3
3000 19 462.8 13.9 3043 1.433
4000 16.7 525.6 17.7 4059 1.476
5067 14.8 576 20.5 5129.8 1.23
∞ 5.6 920 92 — —
2.5定子绕组接地安全电流实际测量
发电机定子接地故障对发电机的危害主要集中在以下两方面，过电压对绝缘的损害和大的接地电流对定子铁芯的伤害。安全电流限制即只有当接地故障电流超过规程规定的安全允许电流時，才允许接地电阻跳闸判据动作。
图3 发电机定子单相接地零序等值电路
根据图3计算 ：
，其中Z’n= 3.8843 kW，Zc’==3.6905kW，Rg=0
经理论计算电压＝2.67kV，机端线电压为4.62kV。
装置采样理论安全电流计算：
则0.8可靠系数下安全电流值为0.6266A
根据上述计算，在发电机出口压变处A相通过接地线进行金属性接地，并在地线上接一高精度的钳形相位表。缓慢增加励磁电流，发电机电压从零慢慢增加，直至钳形表计电流为1A时，读取保护装置显示电流，按照0.8可靠系数进行调整。
由试验情况，滨海#1机组现场测得试验数据：装置测量零序电流IG10 = 0.96A；装置测量零序电压UG10=28.07V；安全电流定值Isafe=0.8IG10=0.7683A
3.工程应用注意的问题
3.1现场试验中的安全问题
为了静态试验模拟的正确性，必须完成发电机－变压器一次设备连接的完善性。对于自并励的机组，励磁变、发电机出口压变、高厂变高压侧、主变低压侧的软连接和封闭母线应全部连接。
在静态条件下进行接地保护调试，根据接地保护的注入源电压25V，内阻8Ω，中性点负载电阻0.47Ω，接地变变比20/0.22。计算一次侧电压为：
因此，在基建试验过中必须做好相应的监护工作，发电机内部、主变和厂变高压侧等工作的人员必须撤离，做好安全隔离措施。如果在检修过程中，则必须断开外部20 Hz注入源。
在发电机机端约25%的额定电压空载下测试安全电流，在试验过程中应特别注意单相金属接地导线接地的可靠性，防止虚接地或者不接地而使导线带高电压造成人身和设备安全。另外在试验时应缓慢增加励磁电流，试验过程中专人监护，如果异常情况进行紧急灭磁。
为防止短路点电流未到1A而使基波零序定子接地保护动作，应将基波零序电压定值抬高，而为了防止升压超过计算值，造成短路电流过大，基波定子接地定值设置为30V，0s跳闸（实际试验时基波零序为28.07V）。
3.2避免接地变副边多点接地[1]
应避免接地变低压侧的两点接地，从而使注入电源在两接地点之间构成环流，影响保护的正确测量。对图1中，实际接地变压器二次通过负载抽取173V的回路到A屏作为基本零序电压，如果A屏该点接地、B屏K1点也接地。两个接地点造成了接地变压器低压侧绕组一部分被短接，从发电机中性点侧看，相当于中性点接地电阻减小，不利于定子接地保护。
3.3注入回路电缆的选取
对于注入回路电缆的选取，保护装置输入电压取自分压器，分压器的输入电压选取有保护屏、直接取自中性点接地变压器的二次绕组、直接取自中性点接地电阻。工程一般取自中性点接地电阻，文献[2]认为三种情况的区别除了存在测量误差问题，还存在电压回路连接电缆短路时保护是否误动的问题。当运行中发生电压回路连接电缆短路时，前两种方式保护会误动，只有后一种方式保护不误动。
另外，注入源的电缆和保护装置输入电压必须是独立的电缆，因为较长的电缆具有较大的电阻影响测量精度。在调试过程中，由于现场中性点电阻处的内部电缆未引出，因此用夹子和临时导线进行连接，后发现测量电阻偏差很大。经检查是因为夹子的接触电阻较大而引起的测量误差。因此为保證测量的精度和防止干扰，注入回路电缆应选用等效电阻较小的屏蔽控制电缆，电缆的接触必须可靠，并且电缆的截面尽量选取较大。
3.4二次流变的安装位置
文献[3]认为如图1中，如果二次流变安装位置改变，相当于图中a点电缆位置移动b点，发电机中性点处模拟一点接地故障时，注入电源输出到负载电阻R 上的电压被拉低，相应的流过中间电流互感器的电流也变小，不能正确计算接地过渡电阻。若接线正确，发电机中性点处模拟一点接地故障时，虽然注入电源输出到负载电阻R上的电压被拉低，但是注入的电流(流过中间电流互感器的电流)却是增大的。
3.5 定期检查注意点[4]
20 Hz电源装置的可靠性是外加电源型定子一点接地保护能否正确动作的前提，因此保护装置必须能够检测出外加20 Hz电源及其引线故障，以防止不必要的误动作。在定期检验中，当发现装置检测到的接地电阻偏差较大时，可通过调整定值组中的接地电流修正角度和传变电阻，使接地电阻测量值误差最小。
3.6测量电压取自机端电压的探讨
目前注入式保护测量电压取自中性点接地变二次负载，测量电压是否可以取自发电机机端PT的开口三角电压，在调试过程中进行了相关的试验，其中电阻折算系数K＝128，电阻、电抗补偿系数为0，通过现场试验证明该种试验方法是可行的。该种接线方式在测试精度上无明显优势，但不需要进行电阻和电抗补偿。
参考文献:
[1] 张琦雪，席康庆，陈佳胜.大型发电机注入式定子接地保护的现场应用及分析[J].电力系统自动化.2007,31(11)，103 -107.
[2] 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[J].继电器.2004,32(16)，51-56.
[3] 凌洪政,韩海彦,陈佳胜,张琦雪.注入式定子接地保护在大型水电机组上的应用分析[J].红水河.2009,29(4)，80-83.
[4] 高磊,胥亚宁.20Hz注入式定子接地保护在700 MW水电机组的应用[J].水电站机电技术.2009.8,32(4)，29-30.
[关键词] 定子接地保护 100％ 外加20Hz注入方式 现场调试
0.引言
目前火力发电机组一般设计成发电机－变压器单元组的接线方式，发电机中性点通过接地变接地。根据统计，其发生单相接地故障的可能性远大于其它故障类型。发电机定子单相接地故障具有很大的潜在危害性，可能导致更为严重的绕组短路故障。目前基于稳态量的基波零序电压和三次谐波电压保护组合实现100％定子绕组接地保护得到广泛的应用。基波零序电压保护简单可靠，但在发电机中性点附近存在死区。传统的三次谐波电压保护在运行中容易误动，并且随着定子绕组对地电容的增加，灵敏度降低。采用20Hz注入式定子接地保护可解决保护死区问题，并且对于发电机静止、启停机和并网运行各种工况下都能够起到保护作用。本文通过20Hz注入式定子接地保护的现场调试，探讨了注入式定子接地保护调试方法以及工程现场需要注意的问题。
1.某电厂注入式接地保护介绍
1.1现场基本情况
某电厂为2×300MW单元机组，其中发电机额定电压20kV，发电机额定功率为300MW，机组－变压器电容参数分别如下，其中发电机每相0.232uF，高厂变0.01796uF，主变0.033uF，母线0.0045uF，每相总计电容Cg=0.2875uF。中性点接地变压器电压比为20kV/220V，负载电阻为0.47Ω，测量电压抽头处为173V。该电厂采用四方CSC-300发变组保护，其中定子接地保护采用两种原理的保护，A套保护采用基本零序电压和三次谐波电压保护，B套保护采用20Hz注入式定子接地保护。
1.2注入式定子接地保护构成
外接电源低频注入式定子接地保护采用20Hz电源注入的方式，保护构成如图1。
图120Hz定子接地保护构成图
装置硬件采用西门子7XT33(20Hz发生器)和7XT34(20Hz带通滤波器)。其中注入接地变压器二次绕组侧的20Hz电压来自负载电阻上的电压降，负载电阻和带通滤波器在20Hz频率下的等效电阻8Ω共同组成了电阻分压器。保护通过测量二次回路的零序电压UG0、零序电流IG0，滤出低频分量后，计算出定子绕组侧接地故障电阻阻值，从而实现定子绕组的接地保护。
2现场试验及分析
2.1相位补偿试验
为了校正CT的角度误差，以及由非理想中性点接地变压器带来的角度失真，电压回路和电流回路硬件检测通道相位延迟的差异等进行相位补偿试验。图1中电压和电流是与接地电阻相关的，因而同名端而相差180°。
更改图1的试验接线，试验接线由a点更换到b点，读取此时的相角φ，修改定值中补偿角，其定值可设为φ+180°，电压、电流相角补偿后为180°。试验结束后恢复接线。注意二次接地不应断开，试验获得相角补偿定值为为2°。
2.2 金属短路试验测量补偿阻抗
图2考虑接地变压器参数的型等效电路
试验前，首先将保护装置阻抗补偿定值清零，并联补偿设为最大，电阻折算系数为1。
根据图2短路试验可得到接地变漏阻抗。发电机静止状态下，将接地变压器高压侧出线铜排对地金属性短接，读取此时测量电阻、电抗值，分别作为电阻、电抗补偿值。补偿后测量电阻值应该接近零。
短路试验后，才能进行开路试验。即将接地变与发电机定子回路相连，空载时读取测量电阻值，将该阻值作为并联电阻补偿定值。该电阻包括了接地变激磁阻抗及定子对地回路在内的对地绝缘电阻。
试验获得电阻、电抗补偿定值分别为1.4Ω和1.023Ω。
2.3电阻折算系数核实
电阻折算系数经理论计算为=131.4(其中接地变变比；和分别为电压、电流变换器变比。
为核实该系数的正确性，将变比设为1，在中性点挂接1kΩ电阻，一次实际电阻与二次测量电阻的比值即为KT ，试验获得电阻折算系数为131。
2.4定子绕组单相接地模拟试验
在中性点挂接不同阻值的电阻，模拟定子绕组接地。在进行了电阻折算系数、电阻、电抗补偿后测试不通保护采样显示的阻值和实际的阻值误差应该满足要求，表1为不同阻值下的电流、电压及保护测量值。
表1不同阻值下的保护测量及误差
实际
值 /W 电流/mA) 电压/mV 相角 保护测量/W 误差
(%)
0 35.7 65.47 -33 0.2 —
405 32 147.7 -6.9 404 -0.24
670 30 201 -0.7 665 -0.74
1000 27.9 250 3.4 995 -0.5
2000 22.9 377.5 9.6 1994 -0.3
3000 19 462.8 13.9 3043 1.433
4000 16.7 525.6 17.7 4059 1.476
5067 14.8 576 20.5 5129.8 1.23
∞ 5.6 920 92 — —
2.5定子绕组接地安全电流实际测量
发电机定子接地故障对发电机的危害主要集中在以下两方面，过电压对绝缘的损害和大的接地电流对定子铁芯的伤害。安全电流限制即只有当接地故障电流超过规程规定的安全允许电流時，才允许接地电阻跳闸判据动作。
图3 发电机定子单相接地零序等值电路
根据图3计算 ：
，其中Z’n= 3.8843 kW，Zc’==3.6905kW，Rg=0
经理论计算电压＝2.67kV，机端线电压为4.62kV。
装置采样理论安全电流计算：
则0.8可靠系数下安全电流值为0.6266A
根据上述计算，在发电机出口压变处A相通过接地线进行金属性接地，并在地线上接一高精度的钳形相位表。缓慢增加励磁电流，发电机电压从零慢慢增加，直至钳形表计电流为1A时，读取保护装置显示电流，按照0.8可靠系数进行调整。
由试验情况，滨海#1机组现场测得试验数据：装置测量零序电流IG10 = 0.96A；装置测量零序电压UG10=28.07V；安全电流定值Isafe=0.8IG10=0.7683A
3.工程应用注意的问题
3.1现场试验中的安全问题
为了静态试验模拟的正确性，必须完成发电机－变压器一次设备连接的完善性。对于自并励的机组，励磁变、发电机出口压变、高厂变高压侧、主变低压侧的软连接和封闭母线应全部连接。
在静态条件下进行接地保护调试，根据接地保护的注入源电压25V，内阻8Ω，中性点负载电阻0.47Ω，接地变变比20/0.22。计算一次侧电压为：
因此，在基建试验过中必须做好相应的监护工作，发电机内部、主变和厂变高压侧等工作的人员必须撤离，做好安全隔离措施。如果在检修过程中，则必须断开外部20 Hz注入源。
在发电机机端约25%的额定电压空载下测试安全电流，在试验过程中应特别注意单相金属接地导线接地的可靠性，防止虚接地或者不接地而使导线带高电压造成人身和设备安全。另外在试验时应缓慢增加励磁电流，试验过程中专人监护，如果异常情况进行紧急灭磁。
为防止短路点电流未到1A而使基波零序定子接地保护动作，应将基波零序电压定值抬高，而为了防止升压超过计算值，造成短路电流过大，基波定子接地定值设置为30V，0s跳闸（实际试验时基波零序为28.07V）。
3.2避免接地变副边多点接地[1]
应避免接地变低压侧的两点接地，从而使注入电源在两接地点之间构成环流，影响保护的正确测量。对图1中，实际接地变压器二次通过负载抽取173V的回路到A屏作为基本零序电压，如果A屏该点接地、B屏K1点也接地。两个接地点造成了接地变压器低压侧绕组一部分被短接，从发电机中性点侧看，相当于中性点接地电阻减小，不利于定子接地保护。
3.3注入回路电缆的选取
对于注入回路电缆的选取，保护装置输入电压取自分压器，分压器的输入电压选取有保护屏、直接取自中性点接地变压器的二次绕组、直接取自中性点接地电阻。工程一般取自中性点接地电阻，文献[2]认为三种情况的区别除了存在测量误差问题，还存在电压回路连接电缆短路时保护是否误动的问题。当运行中发生电压回路连接电缆短路时，前两种方式保护会误动，只有后一种方式保护不误动。
另外，注入源的电缆和保护装置输入电压必须是独立的电缆，因为较长的电缆具有较大的电阻影响测量精度。在调试过程中，由于现场中性点电阻处的内部电缆未引出，因此用夹子和临时导线进行连接，后发现测量电阻偏差很大。经检查是因为夹子的接触电阻较大而引起的测量误差。因此为保證测量的精度和防止干扰，注入回路电缆应选用等效电阻较小的屏蔽控制电缆，电缆的接触必须可靠，并且电缆的截面尽量选取较大。
3.4二次流变的安装位置
文献[3]认为如图1中，如果二次流变安装位置改变，相当于图中a点电缆位置移动b点，发电机中性点处模拟一点接地故障时，注入电源输出到负载电阻R 上的电压被拉低，相应的流过中间电流互感器的电流也变小，不能正确计算接地过渡电阻。若接线正确，发电机中性点处模拟一点接地故障时，虽然注入电源输出到负载电阻R上的电压被拉低，但是注入的电流(流过中间电流互感器的电流)却是增大的。
3.5 定期检查注意点[4]
20 Hz电源装置的可靠性是外加电源型定子一点接地保护能否正确动作的前提，因此保护装置必须能够检测出外加20 Hz电源及其引线故障，以防止不必要的误动作。在定期检验中，当发现装置检测到的接地电阻偏差较大时，可通过调整定值组中的接地电流修正角度和传变电阻，使接地电阻测量值误差最小。
3.6测量电压取自机端电压的探讨
目前注入式保护测量电压取自中性点接地变二次负载，测量电压是否可以取自发电机机端PT的开口三角电压，在调试过程中进行了相关的试验，其中电阻折算系数K＝128，电阻、电抗补偿系数为0，通过现场试验证明该种试验方法是可行的。该种接线方式在测试精度上无明显优势，但不需要进行电阻和电抗补偿。
参考文献:
[1] 张琦雪，席康庆，陈佳胜.大型发电机注入式定子接地保护的现场应用及分析[J].电力系统自动化.2007,31(11)，103 -107.
[2] 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[J].继电器.2004,32(16)，51-56.
[3] 凌洪政,韩海彦,陈佳胜,张琦雪.注入式定子接地保护在大型水电机组上的应用分析[J].红水河.2009,29(4)，80-83.
[4] 高磊,胥亚宁.20Hz注入式定子接地保护在700 MW水电机组的应用[J].水电站机电技术.2009.8,32(4)，29-30.