基于三次谐波电压的定子接地保护技术

反应零序电流和零序电压动作的接地保护，对定子绕组都不能达到100%的保护范围。对于大容量的机组而言，由于振动较大而产生的机械损伤或发生漏水（指水内冷的发电机）的原因，使靠近中性点附近的绕组发生接地故障的可能性增大，如果这种故障不能及时发现，则可能进一步发展成匝间或相间短路，另外，如果定子绕组又在其他地点发生接地，则形成两点接地短路，这两种结果都会造成发电机的严重损坏，需要装设100%定子绕组的接地保护。

100%定子接地保护装置一般由两部分组成。第一部分是零序电压保护，如上所述的保护定子绕组的85%以上，第二部分则用来消除零序电压保护的死区。构成第二部分保护的方案主要有：

（1）附加直流或低频电源的保护方式。通过发电机端的电压互感器将直流或低频电流注入定子绕组，当定子绕组发生接地时，保护装置将反应于此注入电流的增大而动作。外加电源式定子接地保护具有灵敏度高，能正确反映绕组绝缘下降的优点，如ABB公司采用外加12.5Hz编码信号电源以及西门子采用的20Hz低频电源构成的定子接地保护等，都有较高的抗干扰能力和灵敏度。

（2）反应三次谐波电压比值的保护方式。早期的三次谐波零序电压的保护方案多采用单侧量构成保护判据，由于三次谐波电势受工况影响较大且发电机都各自有自身规律，仅利用单侧电量构成的保护判据灵敏度较低且保护范围小。国内主要利用发电机存在固有三次谐波电势的特点，以定子绕组接地时中性点三次谐波电压和机端三次谐波电压比值的变化作为保护动作的判据。目前，这种兼用机端和中性点三次谐波电压变化来构成的保护方案能够单独实现100%定子绕组的保护。

行波原理用于发电机定子绕组单相接地并取得了一些进展，但要提高它的可靠性尚需克服许多困难。以下介绍基于三次谐波电压的保护方案。

1.发电机三次谐波电势的分布特点

由于发电机气隙磁通密度的非正弦分布和铁磁饱和的影响，在定子绕组中感应的电势除基波分量外，还含有高次谐波分量，其中，三次谐波电势虽然在线电势中可以将它消除，但在相电势中依然存在。因此，每台发电机总约有百分之几的三次谐波电势，以E3表示。

如果把发电机的对地电容等效地看作集中在发电机的中性点N和机端S处，每端为，并将发电机端引出线、升压变压器、厂用变压器以及由电压互感器等设备的每相对地电容C0S也等效地放在机端，则正常运行情况下的等效网络如图712所示，由此即可求出中性点及机端的三次谐波电压分别为

此时，机端三次谐波电压与中性点三次谐波电压之比为

由式（721）可见，在正常运行时，发电机中性点侧的三次谐波电压U3N总是大于发电机端的三次谐波电压U 3S。极限情况是，当发电机出线端开路（即C0S＝0）时，U3N＝U3S。

当发电机中性点经消弧线圈接地时，其等值电路如图713所示，假设基波电容电流得到完全补偿，则

图712　发电机三次谐波电势和对地电容的等值电路图

图713　发电机中性点接有消弧线圈时，三次谐波电势及对地电容的等值电路图

此时发电机中性点侧对三次谐波的等值电抗为

将式（722）代入式（723），整理后可得

发电机端对三次谐波的等值电抗为

因此，发电机端三次谐波电压和中性点三次谐波电压之比为

式（726）表明，接入消弧线圈以后，中性点的三次谐波电压U3N在正常运行时比机端三次谐波电压U3S更大。

在正常运行情况下，尽管发电机的三次谐波电势E3随着发电机的结构及运行状况而改变，但是其机端三次谐波电压与中性点三次谐波电压的比值总是符合以上关系的。(www.xing528.com)

当发电机定子绕组发生金属性单相接地时，设接地发生在距中性点α处，其等值电路如图714所示。此时不管发电机中性点是否接有消弧线圈，恒有

U3S、U3N随α而变化的关系如图715所示。当α＜50%时，恒有U3S＞U3N。

因此，如果利用机端三次谐波电压作为动作量，而用中性点侧三次谐波电压作为制动量来构成接地保护，且当U3S≥U3N时为保护的动作条件，则在正常运行时保护不可能动作，而当中性点附近发生接地时，则具有很高的灵敏性。或者利用图715中U 3N的变化曲线构成低电压元件，可以反应定子绕组中性点侧约50%范围以内的接地故障。

图714　发电机内部单相接地时，三次谐波电势分步的等值电路图

图715　U3S、U3N随α的变化曲线

2.保护方案

目前采用的常规保护方案主要有以下三种

方案一

方案二

方案三

式中：为可调整的复比例系数。

方案一是国外应用较多的一种方案，即中性点三次谐波低电压保护，该方案受系统运行方式的影响较大，灵敏度也不高。方案二、三均利用了比值的变化来反映定子接地故障。真机试验表明，发电机正常运行时，和及其比值也随运行工况，如输出有功和无功而变化，这牵涉到许多难以事先考虑的因素。以励磁气隙磁密Bf为平顶波的凸极发电机为例，由于纵轴电枢反应对三次谐波励磁磁通势起助磁作用，随着感性负载的增大，电枢反应对三次谐波的助磁作用增大，并且励磁磁密的三次谐波也在加大，必然导致发电机三次谐波电压增大，所以会随着运行工况而变化。但其比值却改变很小，尤其是的相位差随输出功率的变化很小，基本上可将绝缘正常发电机的相位差变化量近似为零，因此可以认为是一个常数。方案三在动作回路中引入幅值和相角调节系数，因而可以较大限度地减小动作量，从而降低制动量，灵敏度有很大的提高。但方案三由于的选取与发电机运行方式有关，不宜选得过低，灵敏度仍然受到限制。

3.自适应保护方案

由于发电机正常运行方式改变和系统振荡引起的机端和中性点三次谐波电压及其比值的变化与定子接地故障时引起的变化相比要缓慢得多，而微机强大的记忆和计算功能使保护能自动跟踪这种变化，从而实现自适应保护。目前，普遍应用的自适应保护方案为

方案四

式中：tcc为计算间隔，一般取两个或三个工频周期。

从形式上看，方案四与常规的方案三相同，只是采用了适时跟踪的调整系数，因而制动系数β4的整定不受发电机结构和工况的影响，只取决于跟踪计算误差。正常运行时，方程左侧动作量近似为零，因此制动系数β4可取的很小。故障发生时，三次谐波电压分布发生突变且很容易满足判据，其灵敏度与常规保护方案相比有很大提高。