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大型水轮发电机定子接地方式及其继电保护的相关问题分析摘要：本文分析了定子中性点接地方式在中国大型水轮发电机，单相接地继电保护存在问题的原则。
分析了配电变压器中性点接地方式及消弧线圈接地的优点及各自的缺点，探讨了电流双频率保护的原理及故障的原因及相应的预防措施。
注入保护及新技术的应用发展。
最后对大型水轮发电机定子接地保护技术进行了总结和展望。
关键词：水轮发电机；定子单相接地；中性点接地方式；继电保护；故障诊断1引言中国水电资源开发的规模空前扩大，大型水轮发电机作为一种重要的电源点，将更加广泛地应用于电力系统。
绝缘损坏引起的定子单相接地故障是大型水轮发电机的常见故障，约占定子故障总数的70%～80%。
当定子绕组为单相接地时，故障电流幅值和暂态过电压及保护方式与发电机中性点接地方式密切相关。
当发电机定子单相接地时，接地电流由故障点、接地电容和三相定子绕组组成。
定子电流的大小和持续时间将直接影响定子铁心的烧毁程度。
目前，在定子接地保护安装大型水轮发电机组有2种：接地故障信息作为接地保护的100%标准双频率，包括基波零序电压保护和3次谐波电压保护；外部注入保护交流电源信号的基础上。
保护动作分为2种：一种是直接作用于跳闸停止，另一种是作用于信号，故障单元在传递负载后再平稳停止。
大型水轮发电机定子单相接地保护装置涉及的许多内容是复杂的，和存在的问题，发展中的问题，如在大型水轮发电机定子中性点接地方式，单相接地保护的新技术，进行了深入的分析和评论。
2水轮发电机中性点的接地方式水轮发电机定子单相接地故障的定子和发电机中性点接地方式的损伤程度的电流密切相关，需要考虑2个问题：接地电流会造成故障扩大，将会影响到定子铁心的烧伤程度的大小和持续时间；接地故障的绝缘定子的其他位置的瞬态过电压所造成的损害，可能导致接地故障的发展阶段或匝间短路故障。
水轮发电机的三相对电容大于汽轮发电机，单相接地电流较大。
中性点经消弧线圈接地补偿流过地面以不超过允许值的电容电流，从而限制了短路电流，使保护只能停止信号由调度负荷转移，当然，也可以对动作的直接影响。
![[整理]9-GB 50062-92电力装置的继电保护和自动装置设计规范](https://img.taocdn.com/s1/m/39fd9a74a8114431b80dd85a.png)
电力装置的继电保护和自动装置设计规范GB50062-92主编部门：中华人民共和国能源部批准部门：中华人民共和国建设部施行日期：1992年12月1日第一章总则 (1)第二章一般规定 (2)第三章发电机的保护 (3)第四章电力变压器的保护 (5)第五章3～63KV中性点非直接接地电力网中线路的保护 (7)第六章110KV中性点直接接地电力网中线路的保护 (8)第七章母线的保护 (9)第八章电力电容器的保护 (10)第九章3KV及以上电动机的保护 (10)第十章自动重合闸 (11)第十一章备用电源和备用设备的自动投入装置 (12)第十二章自动低频减载装置 (12)第十三章同步并列及解列 (13)第十四章二次回路 (13)附录一名词解释 (14)附录二同步电机和变压器在自同步和非同步合闸时允许的冲击电流倍数 (15)附录三本规范用词说明 (15)第一章总则第1.0.1条为了在电力装置的继电保护和自动装置的设计中，贯彻执行国家的技术经济政策，做到安全可靠、技术先进和经济合理，制定本规范。
第1.0.2条本规范适用于各行业3～110kV电力线路和设备,单机容量为25MW及以下发电机，63MV A及以下电力变压器等电力装置的继电保护和自动装置的设计。
第1.0.3条继电保护和自动装置的设计应选用按国家规定鉴定合格的产品。
第1.0.4条电力装置的继电保护和自动装置设计，除应执行本规范外，尚应符合国家现行的有关标准和规范的规定。
第二章一般规定第2.0.1条电力网中的电力设备和线路，应装设反应短路故障和异常运行的继电保护和自动装置。
继电保护和自动装置应能尽快地切除短路故障和恢复供电。
第2.0.2条电力设备和线路应有主保护、后备保护和异常运行保护，必要时可增设辅助保护。
第2.0.3条继电保护和自动装置应满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求，并应符合下列规定：一、继电保护和自动装置应简单可靠，使用的元件和接点应尽量少，接线回路简单，运行维护方便，在能够满足要求的前提下宜采用最简单的保护。
附件1四川金康电力发展有限公司保护投退管理规定（试行）第一章总则第一条为规范发电运行人员的继电保护和水机保护投退行为与要求,特制定本制度。
第二条本制度适用于金康水电公司各生产管理相关部门及外委维护单位。
第三条下列文件对于本文件的应用是必不可少的。
凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
（一）《继电保护和安全自动装置技术规程》GB 14285-2006 （二）《四川电力系统调度管理规程》四川省电力公司2007年1月（三）《关于下达金康水电站及有关送出设备调度命名编号的通知》（四川省调〔2011〕7号）（四）《金康水电站并网调度协议》GF—2003—0512（2011年2月）（五）《中国大唐集团公司发电企业运行管理办法》（大唐集团制〔2005〕61号）第四条定义和术语（一）省调：指四川省电力调度控制中心。
（二）公司：指四川金康电力发展有限公司。
（三）发电部：指公司承担电站运行维护管理工作的生产职能部门。
第二章继电保护和水机保护投退操作管理规定第五条以下继电保护为省调管辖范围，涉及的相关保护投退必须经省调调度员批准，运行值长根据省调命令进行保护投退工作，并做好相应记录。
（一）220kV系统的相关继电保护：220kV母线和220kV出线的继电保护装置。
（二）主变压器的中性点接地方式和中性点保护：1号、2号主变压器高压侧接地零序保护和间隙零序保护、主变高压侧开关失灵保护。
第六条以下继电保护不归省调管辖，由金康水电站自行负责，投、退必须办理审批手续，经相关部门审核、生产副总经理批准后，运行值长方可执行，并做好相应记录。
（一）1～2号水轮发电机继电保护，包括：发电机纵联差动、发电机横差保护、95％定子接地保护、100％定子接地保护、转子一点接地保护、定子过负荷、失磁保护、低电压保持过电流保护。
（二）1～2号水轮机机械保护，包括：机械过速159％Ne 保护、电气过速155％Ne保护、油压装置事故低油压保护、机械过速115％Ne且主配拒动保护、电气过速147%Ne保护、瓦温上限保护、机械过速115％Ne且主配拒动保护动作时跳灭磁开关保护、事故停机时剪断销剪断保护。
水电厂发电机变压器保护原理及继电保护措施水电厂是通过水轮发电机将水能转化为电能的，而发电机则将机械能转化为电能。
在水电厂的发电机与变压器中，针对潜在的故障，我们需要安装一些保护措施。
1.发电机保护原理发电机保护通常采用欠压保护、过流保护和瞬时过电流保护。
其中欠压保护常常用来保护没有励磁的发电机，一旦发电机的励磁电源中断，欠压保护会立即启动，将发电机与其周围电网分离，从而避免不可逆的损害。
过流保护则能够检测到负载瞬时爆发的过电流，通过预设的动作时间，使过载电流影响到发电机的时间最小化，保证其持续稳定的运行。
瞬时过电流保护则是在对发电机进行短路测试时启用的，预设一定的瞬时电流上限，只要瞬时电流超过该阈值即会触发保护动作，避免对发电机造成深度损坏。
2.变压器保护原理变压器保护的常规方法是利用差动保护、过流保护和过热保护。
其中，差动保护用来保护变压器内部的分接头和绕组，触发保护动作时会将变压器断电，防止因分接头或绕组短路导致的火灾或爆炸等安全问题。
当变压器内部运行过程中出现负载变化或其内部环境温度过高时，过流保护就跟进，将变压器断电，以保证变压器的长期稳定性。
过热保护则能够检测到变压器内部温度的变化，超温保护器通过热敏原理感应温度的变化，从而可以实现变压器的快速停机。
3.继电保护措施为了加强发电机和变压器的保护措施，我们还需要采用继电保护措施，它可以通过对机械和排放系统的监控，对潜在故障进行快速发现和隔离。
这里介绍一些常见的继电保护措施：1)机械保护：机械保护通常利用轴承温度监控、振动检测和滑环电缆检测等方法，这些措施能够很好地监控机械件的状态，并及时发现异常情况。
2)排放保护：排放保护通常采用燃气检测器、压力监测器等设备，一旦检测到排放异常，就能够触发保护措施，保障发电机和变压器的安全稳定运行。
3)智能保护：智能保护通过对发电机或者变压器的监控与数据分析，能够实时预测出潜在的故障和维护需求，并将其推送给设备运维人员，从而增强了设备的运行保障和运维效率。
水轮发电机继电保护
失磁保护水轮发电机失去励磁后，一方面将从系统吸收大量的无功功率，引起电力系统的电压下降，另外发电机失磁后将过渡到异步运行，水轮发电机的异步功率较小，在异步运行时反应功率较大，而反应功率是以两倍转差变化的，因而发电机的有功功率将随反应功率而产生较大摆动，影响系统稳定运行，还可能导致发电机定子和转子过热.鉴于近期投产的水轮发电机均采用静止励磁，存在失磁的可能性，因此需装设失磁保护。
目前失磁保护主要由按静稳边界或按异步边界整定的阻抗元件、判别系统电压降低的低电压元件、判别转子电压异常降低的元件以及防止误动作的闭锁元件和延时元件等构成。
失步保护大容量发电机失步时对系统影响较大，而且长时间的振荡电流将使定子绕组过热及端部遭受机械损伤，规程规定容量为300 MW及以上的发电机宜装设失步保护。
处于电动机工况的抽水蓄能机组由于失步期间机端电压大幅度波动，其输入功率亦将随之急剧变化，从而严重的扰乱了泵组的正常运行，必须要装设失步保护，将机组及时切除。
失步保护可由双阻抗元件构成，也有在主轴上方装齿盘(其齿数与磁极数对应)，利用探头监侧其脉冲可获知转子的频率，并在保护装里中与系统的频率做比较，侧得功角变化，来判别机组是否失步。
过电压保护水轮发电机甩负荷后，转速将突然上升，可能导致定子电压过分升高，危及发电机绝缘，为此应装设过电压保护。
该保
护延时动作于灭磁和切除断路器。
过负荷保护为保护发电机定子绕组过负荷，装设定时限过负荷保护;50 MW及以上的水轮发电机装设定时限负序过负荷保护作为发电机转子表层过负荷保护，100 MW及以上的水轮发电机还装设定时限转子绕组过负荷保护。
对称短路故障时对灵敏性的要求;对于采用自并励励磁方式的发电机，为考虑短路电流衰减所产生的影响，防止后备保护拒动，采用低电压起动电流自保持的过电流保护或精确工作电流足够小的低阻抗保护。
定子绕组接地保护根据规程要求.容量为100MW及以上的发电机装设保护区为100%的定子接地保护，容量为100 MW以下的发电机则装设保护区不小于90%的定子接地保护。
过去发电机的中性点接地方式一般为：采用不接地或电压互感器接地方式;当接地电容电流大于允许值时，采用欠补偿的消弧线圈接地方式.将接地电流降至安全值以下。
上述保护装置多采用带时限动作于信号的方式，让发电机在短时间内仍维持运行。
近些年来，一些从国外引进的和国内部分大型水轮发电机，则着眼于首先保证发电机的安全以及考虑水电站正在逐步向少人和无人值班方向发展的趋势，采用了保护装置动作于跳闸的方式。
采用这一方式的发电机，其中性点大多经配电变压器接地，配电变压器的二次侧接有电阻，该电阻按单相接地故障时流过的有功电流与电容电流相当进行选择(一般不超过巧一 30A)。
此时保护应动作于立即跳闸。
转子回路一点接地保护保护可采①叠加直流电压的一点接地保
护.它用电压互感器的二次电压经整流后叠加于转子绕组的一极和大轴之间.保护装置则串接其中，这种方案在转子的正端接地和负端接地时灵敏性相差很大，不适用转子绝缘电阻原本较低的发电机。
②叠加交流电压的一点接地保护.这种方案的缺点是灵敏性受转子回路对地电容值的影响，如电容较大，正常时就有较大电容电流通过，势必影响保护的灵敏性，此外在发生励磁电压突变，外部短路振荡等暂态过程中，有可能误动.因此不适用大机组。
针对故障和不正常运行的类型，水轮发电机装设有纵联差动保护、定子绕组匝间短路保护、过电流保护、定子绕组接地保护、转子回路一点接地保护、失磁保护、失步保护、过电压保护、过负荷保护等。
纵联差动保护除容量在1MW及以下的发电机采用电流速断、低电压或过电流作为发电机及其引出线的相间短路保护外，较大容量的发电机均装设带速饱和变流器或具有比例制动特性的差动继电器来保护发电机及其引出线的相间短路故障。
近期来少数大型发电机还采用了不完全纵联差动保护及适应多分支分布中性点接线方式的差动保护。
带速饱和变流器的电磁型差动继电器，它接入的是发电机中性点和机端引出线相同各相的差电流，利用速饱和变流器通过非周期电流时的饱和特性，有利于躲过保护区外部短路产生的不平衡电流引起的误动作，但延缓了保护的动作速度。
比例制动式差动继电器分别设有差动线圈和制动线圈，差动线圈接人的是发电机中性点和机端引出线相同各相的差电流，制动线圈流过的电流则分别为发电机中性
点侧和机端引出线侧的电流，它是一种在外部短路时有很强的制动能力，在内部短路时可大大提高保护灵敏性的差动继电器，使用比较普遍。
不完全纵联差动保护适用于定子绕组具有多个并联分支，且引取发电机中性点侧的全电流比较困难的大型水轮发电机，其时发电机中性点侧只是将部分分支的电流互感器与反应整个相电流的出口侧电流互感器和差动继电器共同组成一套不完全纵联差动保护。
采用多分支分布中性点接线方式的大型水轮发电机，采用通常的完全纵联差动接线难于实现，有的电站采用了在定子绕组中性点侧的每相每个分支均配置一个电流互感器，而在出口侧则是每相配置一个电流互感器，将中性点侧电流互感器二次绕组按奇数和偶数分别并联，其中一个串接出口侧电流互感器二次绕组 (另一个则不串接)后与两只具有比例制动特性的差动继电器连接，构成综合式差动保护，回路串接有出口侧电流互感器二次绕组的差动继电器实现纵联差动保护功能，回路未经申接的差动继电器实现匝间短路保护功能。
定子绕组匝间短路保护50 MW以下的水轮发电机一般可不设匝间短路保护，50MW及以上的水轮发电机如果中性点只有3个引出端子时，根据用户和制造厂的意见，必要时可装设基于零序电压原理构成的匝间短路保护装置.该保护所连接的发电机电压互感器的一次侧中性点不能接地，并和发电机中性点直接连在一起，因此该电压互感器应该是专用的，其一次绕组应为全绝缘。
保护装置除设有三次谐波滤过器外，为防止外部两相短路及电压互感器断线时误动，设有负序功率方向和断线闭锁，此外还需采取必要的措施，防止在发电机起动过
程频率变化时对三次谐波滤波器的影响而误动，组成比较复杂。
对定子绕组具有两个并联分支的发电机，宜装设一个单继电器式横联差动保护，为消除发电机电动势波形畸变所产生的高次谐波的影响，中性点电流互感器的输出经过高次谐波滤波器。
对具有3个或3个以上并联分支的发电机，可在各分支中性点连接后的中性点连线上装设一个或多个横差继电器。
近年来经过对水轮发电机在各种工况下流经发电机中性连线上不平衡电流的波形、幅值、频率变化规律成因的研究，提出可以大幅度降低该保护的整定值，从而使该保护发展成能保护定子多相短路、各种类型匝间短路、绕组开焊等故障，也就是说具有作为发电机内部故障的主保护的功能。
过电流保护作为发电机外部相间短路故障和发电机主保护的后备，根据短路故障时电流增大、电压下降或出现负序分量等特征，可构成各种类型的过电流保护。
①仅反应故障电流的过电流保护;②低电压起动的过电流保护，电压降低和电流增大同时出现时保护动作;
③反应负序电压增大、相间电压降低和电流增大的带复合电压起动的过电流保护，负序电压元件能增加不对称短路故障时的灵敏性;④负序过电流加单元件低电压起动的过电流保护，可以同时反应不对称和不对称。
