1、7.3 7.3 发电机定子绕组单相接地保护发电机定子绕组单相接地保护 如前所述，由于发电机容易发生绕组线棒和定子铁芯如前所述，由于发电机容易发生绕组线棒和定子铁芯之间绝缘的破坏，因此之间绝缘的破坏，因此发生单相接地故障的比例很高发生单相接地故障的比例很高，约，约占定子故障的占定子故障的70%70%80%80%。由于。由于大型发电机组定子绕组对地大型发电机组定子绕组对地电容较大电容较大，当发电机机端附近发生接地故障时，故障点的，当发电机机端附近发生接地故障时，故障点的电容电流比较大，影响发电机的安全运行；同时由于接地电容电流比较大，影响发电机的安全运行；同时由于接地故障的存在，会引起接地弧光过电
2、压，可能导致发电机其故障的存在，会引起接地弧光过电压，可能导致发电机其他位置绝缘的破坏，形成危害严重的相间或匝间短路故障。他位置绝缘的破坏，形成危害严重的相间或匝间短路故障。7.3.1 7.3.1 发电机定子绕组单相接地时电气量的特征发电机定子绕组单相接地时电气量的特征中性点不接地的发电机内部发生单相接地故障时中性点不接地的发电机内部发生单相接地故障时：中性点不接地的发电机，当发电机内部单相接地时，中性点不接地的发电机，当发电机内部单相接地时，接地电容电流应在规定的允许值之内。大型发电机由于接地电容电流应在规定的允许值之内。大型发电机由于造价昂贵，结构复杂，检修困难，且容量的增大使得其造价昂贵
3、，结构复杂，检修困难，且容量的增大使得其接地故障电流也随之增大，为了防止故障电流烧坏铁芯，接地故障电流也随之增大，为了防止故障电流烧坏铁芯，大型发电机有的装设了消弧线圈，通过消弧线圈的电感大型发电机有的装设了消弧线圈，通过消弧线圈的电感电流与接地电容电流的相互抵消，把定子单相接地故障电流与接地电容电流的相互抵消，把定子单相接地故障电流限制在规定的允许值之内电流限制在规定的允许值之内。中性点采用高阻接地方式的发电机内部单相接地故障时中性点采用高阻接地方式的发电机内部单相接地故障时：对于中性点采用高阻接地方式的发电机（即中性点经对于中性点采用高阻接地方式的发电机（即中性点经配电变压器接地，配电变压
4、器的二次侧接小电阻），其配电变压器接地，配电变压器的二次侧接小电阻），其主要目的是限制发电机单相接地时的暂态过电压，防止主要目的是限制发电机单相接地时的暂态过电压，防止暂态过电压破坏定子绕组绝缘，但另一方面也人为地增暂态过电压破坏定子绕组绝缘，但另一方面也人为地增大了故障电流。大了故障电流。因此采用这种方式接地的发电机定子接因此采用这种方式接地的发电机定子接地保护应选择尽快跳闸地保护应选择尽快跳闸。假设假设A A相在距离定子绕组中心点相在距离定子绕组中心点处发生金属性接地故障，如图所处发生金属性接地故障，如图所示，其中表示示，其中表示中性点到故障点的绕组占全部绕组的百分数，作近似中性点到故障点
5、的绕组占全部绕组的百分数，作近似估计时机端各相对地电势为：估计时机端各相对地电势为：wCfCkAECEBECDUADU0kUAEkAADEU)1(ABBDEEUACCDEEU 假设假设A A相在距离定子绕组中心点相在距离定子绕组中心点处发生金属性接地故障，如图所处发生金属性接地故障，如图所示，其中表示示，其中表示中性点到故障点的绕组占全部绕组的百分数，作近似中性点到故障点的绕组占全部绕组的百分数，作近似估计时机端各相对地电势为：估计时机端各相对地电势为：wCfCkAECEBECDUADU0kUAEkACDBDADkEUUUU)(310故障零序电压故障零序电压 上式表明，零序电压将随着故障点位置
6、的不同而改变。当上式表明，零序电压将随着故障点位置的不同而改变。当=1=1时，时，即机端接地，故障点的零序电压即机端接地，故障点的零序电压 最大，等于额定相电压。最大，等于额定相电压。当中性点不接地时，故障点接地电流为：当中性点不接地时，故障点接地电流为：AwfkECCjI)(3当中性点经消弧线圈接地时，故障点接地电流为：当中性点经消弧线圈接地时，故障点接地电流为：AwfkECCLjI)(310kUfC0kUfC)1(wCfC0kUfC)1(wCL3 零序电压随故障点位置变化的曲线图如图所示零序电压随故障点位置变化的曲线图如图所示。越靠近机端，故障点的。越靠近机端，故障点的零序电压就越高，零序
7、电压就越高，可以利用基波零序电压构成定子单相接地保护可以利用基波零序电压构成定子单相接地保护。7.3.2 7.3.2 利用零序电压构成的定子单相接地保护利用零序电压构成的定子单相接地保护10003()U V0pU1.0 零序电压常用于发电机变压器组的接地保护。发电机变压器组的一次接零序电压常用于发电机变压器组的接地保护。发电机变压器组的一次接线及相关对地电容如下图所示，用集中电容表示。线及相关对地电容如下图所示，用集中电容表示。7.3.2 7.3.2 利用零序电压构成的定子单相接地保护利用零序电压构成的定子单相接地保护 零序电压可取自发电机机端零序电压可取自发电机机端TVTV开口三角绕组或中性
8、点开口三角绕组或中性点TVTV二次侧。二次侧。当保护动作于跳闸且零序电压取自发电机机端当保护动作于跳闸且零序电压取自发电机机端TVTV开口三角绕组时需要开口三角绕组时需要有有TVTV一次侧断线的闭锁措施。一次侧断线的闭锁措施。7.3.2 7.3.2 利用零序电压构成的定子单相接地保护利用零序电压构成的定子单相接地保护/1003NU03U03U100 100/333NU 影响不平衡零序电压的因素主要有：影响不平衡零序电压的因素主要有：1 1 发电机的三次谐波电势；发电机的三次谐波电势；2 2 机端三相机端三相TVTV各相间变比误差；各相间变比误差；3 3 发电机电压系统中三相对地绝缘不一致；发电
9、机电压系统中三相对地绝缘不一致；4 4 主变高压侧接地故障时由变压器高压侧传递到发电机系主变高压侧接地故障时由变压器高压侧传递到发电机系统的零序电压。统的零序电压。7.3.2 7.3.2 利用零序电压构成的定子单相接地保护利用零序电压构成的定子单相接地保护7.3.3 7.3.3 三次谐波电压构成的定子单相接地保护三次谐波电压构成的定子单相接地保护33)(2ECCCUwffS1 保护原理保护原理 把发电机的对地电容等效地看作集中在发电机的中性把发电机的对地电容等效地看作集中在发电机的中性点点N N和机端和机端S,S,且每相的电容大小都是且每相的电容大小都是0.5Cf0.5Cf，并将发电机端，并将
10、发电机端引出线、升压变压器、厂用变压器以及电压互感器等设备引出线、升压变压器、厂用变压器以及电压互感器等设备的每相对地电容的每相对地电容CwCw也等效在机端，并设三次谐波电势为也等效在机端，并设三次谐波电势为E3E3。2fC3E3NUwCNS2fC3SU等效电路发电机端的三次谐波电压为：发电机端的三次谐波电压为：发电机中性点侧的三次谐波电压为：发电机中性点侧的三次谐波电压为：33)(22ECCCCUwfwfNwffNSCCCUU233 由式可见，在正常运行时，发电机中性点侧的三次谐由式可见，在正常运行时，发电机中性点侧的三次谐波电压波电压UN3总是大于发电机端的三次谐波电压总是大于发电机端的三
11、次谐波电压US3。当发电机孤立运行时，即发电机出线端开路，当发电机孤立运行时，即发电机出线端开路，Cw=0时，时，UN3=US3。机端三次谐波电压与中性点三次谐波电压之比为：机端三次谐波电压与中性点三次谐波电压之比为：)2(323wfSCCX 当发电机中性点经消弧线圈接地时，如图所示。当发电机中性点经消弧线圈接地时，如图所示。发电机端对三次谐波发电机端对三次谐波的等值电抗为：的等值电抗为：2fC3E3NUwCNS2fC3SUL3发电机中性点侧对三次谐波的等值电抗为：ffNCLCLX32)3(3)32)(3(33假设完全补偿假设完全补偿)27(63wfNCCX)(31wfCCL 发电机机端三次谐
12、波电压和中性点三次谐波电压之比为：发电机机端三次谐波电压和中性点三次谐波电压之比为：)2(9273333WfWfNSNSCCCCXXUU 上式表明，接入消弧线圈后，中性点的三次谐波电上式表明，接入消弧线圈后，中性点的三次谐波电压压UN3在正常运行时比机端三次谐波电压在正常运行时比机端三次谐波电压US3更大。在发更大。在发电机出线端开路后，及电机出线端开路后，及Cw=0时，则：时，则：33SNUU9733NSUU 当发电机定子绕组发生金属性单相接地时，设接地发当发电机定子绕组发生金属性单相接地时，设接地发生在距离中性点生在距离中性点，其等效值电路如图所示。，其等效值电路如图所示。此时，不管发电机
13、中性点是否接有消弧线圈，总是有：此时，不管发电机中性点是否接有消弧线圈，总是有：2fC3E3NUwC2)1(fC3SU3)1(E3E3E3SU3NU040206080100(%)中性点机端33EUN33)1(EUS和和两者之比为：两者之比为：133NSUU 因此，如果利用机端三次谐波电压因此，如果利用机端三次谐波电压U US3S3作为动作量，而作为动作量，而用中性点三次谐波电压用中性点三次谐波电压U UN3N3作为制动量来构成接地保护。动作为制动量来构成接地保护。动作条件为：作条件为：在正常运行时保护不可能动作，而当中性点附近发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，则具有很高的灵敏度，生接地时，则具有很高的灵敏度，但是利用此原理构造但是利用此原理构造的保护，只能保护的保护，只能保护50%50%范围以内的接地故障范围以内的接地故障。33NSUU100%100%定子绕组单相接地保护定子绕组单相接地保护=三次谐波接地保护三次谐波接地保护+基本零序电压保护基本零序电压保护33/NSUU2 反应三次谐波电压比值的定子单相接地保护反应三次谐波电压比值的定子单相接地保护动作判据：动作判据：整定比值，随着发电机中性点的接地方式不同整定比值，随着发电机中性点的接地方式不同 而不同。而不同。
