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摘要：为给发电机定子配置可靠的接地保护，有效预防单相接地故障的发生，对常见的零序电压、零序电流、谐波电压和外接电源构成的定子接地保护原理展开了分析，并对不同接地保护方式的整定方法进行了探讨，希望通过科学实现定子接地保护整定使保护动作的灵敏性、可靠性得到提升。
关键词：发电机定子；接地保护原理；整定分析
引言：由绕组对地绝缘损坏引发的接地故障为常见发电机故障，受绕组单相接地影响，故障点流过电容电流将引发电弧，造成定子铁芯烧损，引发相间或匝间短路问题，给发电机运行带来安全威胁。加强发电机定子接地保护原理分析，做好接地保护整定工作，能够降低故障发生率，为发电机稳定运转提供保障。
1发电机定子接地保护原理
1.1零序电压接地保护
在定子绕组A相距离中性点x位置发生单相接地故障，该位置将看作零序源。在测量点和大地之间，随着阻抗的变化，零序电压也将随之改变。在机端位置，零序电压如下：
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发生接地故障的绕组A相零序电压为各机端零序电压平均值，能够得到U0=-xEa。在零序电压和x成正比的情况下，可以将机端PT三角侧或中性点单相PT看成是基波零序电压，通过在绕组接线中提供接地保护，使绕组85%部分得到保护。基波零序电压通常在5-15V范围内取值，能够避开不平衡基波电压最大值，因此可靠系数通常在1.2-1.3范围内取值[1]。完成定值校核，需要对规避故障时的变压器绕组间的耦合电压进行分析，也可以根据高压系统接地后备延时进行整定。
1.2零序电流接地保护
在绕组或机端网络发生接地故障时，故障点总电流为电容电流和有功电流和。为确保接地产生的弧光电压比2.6倍额定相电压小，应确保变压器一次侧电阻值吸收电流至少不小于电容电流，满足：
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式中，RN为配电器二次值电阻，CΣ指的是每相对地总电容，Nt为配电变压器变比。基波零序电流为中性点互感器电流，能够为三次谐波阻波部件提供保护。由于动作电流较小，能够躲避基波零序不平衡电流，因此能够使95%的绕组得到保护。发生单相接地时，零序电流属于有功电流，数值较大。
1.3谐波电压接地保护
在稳定运行的过程中，发电机是否接地都会出现中性点三次谐波电压比机端谐波电压大的情况。绕组出现接地故障，中性点位置的谐波电压将发生变化，数值与故障功能点位置相关，因此可以根据该规律实施谐波电压接地保护。应用该种定子接地保护原理，判据如下：
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式中，|Un3|为中性点位置的谐波电压，|Ut3|为机端谐波电压，Kp和β为制动系数，能够提高动作灵敏性。根据定子单相接地故障发生时的三次谐波电压变化情况，可以将保护动作直接施加给信号，以免现场调试过于繁琐，给保护整定带来困难。
1.4外加电源接地保护
采取外加电源接地保护方式，需要对绕组施加发动机额定电压1-3%幅值的低频电源。发生接地故障后，绕组绝缘被破坏，引发对地阻抗改变，而接入的电压信号通过电阻产生电流。根据回路电流对过渡电阻值进行分析，能够确定是否动作。将接地电流当成是判据，满足：
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式中，Rg为过渡电阻，Rg.set为定值。采取该种保护方式，能够使绕组80-90%范围得到保护。但采取该原理需要达到较高信号源要IQu，增设附加设备，通常接地电阻一次值在1-5kΩ范围，高定值延时通常在1-5s之间，低定植通常在0.3-1.0s之间。为避免发生非必要停机，可以增加接地电流闭锁判据。由于保护动作灵敏度与接地位置无关，同时能够使定子绕组绝缘变化情况得到反映，因此应用前景良好。
2发电机定子接地保护整定分析
2.1零序电压保护整定
在配置零序电压接地保护，需要先做好动作电压Uop整定。利用机端三相电压开口三角进行整定，可以得到：
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式中，Uunb.max为最大不平衡定压，可靠系数Krel在1.2-1.3范围内取值。为使动作电压得到减小，保证保护动作灵敏，需要完成三次谐波阻波器的配置，使靠近中心测5-15%死区被缩小至5%以内。配合采用三次谐波判据，能够构成“或”门，使绕组得到100%保护[2]。在动作电压数值超出10kV时，需要对单相接地过程中机端零序电压进行确认，确保电压比动作电压小，以免发生误动问题。而在绕组和机端以外发生单相接地时，均会发生保护动作。
2.2零序电流保护整定
针对中小型发电机，可以直接通过在机端配置零序电流接地保护实施保护整定。机端最小工作电压达到额定电压的0.9倍，绕组距离中性点5%的位置发生接地故障，想要使保护动作可靠，需要对电流互感器自身变比误差和保护动作装置误差进行考量。对保护动作电流Iop进行整定，得到：
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式中，Ker为中性点互感器变比，ΔU%为机端电压额定值上下变化百分数，可取10%，Id（1）为机端最大电压下互感器一次侧电流，NTA为互感器误差，I2n为中性点互感器二次侧额定电流，ΔIer为保护装置误差，可取5%。在实际分析时，机端最大工作电压能够达到额定电压1.1倍，需要对距离中性点5%位置单相接地电流进行计算。为保证继电器动作灵敏，需要合理选取动作电流。采取该种保护方式，能够使绕组95%部位得到保护，不具有选择性，在绕组和外机压系统发生单相接地时，均会发生保护动作，因此通常适用于中性点经过配电器接地的发变机组。在中小型发电机接地保护方面，机端通常配置零序电流互感器，采用零序电流保护方式能够满足机端电压直接与馈电线连接的需求。在绕组内或机压内发生接地故障时，测量电流较小，为电容电流。而母线上连接馈电线路，应确保零序电流保护能够在绕组发生接地故障时可靠动作。在机端外发生接地故障，则不会出现保护动作，因此需使用交流助磁式的保护装置，促使电流得到精确测量，继而使保护动作可靠性得到增强。
2.3谐波电压保护整定
实施三次谐波电压保护整定，可以根据机端或中性点谐波电压确定制动系数，得到不同正实数。利用保护装置软件，可以选择不同的动作方案，完成对应制动系数整定。实际对发电机不同负载状况比值进行测量，能够得到：
式中，m′为机端谐波保护对应比值，m″为中性点对应比值。在m′平均值比m″小时，采取机端保护方案，制动系数K′=(1.05-1.15)m′max，否则采取中性点保护方案，制动系数K″=(1.05-1.15)m″max。该种保护方式带有选择性，靠近中性点附近接地动作较为灵敏，机端外接地不会触发保护动作，因此需要配合零序电压接地保护方式使用。
2.4外加电源保护整定
在中性点的位置实现变压器接地，需要将零序电流接地保护和外加电源保护方式联合使用，为大型发变组安全运行提供保障。在发电机连接的电压系统不存在单相接地故障时，意味着Rg数值接近无穷大，接入20Hz电源意味着1/wc0较大，不会产生过大电流。但发生接地故障，电源电流将增加，使测量电阻随之减小，达到过渡电阻数值，使保护装置发生跳闸。在对Rg.set进行整定时，需要对中性点附近死区进行保护，因此故障点电流满足：
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式中，U相为相电压，RN为配电器二次值电阻。在距离中性点0.2的位置时，可以对Rg.set进行整定，得到相应整定值。
结论：在为发电机定子提供接地保护时，想要使绕组和铁芯安全得到保证，需要保证采用的接地保护原理正确且完善，能够提供科学判据。在实践工作中，需要结合发电机组配置情况选择适合的定子接地保护方式，然后遵循整定原则合理进行零序电压、零序电流等各种接地保护元件的整定，使接地故障能够得到灵敏反映，并通过可靠动作避免接地故障的发生，使发电机定子安全得到保障。
参考文献：
[1]张美锋.发电机定子接地保护动作原因分析[J].电工技术,2020(19):110-111.
[2]康逸群,宋梦琼.大型发电机注入式定子接地保护应用与分析[J].电气技术,2020,21(01):129-132.