丛培永
内蒙古大唐国际锡林浩特发电有限责任公司，内蒙古 锡林浩特市 026000
摘要：发电机作为电力生产的主要设备，其安全稳定运行是保障电力生产的重要条件。发电机定子接地保护是保证发电机安全的重要手段，在发电机实际运行中，通过三次谐波定子接地保护反映中性点附近5%～15%范围内的故障，弥补基波零序电压保护或零序电流接地保护在中性点附近的保护死区。在实际运行中，三次谐波定子接地保护频发报警，给电厂生产运行人员带来了很大的困扰。本文探讨了三次谐波定子接地保护频发报警的原因及处理方法，以期对被同样问题困扰的继电保护同仁有一定帮助。
关键词：发电机；三次谐波定子接地保护；原因分析
0 引言
我国电力系统中，对于100MW及以上的发电机，应装设无动作死区（100%动作区）单相接地保护，一般采用基波零序过电压与三次谐波电压保护共同共同组成的100%单相接地保护[1-11]。基波零序电压定子接地保护主要负责保护距发电机机端85%～90%的定子绕组接地故障；三次谐波定子接地保护主要反映距中性点5%～15%范围内，以较小过渡电阻接地时的定子绕组接地故障，从而弥补基波零序电压保护或零序电流接地保护在近中性点范围内的保护死区[2-11]。
三次谐波定子接地保护其原理是根据发电机机端和中性点的三次谐波电压的变化情况，检测发电机运行状态下机端及中性点三次谐波电压是否达到保护动作方程的要求，以达到发现距中性点5%～15%范围内定子接地故障的目的。
目前，国内实际运行中的发电机三次谐波定子接地保护的出口方式现在一般选择为：发信。在20 世纪90 年代及之前一段时间内，国内一些发电厂将三次谐波定子接地保护出口方式选择为：跳闸，在实际运行中出现较多的三次谐波定子接地保护误动作的情况，相关管理部门为了保证机组的不误跳，规定出口方式为发信方式。
本文针对发电机三次谐波定子接地保护频发报警的处理方法展开讨论。首先，介绍发电机三次定子接地基本保护原理及某电厂采用的四方继保CSC300发电机保护装置三次谐波定子接地保护原理；其次，对某电厂三次谐波定子接地保护频发报警的处理方法进行探讨，分析了影响三次谐波分布的一些原因，现场整定以及厂家保护程序的设置对三次谐波定子保护频发报警的影响,并通过各种试验方法查找到报警频发的根源；最后，对发电机三次谐波定子接地保护频发报警的处理方法进行总结。
1三次谐波定子接地保护的工作原理
1.1发电机定子接地基本原理
发电机定子接地保护的基本原理：因发电机气隙磁通密度的非正旋分布和铁芯饱和的影响，发电机定子中的感应电动势除了基波外，还含有三、五、七次等高次谐波。三次谐波具有零序分量的性质，在线电动势中它们不存在，但在相电动势中仍然存在，以E3表示。 为了便于分析，假定：
（1）把发电机每相绕组对地电容CG分成相等的两部分，每部CG/2分等效地分别集中在发电机的中性点N和机端S。
（2）将发电机端部引出线、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CS也等效的集中放在机端。
根据理论分析，在上述假设条件下，可得出下列结论：
（1）当发电机中性点绝缘（中性点不接地）时，发电机在正常运行情况下，机端S和中性点N处三次谐波电压之比为：
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（1）等效电路图见图（1）
图（1）发电机中性点不接地时等效电路图
（2）当发电机中性点经消弧线圈接地时，若基波电容电流被完全补偿，
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发电机在正常运行情况下，机端S和中性点N处三次谐波电压之比为：
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（3）不论发电机中性点是否接有消弧线圈，当在距发电机中性点α（中性点到故障点的匝数占每相分支总匝数的百分比）处发生定子绕组金属性单相接地时，中性点N和机端S处的三次处的三次谐波电压恒为：UN3=αE3，US3=(1-α)E3
如图（4）所示：
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图（4）UN3=f(α)、US3=f(α)线性关系
从图（4）中可以看出，UN3=f(α)、US3=f(α)皆为线性关系，它们相交于α＝0.5处；当发电机中性点接地时，α＝0，UN3=0，US3=E3；当机端接地时，α=1,UN3=E3，US3=0；当α＜O.5时，恒有US3＞UN3；当α＞O.5时，恒有UN3＞US3。
根据上述结论，用US3作为动作量，UN3作为制动量，构成发电机定子绕组单相接地保护，当US3＞UN3时保护动作，则发电机正常运行时保护不会误动，而在发电机中性点附近发生接地故障时，保护具有很高的灵敏度。利用这种原理构成的发电机定子绕组单相接地保护，能很好的保护定子绕组中性点及其附近范围内的接地故障，对其余范围则可用反应基波零序电压的保护，从而构成了100%发电机定子绕组接地保护。
1.2四方继保CSC300发电机三次谐波定子接地保护原理
三次谐波电压式和基波零序电压式原理共同构成100%定子接地保护。三次谐波零压保护仅反应距中性点25%左右范围的定子接地故障。三次谐波电压式保护反应发电机机端和中性点的三次谐波零序电压比值。三次谐波电压定子接地保护的出口方式可选择为发信或跳闸出口。当负荷电流小于 20%IGe时，采用三次谐波比动作判据；当负荷电流大于等于 20%IGe时，采用动态调整式三次谐波电压差动判据。[3-33]
（1）三次谐波电压比保护
三次谐波电压比保护对应并网前和轻负荷工况，保护的动作判据为：
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式中：为经变比补偿后的中性点侧零序电压的三次谐波电压相量，为机端侧零序电压的三次谐波电压相量。K31为三次谐波电压比定值，必须经过现场实测。 Imax为发电机机端侧最大相电流。
其中：
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式中：Un3为实际的中性点侧零序电压的三次谐波分量。
（2）动态调整式三次谐波电压差动保护
动态调整式三次谐波电压差动保护对应20%额定电流以上的工况，保护的动作判据为：
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式中：为复数，在发电机正常运行时根据软件计算得到，使得修正以后的机端与中性点三次谐波电压相等，方程动作量即左侧量接近于零，从而在发生接地故障时获得最大的相对变化量。K32为三次谐波制动系数定值，取值则只取决于计算误差，可取很小，有利于识别故障。
三次谐波电压采用零点滤波加傅氏算法进行计算，使得基波滤过比高达100 倍以上，即使在系统频率偏移的情况下，仍然能保证很高的基波滤过比。
正常情况下，在机端和中性点侧零序电压输入回路出现异常时，装置能灵敏地检测出来，并发出告警信号，以便运行人员进行处理。
2问题的发现
2.1问题的发现
某电厂为燃气发电厂，装机“二拖一”加“一拖一”，总装机规模为845MW，发现问题的机组为某厂3号机组（汽轮发电机组）。
3号机组自2016年9月-12月间多次发生发电机三次谐波定子接地报警。报警发生后，我们调取了机组DCS的历史曲线，并进行了初步分析，机组DCS历史曲线见图（5），图（5）为2016年12月28日报警发生时的历史曲线图。
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图（5）发电机三次谐波保护报警机组DCS采样录波图
图（5）中曲线1为发电机零序电压，曲线2为发电机中性点零序电流，曲线3为发变组保护B柜报警，曲线4为发电机负序电流，曲线5为发变组保护A柜报警。在图中可以清楚的看到发变组保护A柜报警（曲线5）、发变组保护B柜报警（曲线3）持续时间为11S，根据发电机零序电压（曲线1）、发电机中性点零序电流（曲线2）变化持续的时间与发变组保护A柜报警、发变组保护B柜报警持续时间一致，均为11S,零序电压与零序电流同时发生突变，并与保护装置发出的报警时间吻合，因此可以推断发电机可能发生了单相接地故障，也有可能是保护装置采样回路二次电缆出线了问题，造成了保护装置频发三次谐波报警。
鉴于机组在正常运行，无法通过试验检测发电机是由于设备接地造成了三次谐波报警，还是二次电缆影响造成三次接地报警频繁发生。因此，有待于机组检修时，用试验方法检测确定报警频繁发生的确切原因。
3检查方案
2017年4月，3号汽机发电机检修，我们制定了和发电机三次谐波定子接地有关联的设备、回路的试验检测方案。检查方案分为以下几步：首先检查保护定值及保护装置，并检查与保护装置相关的二次回路，其次检查与发电机的中性点接地变压器及发电机中性点与接地变压器连接的刀闸，再次检查发电机中性点与刀闸之间的铜排。
3.1定值检查
定值通知单
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根据定值单及定值计算书，并与四方CSC300发变组保护装置说明书核对，定值正确。
3.2装置检查
根据定值单，对保护装置的三次谐波定子接地保护进行校验，保护装置采样符合规程规定，且正确动作。
3.3回路检查
在发电机中性点接地变压器柜内，将与发变组保护A、B柜连接的二次电缆打开，并用绝缘摇表（1000V档）检查电缆线芯绝缘，相对地、相间绝缘在100MΩ以上。将柜内与变压器二次绕组连接的二次电缆打开，检查电缆线芯相对地、相间绝缘，在100MΩ以上。证明二次电缆绝缘没有破坏，电缆绝缘完好。
电缆屏蔽芯（网）均按照规程规定接于发变组保护柜及发电机接中性点地变压器点柜内等电位接地铜排上，符合规程规定。
3.4刀闸检查
检查刀闸动静触头在刀闸合闸位置是否到位，接触是否紧密，检查结果是合闸位置时动触头到位且与静触头接触良好。机组运行时，通过红外测温仪，检测刀闸在合闸位置时动静触头结合部位温度正常。
3.5接地变压器检查
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根据表（1）与表（2）试验数据对比，可以确定接地变压器的绝缘、变比、二次分压电阻正常。
3.6发电机中性点与接地变连接铜排检查
根据图（6）发电机中性点接地变压器接线图，检查发电机中性点与刀闸之间的铜排（即图中N与A之间的连接铜排）连接是否紧固。N与A之间连接的铜排是由多段铜排相互连接，并放置与发电机中性点封闭槽盒内，铜排与封闭槽盒采用绝缘瓷瓶支撑，与封闭槽盒绝缘。
经常检查，铜排与铜排之间、铜排与绝缘瓷瓶之间连接紧固。在检查绝缘瓷瓶时，发现绝缘瓷瓶上有水渍。见图（7）。因此通过检查，我们可以确定，是由于封闭槽盒上部漏水，并流到铜排上面，然后流到绝缘瓷瓶上，通过绝缘瓷瓶再流到封闭槽盒下部，而封闭槽盒下部是与系统大地连接的，正是由于这个原因，造成了发电机中性点接地，引发保护装置频繁动作，动作于发电机三次谐波定子接地报警。
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4结论
通过以上分析，我们总结出发生发电机三次谐波定子接地保护动作报警频繁发生，一般有以下几点原因：
4.1发电机定值设置不正确，对保护厂家说明书了解不细致，计算保护定值出现错误，导致保护误动作，报警频繁发生。
4.2保护装置内部逻辑及程序设置不当，造成装置频发三次谐波定子接地报警
4.3发电机定子接地保护所用的二次回路（电缆）绝缘破坏或者未使用合格的带屏蔽的二次电缆，引发保护装置频发发电机三次谐波定子接地报警。
4.4接地变压器与发电机中性点连接的刀闸，刀闸在合闸位置时动静触头接触不紧，造成发电机三次谐波通路不顺畅，引发保护装置频发发电机三次谐波定子接地报警。
4.5发电机中性点接地变压器变比与出厂值有较大出入，造成二次电压采样有出入，引发保护装置频发发电机三次谐波定子接地报警。
4.6发电机中性点接地变压器的二次电压采样回路中的电阻阻值与设计（出厂）阻值有误差，造成电压采样不准确，引发保护装置频发发电机三次谐波定子接地报警。
4.7发电机中性点与接地变压器刀闸静触头之间连接的铜排有铜排未连接或者连接不紧，造成发电机三次谐波通路不顺畅，引发保护装置频繁发电机三次谐波定子接地报警。
4.8发电机中性点与接地变压器刀闸静触头之间连接的铜排绝缘破坏，造成发电机中性点接地，引发保护装置频繁发电机三次谐波定子接地报警。
本文中提到的案例是发电机中性点与接地变压器刀闸静触头之间连接的铜排绝缘破坏，造成发电机中性点接地，引发保护装置频发发电机三次谐波定子接地报警。
通过以上8点分析，在发电机并网运行中，应密切监视保护装置频发发电机三次谐波定子接地报警的现象，并根据实际运行需要及时停机处理，避免发生发电机损坏事故。
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作者简介：
丛培永（1981-），男，汉族，内蒙古赤峰市，本科，工程师，主要研究方向为大型火力发电厂集控运行及管理