（青岛华丰伟业电力科技工程有限公司 山东青岛 266100）
摘要：发电机定子绕组的单相接地故障是发电机的常见故障之一，随着机组单机容量的增大，发电机定子绕组的对地电容也增大。定子单相接地故障时，故障点电弧时断时续，所产生的间歇性过电压，可能造成定子铁心灼伤，甚至发展成匝间或相间短路故障[1]。目前定子单相接地保护原理主要有基波零序电压保护、三次谐波电压保护、外加信号的注入式定子接地保护等，本文分析了发电机单相接地故障特性和数学模型，并对这三种保护的原理及优缺点进行了阐述。
关键词：发电机；单相接地故障；基波零序电压保护；三次谐波电压保护；注入式定子接地保护
1引言
大中型发电机装设无死区的100%定子接地保护是十分必要的。随着机组容量的增大，中性点附近的初期渗漏会引起绝缘的逐步裂化，虽未立即击穿，但接地保护必须立即检测出来，否则持续的渗漏，不仅使渗漏处绝缘进一步劣化，还可能损坏同一线槽其他导线的绝缘和相邻线槽导线绝缘。若该导线靠近出线端，其对地电压为相电压，便会将损坏的绝缘击穿，造成一相出线端单相接地；此时中性点电压立即升到相电压，便将中性点劣化的绝缘击穿，从而导致两点接地故障，甚至进一步蔓延为相间或层间短路故障，使机组严重损坏。另外，由于机械原因，也会导致绝缘的逐步损坏。因此，对于大型发电机组，其定子接地保护应保证具有100%的保护区[2]。
2论文正文
2.1 发电机定子绕组单相接地短路故障特征
假设在距离发电机定子绕组中性点α处发生A相接地故障：
.png)
发电机定子单相接地电压向量图
此时，机端三相对地电势分别为：
UAD=（1-α）EA，UBD =EB-αEA，UCD=EC-αEA
由图所示可以求得故障零序电压Ud0α为：
Ud0α=（UAD+ UBD+ UCD）/3= -αEA
故障点的位置影响零序电压的大小，故障点越靠近机端，则故障的零序电压越大。
2.2发电机定子绕组单相接地保护原理分析
目前定子接地保护的主要原理有：基于基波零序电压和三次谐波电压构成的100%定子接地保护、外加信号的注入式定子接地保护。
a 基波零序电压保护
基波零序电压保护广泛应用于发变组的定子接地保护，对于目前常用的PT型号而言，当发电机的机端发生定子接地故障时，从PT的二次侧我们可以得到故障电压为100V。设α处发生了发电机定子接地故障，则α处基波零序电压二次值为α×100V。此保护就是利用基波零序电压来判断是否为区内的故障。
当故障点的位置越靠近极端时，基波零序电压值越高，则保护可以可靠有效动作，但位移电压的存在使得保护的定值不能设置为0，否则在正常运行或者区外故障时保护有可能误动，因此可知此保护在中性点附近存在保护死区。
根据发电厂的工程实践，我们发现不平衡电压在发电机中性点附近一直存在。即使是在发电厂乃至整个发电厂正常运行时，这个不平衡电压也有很高的数值，一般都在10V以上，在比较特殊的情况下，这个电压甚至会超过20V，这样使得此保护只能保护定子全部绕组的80%左右。而经过研究发现，不平衡电压中主要是三次谐波成分。
在工程实践中，主要是增加三次谐波录波器，从而减小在正常运行时的三次谐波含量，提高保护的可靠性。滤去三次谐波的方法可以一定程度的增加保护的保护范围，可以使死区控制在5%~10%左右，但在实际运行过程中，还需考虑在系统高压侧发生接地故障时，通过电力变压器传送到电力变压器低压侧，即在发电机侧会有故障电压的存在，为了使保护不误动，必须使保护整定定值提高到一定数值，躲开区外故障；由于过渡电阻的存在，使得在发电机定子发生故障时，零序电压的测得值会偏小，也会减小保护的保护范围，在中性点附近，保护的灵敏度十分低。因此，为了保护定子绕组全长，必须增加一种能有效反映中性点附近接地故障的保护，即三次谐波电压保护。
b 三次谐波电压保护
在发电机运行时，由于磁饱和现象的存在，使得定子绕组中的电势不仅有基波分量，还有很多高次谐波分量，其中以三次谐波比重最大，而且由于三次谐波也属于零序分量，在接地故障时相电压中存在三次谐波。基于三次谐波分量的电压保护，可弥补基波零序分量在中性点附近的死区。
根据上一节，对于基波零序电压保护而言，在中性点附近存在一定的保护死区，大概有10%左右。而三次谐波保护则在故障点越靠近中性点时，保护的灵敏度越高，因此如果两种保护相互配合，可以使得在发电机发生定子单相接地时，高灵敏度，高可靠性的动作，及时切除故障，减少事故对系统的影响。
c注入式定子接地保护
注入式定子接地保护，能单独完成定子绕组的100%保护，并能监视绝缘老化情况。其中比较常用的是外加20Hz和12.5Hz频率方案。相比较而言，12.5Hz频率因为是系统频率1/4，所以比较容易取得；但是在频率产生过程中，需要选通控制器控制电子开关频繁开闭，在长期的使用中对电子开关本身的质量和性能要求很高。相对来说20Hz频率变换比较复杂，但单位频率偏移变化，20Hz频率误差相对较小[3]。本文以20HZ注入式接地保护为例。
从发电机中性点侧注入一个外部的低频（20Hz）交流电压源，其幅值最大约为发电机额定电压的1%。如果发电机中性点发生了接地故障，20Hz交流电压信号通过接地电阻将产生电流。保护装置将测量回路的驱动电压和故障电流，从而可以计算出回路的电阻。这种原理同时也探测发电机机端的接地故障，包括发电机机端连接的其他设备，如电压互感器等。
20Hz电压驱动信号通过一个分压器直接取自负载电阻。另外，流过的20Hz交流电流信号通过小型CT来测量，这两个测量量（USEF和ISEF）都将引入保护装置。注入到发电机中性点的电压值取决于20Hz驱动电压信号（电压分压：负载电阻和带通滤波器），以及接地变压器或中性点变压器的变比。为了防止二次侧负载电阻太小（某些情况下，这个值可能会小于0.5Q），接地变压器或者中性点变压器的二次额定电压应该取得较高。实践证明，500V这个值是合适的。
2.3 优缺点分析
通过以上分析可以得出，基波零序电压型定子接地保护原理简单，但由于在中性点处存在5%-10%死区，并且随着定子绕组对地电容的增大和不对称度的增加，接地保护灵敏度降低，死区扩大，这是其重要缺点。三次谐波电压型接地保护弥补了基波零序电压保护在中性点处存在死区的不足之处，由此构成的双频式定子单相接地保护得到广泛应用。但三次谐波定子接地保护受运行方式的影响较大，经常误动；并且双频式保护在发电机启停阶段不能起到保护作用。相比之下，注入式定子接地保护可单独实现发电机定子绕组100%保护范围，保护无死区，灵敏度高，可以反映定子绕组绝缘的下降，对绝缘老化起到监督作用。
参考文献：
［1］党晓强，部能灵，王海田等.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[J].电力自动化设备，2012，32（7）：25-29.
［2］王维俭.电气主设备继电保护原理与应用.北京：中国电力出版社，1996
［3］董春雨.外加电源型定子接地保护若干问题的研究.华北电力大学大学硕士论文，2009.