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摘 要：介绍发电机定子接地的危害及注入式定子接地保护原理，列举一发电机定子接地保护动作实例并分析动作原因。
关键词：定子接地保护；危害；原理；动作实例；分析
本文介绍了发电机定子接地的危害，同时介绍了注入式发电机定子接地保护，列举出一发电机定子接地保护动作实例，并分析其动作原因。
1 发电机定子接地的危害
当发电机定子绕组与铁芯间的绝缘损坏将引起定子绕组的单相接地短路。如果发电机的中性点是绝缘不接地的，此时接地点的接地电流是发电机电压系统的电容电流。该电流较大时非但烧伤定子绕组的绝缘还会烧损铁芯，还会将多层铁芯叠片烧接在一起在故障点形成涡流，使铁芯进一步加速熔化导致铁芯严重损伤。
为了确保发电机的安全应不使发电机的单相接地短路发展成相间短路或匝间短路，因此应该使单相接地故障处不产生电弧或者使接地电弧瞬間熄灭。这个不产生电弧的最大接地电流被定义为发电机单相接地的安全电流。该电流与发电机的额定电压有关。目前发电机单相接地的安全电流如无制造厂提供的规定值可以下表所列数据作为参考。18及以上 1
我国发电机中性点接地方式主要有3种：不接地（含经单相电压互感器接地）、经消弧线圈（欠补偿）接地、经配电变压器高阻接地。在发电机单相接地故障时，不同的中性点接地方式，将有不同的接地故障电流和动态过电压。当机端单相金属性接地电容电流Ic小于允许值时，发电机中性点可不接地，单相接地保护可带时限动作于信号；当Ic大于允许值时，宜以消弧线圈（欠补偿）接地，补偿后的残余电流（容性）小于允许值时，保护可带时限动作于信号；当消弧线圈退出运行或由于其他原因使残余电流大于允许值时，保护应带时限动作于停机。发电机中性点经配电变压器高阻接地时，接地故障电流大于电容电流。当故障电流大于允许值时，保护应带时限动作于停机；当故障电流小于允许值时，保护可带时限动作于信号。
2 发电机定子接地保护原理介绍
基波零序电压保护发电机85%～95%的定子绕组单相接地，在中性点附近发生接地故障，保护有死区。基波零序电压保护设两段定值，一段为灵敏段，另一段为高定值段。
因此规程规定对容量小于100MW的发电机变压器组中的发电机定子接地保护中可只装设保护范围不小于90%的基波零序过电压保护。但对100MW容量及以上的发电机，应装设无动作死区（100%动作区）的定子绕组单相接地保护。一般采用基波零序过电压保护与三次谐波电压保护共同组成的100%单相接地保护。三次谐波电压定子接地保护对于中性点附近的单相接地短路有很高的灵敏度，它与基波零序过电压保护正好有互补性。所以可用这两个保护联合构成100%的定子绕组接地短路保护。
注入式发电机定子接地保护：
（1）发电机在正常运行时三相定子绕组对地是绝缘的，而在定子绕组发生接地短路时这种对地绝缘性能被破坏，所以如果在定子绕组与大地之间加入一个非50Hz的另一个频率的电源，那么定子绕组接地时，该电源回路就经过大地流过一个该频率的故障电流。
利用该电流增大后该频率的电压和电流的比值（该比值正比于接地电阻的大小）的降低的特征可以构成相应的保护，来检测定子绕组的接地故障。这种保护称作接地电阻定子接地保护，从原理上讲在理想情况下其灵敏度与接地故障在定子绕组上的位置无关，所以可构成100%的定子接地故障保护。而且在发电机开机之前本保护就可检测出定子接地故障。
图中为从中性点接地变压器l、n接入20Hz电源。
（2）接地电阻定子接地判据。接地电阻判据与定子绕组的接地点无关，可以反映发电机100%的定子绕组单相接地。
接地电阻判据反映发电机定子绕组接地电阻的大小，设有两段接地电阻定值，高定值段作用于报警，低定值段作用于延时跳闸，延时可分别整定。其动作方程为：
RE 报警判据为：
RE 式中RE为发电机定子绕组接地电阻，REsetH和REsetL分别为发电机定子绕组接地电阻的高、低定值。
（3）接地电流定子接地判据。考虑到当接地点靠近发电机机端时，检测量中的基波分量会明显增加，导致检测量中低频故障分量的检测灵敏度受到影响。为了提高此种情况下保护的灵敏度，增设接地电流辅助判据。接地电流判据能够反映距发电机机端80～90%的定子绕组单相接地，而且接地点越靠近发电机机端其灵敏度越高，因此能够很好的与接地电阻判据构成高灵敏的100%定子接地保护方案。
接地电流判据反应发电机定子接地电流的大小，其动作方程为：
IE>IEset
式中IE为发电机定子接地电流（不经数字滤波），IEset为接地电流定值。
3 发电机定子接地保护动作实例分析
3.1 哈密电厂基本情况
哈密电厂汽轮发电机厂家为东方电机有限公司，型号为QFSN-660-2-22B，额定容量为733MVA，额定功率为660MW，额定定子电压为22kV，额定定子电流19245A，额定功率因数0.9，额定转速3000r/min。升压站采用3/2接线方式，送出电压为500kV，发电机定子中性点经变压器接地。
3.2 保护配置情况
哈密电厂单机配置两套发变组保护，装置厂家均为南京南瑞继保电气有限公司，型号为PCS-985B，发变组保护A柜发电机定子接地保护为100%定子接地保护，即基波加三次谐波构成的定子接地保护，发变组保护B柜发电机定子接地保护为注入式定子接地保护。
3.3 动作实例分析
（1）2015年9月10日16：44：50，1号机组运行参数平稳，负荷336MW，定子水导电度瞬间升至11.1us/cm（量程11 us/cm），16：47：21，1号机组发变组保护B柜注入式定子接地保护动作跳闸。 （2）机组跳闸后相关专业人员迅速进行了相关检查工作。电气二次专业人员检查发现发变组保护B柜定子接地保护动作跳闸，发变组保护A柜未启动。
（3）检查发变组保护B柜：16：47：20：891，保护启动；999ms，定子接地电阻判据满足，发变组全停，机组故障录波器正常启动录波。机组跳闸时故障录波器录波图中发电机机端电压A相60.29V，B相55.52V，C相59.35V，机端3U0为4.99V。
（4）注入式定子接地保护定值为：10 kΩ，延时3s报警，3 kΩ，延时1s跳闸。
（5）在做好相应措施后，对发电机中性点接地电阻柜内注入式定子接地保护专用CT二次电缆进行绝缘测试，阻值为550MΩ，正常。
（6）恢复相应措施后，从发变组保护装置内部查看接地电阻值为30 kΩ，恢复正常。
（7）用电阻进行定子接地模拟，当阻值为4kΩ时，发变组保护装置B柜定子接地报警；当阻值为2.5 kΩ时，发变组保护装置B柜定子接地跳闸，说明保护装置注入式定子接地保护功能正常。
（8）从保护装置录波图分析，保护装置启动时发電机机端电压A相59.65V，B相54.96V，C相59.91V，机端3U0为5.54V，测量电阻一次值为2.99kΩ，跳闸时发电机机端电压A相60.38V，B相54.88V，C相59.25V，机端3U0为5.73V，测量电阻一次值为2.22kΩ，与机组故障录波器查得数值相近，且波形相近。
（9）综上可以判断，发变组保护B柜保护装置正常，注入式定子接地保护动作正确。发变组A柜保护装置未启动，是因为当时电压未到定值，所以发变组保护A柜保护装置未启动。
（10）检查发电机出口PT，试验正常。
（11）测量发电机定子绝缘（带主变、高厂变）15秒绝缘值7.64GΩ，60秒绝缘值10.06GΩ，水摇表故障。
（12）检查测试接线后继续测量，水摇表显示绝缘值紊乱，100MΩ至2GΩ之间无规律跳动，停止测试。
（13）化验发电机定子水导电度16.4us/cm，对系统进行充排，导电度逐渐降至0.8us/cm，15秒绝缘值220MΩ，60秒绝缘值331MΩ，10分钟绝缘值495MΩ。
（14）判断定子水导电度突然升高是发电机定子接地保护动作的直接原因。
（15）进一步检查发现，离子交换器回水至定子水箱入口管的加碱装置异常，加碱泵连续运行。本装置自动控制发电机定子入口水导电度0.5us/cm-0.7us/cm，当定子入口水导电度≥0.7us/cm加碱泵自动停运，定子入口水导电度≤0.5us/cm加碱泵自动投运。运行人员发现导电度异常后定子入口水导电度一值在0.765us/cm，而加碱泵连续运行，是造成定子水系统过度加碱液的直接原因。由于管道内积存高浓度碱水，在投入离子交换器时大量浓碱水突然进入定子水箱底部，是造成定子水泵出口导电度急剧升高的直接原因，最终导致发电机定子接地保护动作跳闸。所以，机组运行过程中应严密监视并控制发电机定子水的导电度在合格范围内。
参考文献
[1]国家能源局电力安全监管司，中国电机工程学会编.防止电力生产事故的二十五项重点要求》辅导教材（2014年版）[M].中国电力出版社，2014.
[2]任保瑞.注入式定子接地保护原理、调试及注意事项[J].电工技术，2013，（1）：4-5.
[3]杨亮.注入式定子接地保护原理及调试[J].山东工业技术，2015，（14）：180.
（作者单位：神华国能天津大港发电厂）
关键词：定子接地保护；危害；原理；动作实例；分析
本文介绍了发电机定子接地的危害，同时介绍了注入式发电机定子接地保护，列举出一发电机定子接地保护动作实例，并分析其动作原因。
1 发电机定子接地的危害
当发电机定子绕组与铁芯间的绝缘损坏将引起定子绕组的单相接地短路。如果发电机的中性点是绝缘不接地的，此时接地点的接地电流是发电机电压系统的电容电流。该电流较大时非但烧伤定子绕组的绝缘还会烧损铁芯，还会将多层铁芯叠片烧接在一起在故障点形成涡流，使铁芯进一步加速熔化导致铁芯严重损伤。
为了确保发电机的安全应不使发电机的单相接地短路发展成相间短路或匝间短路，因此应该使单相接地故障处不产生电弧或者使接地电弧瞬間熄灭。这个不产生电弧的最大接地电流被定义为发电机单相接地的安全电流。该电流与发电机的额定电压有关。目前发电机单相接地的安全电流如无制造厂提供的规定值可以下表所列数据作为参考。18及以上 1
我国发电机中性点接地方式主要有3种：不接地（含经单相电压互感器接地）、经消弧线圈（欠补偿）接地、经配电变压器高阻接地。在发电机单相接地故障时，不同的中性点接地方式，将有不同的接地故障电流和动态过电压。当机端单相金属性接地电容电流Ic小于允许值时，发电机中性点可不接地，单相接地保护可带时限动作于信号；当Ic大于允许值时，宜以消弧线圈（欠补偿）接地，补偿后的残余电流（容性）小于允许值时，保护可带时限动作于信号；当消弧线圈退出运行或由于其他原因使残余电流大于允许值时，保护应带时限动作于停机。发电机中性点经配电变压器高阻接地时，接地故障电流大于电容电流。当故障电流大于允许值时，保护应带时限动作于停机；当故障电流小于允许值时，保护可带时限动作于信号。
2 发电机定子接地保护原理介绍
基波零序电压保护发电机85%～95%的定子绕组单相接地，在中性点附近发生接地故障，保护有死区。基波零序电压保护设两段定值，一段为灵敏段，另一段为高定值段。
因此规程规定对容量小于100MW的发电机变压器组中的发电机定子接地保护中可只装设保护范围不小于90%的基波零序过电压保护。但对100MW容量及以上的发电机，应装设无动作死区（100%动作区）的定子绕组单相接地保护。一般采用基波零序过电压保护与三次谐波电压保护共同组成的100%单相接地保护。三次谐波电压定子接地保护对于中性点附近的单相接地短路有很高的灵敏度，它与基波零序过电压保护正好有互补性。所以可用这两个保护联合构成100%的定子绕组接地短路保护。
注入式发电机定子接地保护：
（1）发电机在正常运行时三相定子绕组对地是绝缘的，而在定子绕组发生接地短路时这种对地绝缘性能被破坏，所以如果在定子绕组与大地之间加入一个非50Hz的另一个频率的电源，那么定子绕组接地时，该电源回路就经过大地流过一个该频率的故障电流。
利用该电流增大后该频率的电压和电流的比值（该比值正比于接地电阻的大小）的降低的特征可以构成相应的保护，来检测定子绕组的接地故障。这种保护称作接地电阻定子接地保护，从原理上讲在理想情况下其灵敏度与接地故障在定子绕组上的位置无关，所以可构成100%的定子接地故障保护。而且在发电机开机之前本保护就可检测出定子接地故障。
图中为从中性点接地变压器l、n接入20Hz电源。
（2）接地电阻定子接地判据。接地电阻判据与定子绕组的接地点无关，可以反映发电机100%的定子绕组单相接地。
接地电阻判据反映发电机定子绕组接地电阻的大小，设有两段接地电阻定值，高定值段作用于报警，低定值段作用于延时跳闸，延时可分别整定。其动作方程为：
RE
RE
（3）接地电流定子接地判据。考虑到当接地点靠近发电机机端时，检测量中的基波分量会明显增加，导致检测量中低频故障分量的检测灵敏度受到影响。为了提高此种情况下保护的灵敏度，增设接地电流辅助判据。接地电流判据能够反映距发电机机端80～90%的定子绕组单相接地，而且接地点越靠近发电机机端其灵敏度越高，因此能够很好的与接地电阻判据构成高灵敏的100%定子接地保护方案。
接地电流判据反应发电机定子接地电流的大小，其动作方程为：
IE>IEset
式中IE为发电机定子接地电流（不经数字滤波），IEset为接地电流定值。
3 发电机定子接地保护动作实例分析
3.1 哈密电厂基本情况
哈密电厂汽轮发电机厂家为东方电机有限公司，型号为QFSN-660-2-22B，额定容量为733MVA，额定功率为660MW，额定定子电压为22kV，额定定子电流19245A，额定功率因数0.9，额定转速3000r/min。升压站采用3/2接线方式，送出电压为500kV，发电机定子中性点经变压器接地。
3.2 保护配置情况
哈密电厂单机配置两套发变组保护，装置厂家均为南京南瑞继保电气有限公司，型号为PCS-985B，发变组保护A柜发电机定子接地保护为100%定子接地保护，即基波加三次谐波构成的定子接地保护，发变组保护B柜发电机定子接地保护为注入式定子接地保护。
3.3 动作实例分析
（1）2015年9月10日16：44：50，1号机组运行参数平稳，负荷336MW，定子水导电度瞬间升至11.1us/cm（量程11 us/cm），16：47：21，1号机组发变组保护B柜注入式定子接地保护动作跳闸。 （2）机组跳闸后相关专业人员迅速进行了相关检查工作。电气二次专业人员检查发现发变组保护B柜定子接地保护动作跳闸，发变组保护A柜未启动。
（3）检查发变组保护B柜：16：47：20：891，保护启动；999ms，定子接地电阻判据满足，发变组全停，机组故障录波器正常启动录波。机组跳闸时故障录波器录波图中发电机机端电压A相60.29V，B相55.52V，C相59.35V，机端3U0为4.99V。
（4）注入式定子接地保护定值为：10 kΩ，延时3s报警，3 kΩ，延时1s跳闸。
（5）在做好相应措施后，对发电机中性点接地电阻柜内注入式定子接地保护专用CT二次电缆进行绝缘测试，阻值为550MΩ，正常。
（6）恢复相应措施后，从发变组保护装置内部查看接地电阻值为30 kΩ，恢复正常。
（7）用电阻进行定子接地模拟，当阻值为4kΩ时，发变组保护装置B柜定子接地报警；当阻值为2.5 kΩ时，发变组保护装置B柜定子接地跳闸，说明保护装置注入式定子接地保护功能正常。
（8）从保护装置录波图分析，保护装置启动时发電机机端电压A相59.65V，B相54.96V，C相59.91V，机端3U0为5.54V，测量电阻一次值为2.99kΩ，跳闸时发电机机端电压A相60.38V，B相54.88V，C相59.25V，机端3U0为5.73V，测量电阻一次值为2.22kΩ，与机组故障录波器查得数值相近，且波形相近。
（9）综上可以判断，发变组保护B柜保护装置正常，注入式定子接地保护动作正确。发变组A柜保护装置未启动，是因为当时电压未到定值，所以发变组保护A柜保护装置未启动。
（10）检查发电机出口PT，试验正常。
（11）测量发电机定子绝缘（带主变、高厂变）15秒绝缘值7.64GΩ，60秒绝缘值10.06GΩ，水摇表故障。
（12）检查测试接线后继续测量，水摇表显示绝缘值紊乱，100MΩ至2GΩ之间无规律跳动，停止测试。
（13）化验发电机定子水导电度16.4us/cm，对系统进行充排，导电度逐渐降至0.8us/cm，15秒绝缘值220MΩ，60秒绝缘值331MΩ，10分钟绝缘值495MΩ。
（14）判断定子水导电度突然升高是发电机定子接地保护动作的直接原因。
（15）进一步检查发现，离子交换器回水至定子水箱入口管的加碱装置异常，加碱泵连续运行。本装置自动控制发电机定子入口水导电度0.5us/cm-0.7us/cm，当定子入口水导电度≥0.7us/cm加碱泵自动停运，定子入口水导电度≤0.5us/cm加碱泵自动投运。运行人员发现导电度异常后定子入口水导电度一值在0.765us/cm，而加碱泵连续运行，是造成定子水系统过度加碱液的直接原因。由于管道内积存高浓度碱水，在投入离子交换器时大量浓碱水突然进入定子水箱底部，是造成定子水泵出口导电度急剧升高的直接原因，最终导致发电机定子接地保护动作跳闸。所以，机组运行过程中应严密监视并控制发电机定子水的导电度在合格范围内。
参考文献
[1]国家能源局电力安全监管司，中国电机工程学会编.防止电力生产事故的二十五项重点要求》辅导教材（2014年版）[M].中国电力出版社，2014.
[2]任保瑞.注入式定子接地保护原理、调试及注意事项[J].电工技术，2013，（1）：4-5.
[3]杨亮.注入式定子接地保护原理及调试[J].山东工业技术，2015，（14）：180.
（作者单位：神华国能天津大港发电厂）