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摘要：这篇文章分析了中性点不接地的水轮发电机发生定子单相接地故障时的电气特征、此类故障的危害以及发生的原因，详细介绍了基波零序电压定子接地保护的原理，讨论了基波零序电压保护覆盖范围的问题，提出了一些可以提高定子接地保护覆盖范围的方法。
关键词：中性点不接地水轮发电机 基波零序电压保护
前言：当今时代，中国对水电资源开发规模在不断的提高,作为重要电源点的大中型水力发电机在电力系统中得到广泛的应用。绝缘损坏引起的定子单相接地是常见的问题，据统计占发电机定子总故障的70％～80％。定子绕组单相接地时故障电流和暂态过电压的大小以及保护方式均与发电机中性点接地方式密切相关。目前大中型水轮发电机装设的定子单相接地保护有好几种,这篇文章主要对中性点不接地的水轮发电机的基波零序电压保护进行分析和评述。
一、发电机定子单相接地的原因、电气特征及危害
1.定子单相接地故障的原因
发电机定子单相接地故障指定子绕组与铁芯的绝缘被破坏，一般由以下几个原因造成:①运行时间长久，定子绕组绝缘老化；②运行中过负荷，使定子绕组绝缘因过热而老化加速；③发电机散热结构不合理，引起发电机运行时内部温度过高，加速绝缘老化；④水冷却发电机冷却器供水管路损坏，冷却水泄漏引起定子绕组绝缘降低；⑤在定子上施工，因麻痹大意造成定子绝缘受损（如电焊高温伤害或是其他机械伤害等）；⑥因定子内部进入小动物（如老鼠），绝缘遭其破坏；⑦定转子发生扫膛，绝缘受损。
2.中性点不接地水轮发电机发生定子单相接地的电气特征
如果水轮发电机发生定子单相接地故障,那么就会有接地电流经故障点、对地电容、三相定子绕组构成的相对地短路。在中性点不接地的水轮发电机中引起非故障相及中性点电位升高，定子绕组内产生零序电压。
3.中性点不接地水轮发电机发生定子单相接地的危害
中性点不接地水轮发电机发生定子单相接地的危害有：①引起非故障相及发电机中性点电压升高，增加绝缘压力；②机组越大分布电容越大，接地容性电流越大，接地电流较大引起电弧，将绕组绝缘及定子铁心损坏；③产生的电弧损坏相邻绕组绝缘可能引起定子绕组匝间短路甚至扩大为相间短路。
二、基波零序电压保护
1.保护原理
基波零序电压保护是指通过检测水轮发电机机端（如图2）或中性点处的基波零序电压来判别单相接地故障,可保护发电机85％～95％（机端往中性点方向）的定子绕组单相接地。零序电压可取自发电机机端PT的开口三角形绕组或中性点PT二次侧。如果定子绕组距中性点α处发生C相接地,α为中性点到故障点的绕组占全部绕组匝数的百分比,设机端三相对地电压分别为UA、UB、UC,故障点的零序电压将随着故障点位置的不同而改变,接地点距离中性点越远,零序电压越大，保护动作越灵敏；接地点距离中性点越近,零序电压越小，保护动作相对不易（如图3）。为保证基波零序电压保护的灵敏性，现在的微机保护装置普遍使用自产零序电压作为辅助判据，即保护装置内部通过采集三相电压相量，来计算零序电压的大小；另外，为防止呈零序特征的三次谐波对保护装置进行干扰，降低保护灵敏度，故保护装置装有三次谐波滤波器以降低保护动作电压。
当中性点不接地的发电机发生定子单相接地时（故障点在保护范围内），机端PT检测到零序电压达到动作值，随后开出跳闸、停机命令，将发电机跳闸停机，防止事故扩大。
2.区外故障的影响
在这篇文章中，还考虑到主变压器高压侧系统或与发电机直接连接的高压厂用变低压侧系统发生单相接地故障可能对保护动作产生的影响。
大中型发变组的高压变高、低压绕组之间存在耦合电容,如果高压侧发生单相接地短路时,高压侧的零序电动势可以通过该耦合电容传到发电机侧,该电动势较高,就会造成零序电压保护误动,解决的方案就是在保护中引入高压侧零序电压作为制动量进行保护闭锁,也可以减少部分灵敏度,提高动作电压。
高压厂用变压器低压侧系统发生单相接地故障时,电压超标也会通过高压厂用变较大的耦合电容传递,因为故障产生的零序电压较低,所以传递电压也比较低,解决的措施是通过调整电压定值或增加相关外部制动电压量来躲过传递电压值;如果保护动作于跳闸且零序电压取自发电机机端PT的开口三角形绕组时,为防止PT一次侧断线,需要装设PT断线闭锁。
3.基波零序电压保护的优点与缺点
基波零序电压保护是目前运用最为广泛的应对中性点不接地发电机定子单相接地故障的保护。它具有设置简单，灵敏度高的优点；但不足之处也极为明显——①存在保护死区，对临近中性点的15%～5%区域无法保护；②为防止保护误动作，一般有延时动作设置，如故障较大时可能造成铁芯、周围绕组绝缘受损；③有励磁电压后才能工作，能对机组定子绝缘下降无监视功能。
结束语：现今的基波零序电压保护虽然已升级为微机保护，但它依然存在原理上的缺陷，难以满足现代水轮发电机的运维要求。随着电力技术、微机技术的飞速发展，现在已经有了解决之道：如将基波零序电压与三次谐波电压比值判据相结合的保护可以覆盖发电机100%的定子绕组；而更为先进的低频注入式定子接地保护不但可以覆盖100%的定子绕组，更能实现对定子绕组绝缘情况的实时监控，在故障发生前就能达到预防效果，避免了铁芯因定子单相接地产生电弧而受损。不过我们依然不能忽视基波零序电压的优点和作用，所以不同原理的保护相互配合、共同防卫才是正确的选择。
参考文献
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论文作者:黄慧
论文发表刊物:《防护工程》2018年第24期
论文发表时间:2018/11/27
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