利用零序电压构成的定子接地保护（用于发电机变压器组）

7.3.3　利用零序电压构成的定子接地保护（用于发电机变压器组）

一般大、中型发电机在电力系统中大都采用发电机变压器组的接线方式，在这种情况下，发电机电压网络中，只有发电机本身、连接发电机与变压器的电缆以及变压器的对地电容（分别以C_0f、C_0x、C_0b表示），其分布可用图7.11来说明。当发电机单相接地后，接地电容电流一般小于允许值。对于大容量的发电机变压器组，若接地后的电容电流大于允许值，则可在发电机电压网络中装设消弧线圈予以补偿。由于上述三项电容电流的数值基本上不受系统运行方式变化的影响，因此，装设消弧线圈后，可以把接地电流补偿到很小的数值。在上述两种情况下，均可以装设作用于信号的接地保护。

图7.11　发电机变压器组接线时，发电机电压系统的对地电容分布

图7.12　发电机变压器组单相接地的信号装置接线图

发电机内部单相接地的信号装置，一般是反应于零序电压而动作，其原理接线如图7.12所示，过电压继电器连接于发电机电压互感器二次侧接成开口三角的输出电压上。

由于在正常运行时，发电机相电压中含有三次谐波，因此，在机端电压互感器接成开口三角的一侧也有三次谐波电压输出，此外，当变压器高压侧发生接地故障时，由于变压器高、低压绕组之间有电容存在，因此，在发电机端也会产生零序电压。为了保证动作的选择性，保护装置的整定值应躲开正常运行时的不平衡电压（包括三次谐波电压），以及变压器高压侧接地时在发电机端所产生的零序电压。根据运行经验，继电器的启动电压一般整定为15～30V左右。

按以上条件整定的保护，由于整定值较高，因此，当中性点附近发生接地时，保护装置不能动作，因而出现死区。为了减小死区，可采取如下措施来降低启动电压：

（1）如图7.12所示，加装三次谐波过滤器；

（2）对于高压侧中性点直接接地的电网，利用保护装置的延时来躲开高压侧的接地故障；

（3）在高压侧中性点非直接接地电网中，利用高压侧的零序电压将发电机接地保护闭锁或利用它对保护实现制动。

采取以上措施以后，零序电压保护范围虽然有所提高，但在中性点附近接地时仍然有一定的死区。

由此可见，利用零序电流和零序电压的接地保护，对定子绕组都不能达到100%的保护范围。对于大容量的机组而言，由于振动较大而产生的机械损伤或发生漏水（指水内冷的发电机）等原因，都可能使靠近中性点附近的绕组发生接地故障。如果这种故障不能及时发现，则一种可能是进一步发展成匝间或相间短路；另一种可能是，如果又在其他地点发生接地，则形成两点接地短路。这两种结果都会造成发电机的严重损坏，因此，对大型发电机组，特别是定子绕组用水内冷的机组，应装设能反应100%定子绕组的接地保护。

目前，100%定子接地保护装置一般由两部分组成，第一部分是零序电压保护，如上所述它能保护定子绕组的85%以上，第二部分保护则用来消除零序电压保护不能保护的死区。为提高可靠性，两部分的保护区应相互重叠。构成第二部分保护的方案主要有：

（1）发电机中性点加固定的工频偏移电压，其值为额定相电压的10%～15%。当发电机定子绕组接地时，利用此偏移电压来加大故障点的电流（其值限制在10～25A），接地保护即反应于这个电流而动作，使发电机跳闸。

（2）附加直流或低频（20Hz或25Hz）电源，通过发电机端的电压互感器将其电流注入发电机定子绕组，当定子绕组发生接地时，保护装置将反应于此注入电流的增大而动作。

（3）利用发电机固有的三次谐波电势，以发电机中性点侧和机端侧三次谐波电压比值的变化，或比值和方向的变化，来作为保护动作的判据。

在以上方案中，有些本身就具有保护区达100%的性能，此时可用零序电压保护作为后备，以进一步提高可靠性。