0 引言

发电机定子单相接地保护常用方式有基波零序电压保护、三次谐波电压保护、注入式定子接地保护，无论采用哪种保护，在增设GCB（发电机断路器）后，定子绕组对地电容都会有所提高，使得基波零序电压保护灵敏度降低。为解决这一问题，本文结合内蒙古国华呼伦贝尔发电有限公司600 MW汽轮发电机组GCB改造项目，对增设GCB后的定子接地保护定值进行重新计算与分析，并给出整定方法、建议。

1 发电厂装设GCB的优点

目前，全世界超过50%的核电厂、超过10%的火电厂采用了GCB^[1]。发电厂装设GCB在技术方面具有以下优点。

（1）可以降低厂用电切换频率，提高机组可用率。

（2）避免厂用电切换后，在高压厂用变压器和启备变压器之间产生较大的环流，影响变压器等设备的使用寿命。

（3）系统发生振荡时，防止厂用电切换不成功造成事故扩大。

（4）可以减少发电机故障导致的厂用电切换次数，提高发变组保护水平^[2-5]。

（5）对于国内极寒地区（冬季低温至-40 ℃以下）部署的大型电源项目，通过GCB由电网倒送电供给厂用电，对于频繁启停的户外油浸式主变压器冬季长期安全运行也具有十分重要的意义。

2 GCB对定子接地故障的影响

以ABB公司的HECS-130XXLP型出口断路器为例，发电机断路器电气接线方式如图 1。对于国产大容量汽轮发电机组而言，GCB作为发电机出口处的大容量断路器，断路器每相两端各设置1只防止瞬时过电压的电容器C₀，保障GCB切除负荷电流的安全性。

该电容器的应用增大了发电机出口母线的三相对地电容，当发生定子接地故障时，定子绕组容性电流增大，若发电机定子接地保护整定不当，发生接地故障时，将有可能发生烧毁发电机定子铁心的毁机事故。因此，在保护整定过程中考虑GCB电容对定子接地故障的影响是十分必要的。本文以内蒙古国华呼伦贝尔发电有限公司（以下简称“该公司”）1号机组为例，对发电机中性点经配电变压器高电阻接地的定子接地保护定值整定进行分析。

3 中性点经配电变压器高电阻接地时中性点接地电阻值的选择 3.1 中性点接地电阻的计算

1号发电机改造前，中性点经变比为20 kV/0.24 kV的配电变压器由0.46 Ω高电阻接地（中性点等效电阻R_N=3194 Ω），主变压器高、低压绕组间耦合电容为2.88 nF，发电机出口每相对地综合等效电容为285 nF，代入公式（1）、（2）：

(1)

(2)

式中  I_R—故障电阻性电流，A；

U_N—发电机机端线电压，V；

R_N—电阻经接地变压器的等效高电阻，Ω；

I_C—故障电容性电流，A；

C_G∑—发电机出口对地总电容，nF；

C_m—主变压器高低压绕组间耦合电容，nF。

经计算，I_R=3.62 A，3I_C=3.12 A。如不考虑接地变压器短路阻抗的影响，流经发电机定子绕组的故障等效总电流I可按公式（3）计算，定子单相接地故障电流分布如图 2所示。

(3)

经计算，改造前定子单相接地故障等效总电流I=4.78 A。

加装GCB后，发电机每相对地电容增加了260 nF，为了减小单相接地故障电流及暂态过电压，中性点接地电阻R需要重新选择。

选择电阻R时应遵循接地电阻性电流不小于接地电容性电流的原则，即当I_R≥3I_C时，单相接地故障的暂态过电压不超过2.6倍额定相电压^[7]。对此，国内50 Hz工频汽轮发电机通常取高阻值R_N：

(4)

(5)

其中，X_N为发电机单相对地容抗。改造后的1号发电机出口对地电容C′_G∑ =545 nF，经计算，中性点等效高电阻R_N=1940 Ω。此时中性点接地电阻R可选为：

(6)

其中，K_T为干式接地变压器变比，为20 kV/0.24 kV。因此原中性点配电变压器低压侧0.46 Ω高电阻应更换为0.28 Ω高电阻接地。

3.2 中性点接地电阻的验证

机组进行GCB改造后，当发生单相接地时，其故障电流（不考虑配电变压器短路阻抗）结合公式（1）、（2）可得电阻性电流I_R=5.95 A，电容性电流3I_C= 5.94 A，因I_R≥3I_C，所选高电阻满足设计要求。

此外，配电变压器短路容量的选择按单相接地故障电阻性电流，结合其自身过负荷能力进行核算。

4 发电机加装GCB后定子接地保护的整定

定子接地保护通常由95%基波零序电压定子接地保护与三次谐波电压比率定子接地保护配合构成100%定子接地保护。微机型三次谐波定子接地保护由机组实际运行时的三次谐波电压比值确定。本文重点阐述基波零序电压型定子接地保护的整定方法。

4.1 变压器绕组耦合电压的计算

发电机定子单相接地等效电路如图 3所示。基波零序电压定子接地保护依靠电压信号判别定子接地故障，在加装GCB后，受GCB电容的影响，为防止区外故障误动作，整定过程特别要注意躲过主变压器高压侧接地时，经主变压器高、低压绕组耦合至发电机端的零序电压，并按躲过正常运行时中性点单相电压互感器最大不平衡电压，取一定可靠系数进行整定^[8]。

主变压器高压侧单相接地时的最大零序电压E₀为162 kV（结合东北电网系统零序阻抗计算值计算）；中性点对地等效阻抗为5259-j4085；改造前接地故障时，主变压器耦合至发电机的零序电压U_g0= 578.2 V。改造后，主变压器高压侧单相接地时，耦合到发电机侧的最大零序电压U_g01按公式（7）、（8）计算：

(7)

(8)

式中  X_M—主变压器高、低压绕组间耦合电容对应的容抗，Ω；

Z_N—中性点对地等效阻抗，Ω；

Z_n—中性点接地变压器及电阻回路短路阻抗，Ω。

经计算，U_g01=487.75 V，经数据对比，较未加装GCB时降低90 V左右。

4.2 低定值段的整定

发电机定子接地保护可整定低定值段、高定值段两段保护，低定值段用于报警，高定值段用于跳闸。低定值段按躲过正常运行时的最大不平衡基波零序电压与躲过主变压器高压侧接地短路耦合至发电机侧的零序电压整定，起到监视与预警的作用。

由于采用PCS-985B型发变组保护装置，且中性点零序电压互感器精度较高，最大不平衡电压很小，可忽略不计，因此低定值段应按躲过主变压器高压侧单相接地时耦合到发电机侧的最大零序电压进行校核。但考虑到实际发生接地故障时，受接地变压器短路阻抗影响，其接地变压器二次输出数值较实际值稍低，故定子接地保护低定值段定值Uop按公式（9）整定：

(9)

其中，K_rel为可靠系数，取1.3。经计算，改造前低定值段电压整定值为9 V，改造后可整定为7.6 V。

4.3 高定值段的整定

高定值段按不超过发电机最大允许接地短路电流整定，介于三次谐波定子接地保护灵敏性，基波零序电压保护范围建议不低于85%，此处可以考虑接地变压器短路阻抗的影响，适当提高保护灵敏度。假设故障点发生在距离中性点α的位置，结合公式（2），可得此时发电机三相绕组对地产生的电容电流为3I_Cα，其对地电势E_Φ产生的电阻性电流见公式（10）：

(10)

式中  α—故障点与中性点间的距离占中性点与发电机端总距离的比值，%；

E_Φ—发电机三相绕组对地电势，V。

根据改造前、后的发电机参数，经计算改造前、后故障总电流分别为：

(11)

(12)

式中  I_or—改造前故障总电流，A；

I_la—改造后故障总电流，A。

结合DL/T 684—2012 《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》，300 MW以上机组18 kV电压等级以上发电机接地电流允许值为1 A，如表 1所示^[8]。

由此可得，改造前对应故障发生在距离中性点21%的位置时，故障电流刚好达到1 A，对应的中性点零序电压按公式（13）计算得U₀=29.1 V。改造后对应故障发生在距离中性点11.89%位置时U₀= 16.5 V。

(13)

因此高定值段改造前电压整定值整定为25 V；改造后电压整定值整定为16 V（见表 2）。

4.4 动作时限及保护方式的整定

定子绕组接地保护时间整定时，低定值段动作电压若低于主变压器高压侧接地故障耦合至发电机侧的零序电压，则应在时间上与主变压器高压侧接地零序保护相配合，若高于其耦合电压可取0.3~ 1.0 s，一般动作于报警。为保护发电机本体，高定值段应经短延时动作于跳闸，亦可取0.3~1.0 s，且尽可能取短^[8-10]。

5 定子接地保护与主变压器接地保护的配合

通常，系统接地零序定值由电网调度提出，因此，发电机定子接地两段保护同样需要考虑与主变压器高压侧接地零序保护动作情况相适应。整定时，若基波零序定子接地定值需要按小于变压器高压侧接地故障时绕组耦合至机端的零序电压值来设置，为防止保护误动，应在时限上与系统侧接地保护相配合。

随着发电机变压器组继电保护的应用，一些微机保护装置在设计时已经考虑到设置相应闭锁功能（例如通过增加系统侧接地零序闭锁定子接地判据等），来改善定子接地保护动作的选择性，延时同样可取0.3~1.0 s。

6 结论与建议

结合上述分析，当发电机出口增设断路器时，要注意电容器对定子接地故障总电流的促进与变压器零序耦合电压的削减。基波零序电压跳闸段定值整定严格根据导则要求^[8-9]，控制18 kV及以上电压等级发电机故障发生时流过定子绕组的短路电流小于1 A，整定时限0.3~1.0 s（尽可能取短）^[8]。灵敏段定值按躲过变压器绕组耦合零序电压整定。如此，即可大大提高定子接地保护的灵敏度。

但是，由于不同机组所处电网位置的差异性，其距离负荷中心有远近之别，部分机组的基波零序定子接地保护难与系统侧接地零序保护准确配合，对此，可以考虑从设计上予以规避，或从时限上配合。