發(fā)電機(jī)三次諧波電壓保護(hù)原理與改進(jìn)措施
1、三次諧波電壓保護(hù)原理
由于發(fā)電機(jī)氣隙磁通密度的非正弦分布和鐵磁飽和的影響，在定子繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢除基波分量外，還含有高次諧波分量。其中三次諧波分量是零序性質(zhì)的分量，雖然在線電動(dòng)勢中被消除，但是在相電動(dòng)勢中依然存在。如果把發(fā)電機(jī)的對地電容等效地看作集中在發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)n和機(jī)端s，且每相的電容大小都是0.5cf，并將發(fā)電機(jī)端引出線、升壓變壓器、廠用變壓器以及電壓互感器等設(shè)備的每相對地電容cw也等效在機(jī)端，并設(shè)三次諧波電動(dòng)勢為e3。那么當(dāng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)不接地時(shí)，其等值電路如圖1所示。這時(shí)中性點(diǎn)及機(jī)端的三次諧波電壓分別為
發(fā)電機(jī)端的三次諧波電壓us3與中性點(diǎn)側(cè)的三次諧波電壓un3之比為
由式（2-14）可見，在正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)的三次諧波電壓un3總是大于發(fā)電機(jī)端的三次諧波電壓us3。當(dāng)發(fā)電機(jī)孤立運(yùn)行時(shí)，即發(fā)電機(jī)出線端開路，cw＝0時(shí)，un3＝us3。
中性點(diǎn)不接地發(fā)電機(jī)三次諧波電動(dòng)勢和對地電容的等值電路圖
中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地發(fā)電機(jī)三次諧波電動(dòng)勢和對地電容的等值電路圖
當(dāng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地時(shí)，其等值電路如圖2所示，假設(shè)基波電容電流被完全補(bǔ)償，即
此時(shí)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)對三次諧波的等值阻抗為
整理后得
發(fā)電機(jī)端對三次諧波的等值阻抗為
因此，發(fā)電機(jī)端三次諧波電壓和中性點(diǎn)三次諧波電壓之比為
式（2-19）表明，接入消弧線圈后，中性點(diǎn)的三次諧波電壓un3在正常運(yùn)行時(shí)比機(jī)端三次諧波電壓us3更大。在發(fā)電機(jī)出線端開路后，即cw＝0時(shí)，則有
在正常運(yùn)行情況下，盡管發(fā)電機(jī)的三次諧波電動(dòng)勢e3隨著發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行狀態(tài)而改變，但是其機(jī)端三次諧波電壓與中性點(diǎn)三次諧波電壓的比值總是符合以上關(guān)系的。
當(dāng)發(fā)電機(jī)定子繞組發(fā)生金屬性單相接地時(shí)，設(shè)接地發(fā)生在距中性點(diǎn)α處，其等值電路如圖2-16所示，此時(shí)不管發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)是否接有消弧線圈，總是有un3＝αe3和us3＝（1-α）e3，兩者相比，得
中性點(diǎn)電壓un3和機(jī)端電壓us3隨故障點(diǎn)α的變化曲線如圖2-17所示。因此，如果利用機(jī)端三次諧波電壓us3作為動(dòng)作量，而用中性點(diǎn)三次諧波電壓un3作為制動(dòng)量來構(gòu)成接地保護(hù)，且當(dāng)us3≥un3時(shí)作為保護(hù)的動(dòng)作條件，則在正常運(yùn)行時(shí)保護(hù)不可能動(dòng)作，而當(dāng)中性點(diǎn)附近發(fā)生接地時(shí)，則具有很高的靈敏性。利用此原理構(gòu)成的接地保護(hù)，可以反應(yīng)距中性點(diǎn)約50％范圍內(nèi)的接地故障。
發(fā)電機(jī)單相接地時(shí)三次諧波電動(dòng)勢分布的等值電路圖
發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電壓un3和機(jī)端電壓us3隨故障點(diǎn)α的變化曲線圖
2、反應(yīng)三次諧波電壓比值的定子繞組單相接地保護(hù)
利用反應(yīng)三次諧波電壓比值us3/un3和基波零序電壓可以構(gòu)成100％定子繞組單相接地保護(hù)。反應(yīng)三次諧波電壓比值的定子繞組接地保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)為
式中 β——整定比值。
需要指出，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地與發(fā)電機(jī)經(jīng)配電變壓器高阻接地，兩者的整定比值β是有區(qū)別的。
目前廣泛采用三次諧波電壓比值與基波零序電壓共同構(gòu)成的100％定子繞組單相接地保護(hù)。三次諧波電壓保護(hù)可采用式（2-22）作為判據(jù)，將機(jī)端三次諧波電壓us3作為動(dòng)作量，中性點(diǎn)三次諧波電壓un3作為制動(dòng)量進(jìn)行比較。可以反應(yīng)發(fā)電機(jī)定子繞組中α＜0.5范圍內(nèi)的單相接地故障，并且當(dāng)故障點(diǎn)越靠近中性點(diǎn)時(shí)，保護(hù)的靈敏性就越高；利用前述的基波零序電壓接地保護(hù)，則可以反應(yīng)α＞0.15范圍內(nèi)的單相接地故障，且當(dāng)故障點(diǎn)越靠近發(fā)電機(jī)機(jī)端時(shí)，保護(hù)的靈敏性就越高。兩部分共同構(gòu)成了保護(hù)區(qū)為100％的定子接地保護(hù)。另外，基波零序電壓元件取中性點(diǎn)零序電壓，使裝置可不考慮電壓互感器斷線的影響。
3、改進(jìn)的反應(yīng)三次諧波電壓比值的定子繞組單相接地保護(hù)
動(dòng)作判據(jù)｜us3／un3｜＞β可以改寫為｜us3｜＞β｜un3｜，即us3為動(dòng)作量，un3為制動(dòng)量。該動(dòng)作判據(jù)的三次諧波電壓保護(hù)靈敏度不夠高，尤其是當(dāng)中性點(diǎn)經(jīng)過渡電阻發(fā)生接地故障時(shí)，容易發(fā)生拒動(dòng)。為提高大型機(jī)組三次諧波電壓保護(hù)的靈敏度，改進(jìn)的措施是增加調(diào)整系數(shù)kp，進(jìn)一步減小動(dòng)作量，這樣也就能進(jìn)一步減小制動(dòng)量，即可減小制動(dòng)系數(shù)β，使β《1.0，從而可獲得更高的靈敏度和防誤動(dòng)能力。
改進(jìn)的動(dòng)作判據(jù)為
當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生單相接地時(shí)，若故障點(diǎn)在機(jī)端附近，則us3減小而un3增大；若故障點(diǎn)在中性點(diǎn)附近，則us3增大而un3減小。其結(jié)果是：故障點(diǎn)在中性點(diǎn)附近時(shí)組合動(dòng)作量｜us3-kpun3｜顯著增大，而此時(shí)制動(dòng)量β｜un3｜卻比較小，保護(hù)可靈敏動(dòng)作；即使在機(jī)端發(fā)生金屬性接地故障，un3雖會(huì)顯著增大，但制動(dòng)量β｜un3｜因?yàn)?beta;＜1.0不會(huì)很大，而此時(shí)動(dòng)作量｜us3-kpun3｜＝｜kpun3｜，由于kp接近1.0，所以動(dòng)作量｜kpun3｜很大，于是保護(hù)仍可靈敏動(dòng)作。如果此動(dòng)作判據(jù)調(diào)試合理，三次諧波電壓式定子繞組單相接地保護(hù)的靈敏度可得到大幅提高。

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