TV故障引起的發電機定子接地保護動作分析

張兵海，蘇艷賓，馬彥河，焦國強，張建忠，張志猛，劉 輝

(1.河北省電力研究院，石家莊 050021；2.國電河北龍山發電有限責任公司，河北 邯鄲 056400；3.華能上安電廠，石家莊 050081)

1 概述

發電機機端TV一次繞組的匝間短路故障并不多見，但故障發生時的故障現象與發電機定子繞組接地故障現象類似，將引起發電機中性點及機端電壓偏移，導致發電機定子接地保護動作跳機。雖然故障形式是匝間短路而非接地故障，分析認為定子接地保護動作仍屬于正確動作。

近兩年河北省南部電網曾發生2起因TV一次繞組匝間短路故障引起的發電機定子接地保護動作跳機故障，故障現象非常相似，下面以其中一起故障數據為例，從故障分析、甄別的角度進行側重于故障現象的分析，驗正由于TV一次繞組匝間短路引發的定子接地保護動作的正確性，對于故障影響、故障排查、TV工藝質量等內容不在討論范圍內。

2 發電機定子接地保護原理

大型機組的發電機定子接地保護配置原理主要有以下2種：

a.3U0基波過電壓原理，保護取用機端TV開口角零序電壓或發電機中性點接地變壓器(或TV)二次電壓，當發生接地故障時，基波電壓升高、三次諧波電壓降低，當零序基波電壓高過一定值時保護動作跳閘，保護的動作盲區為發電機定子繞組中性點部位的10%或5%。

b.三次諧波差動原理，保護取用機端TV開口角零序電壓與中性點接地變壓器(或TV)二次電壓，進行2處電壓中三次諧波電壓的比較。當發生接地故障時2處電壓的三次諧波電壓幅值、相位均會發生變化。理論上說這種原理的定子接地保護沒有盲區，而且這種原理的保護可以反應定子繞組線棒松動、移位等異常形式，故而此保護一般投信號而不投跳閘。

前面提到的2起故障中，動作跳機的3U0定子接地保護取用的均是發電機中性點接地變壓器二次電壓，取用此處電壓不用考慮TV一次熔斷器熔斷引起的保護誤動，但是因為機端TV一次繞組匝間短路故障仍可引起三相電壓的不平衡，因此機端TV一次繞組的匝間短路故障仍可啟動取用發電機中性點接地變二次電壓的定子接地3U0保護。

圖1 發電機發生U相接地故障后三相電壓向量示意

當接地阻抗為rf時，零序電壓

(1)[1]

當rf=0～∞時，U0=-EU～0，設K0=U0Eph，0≤K0≤1，發電機三相對地電壓分別為：

(2)

(3)

(4)

式中：rf為接地阻抗；U0為零序電壓；EU為U相電壓；EV為V相電壓；EW為W相電壓；Eph為相額定電壓；ω為計算因子，ω=2πf；Cg為相對地電容；UUd為故障后U相對地電壓；UVd為故障后V相對地電壓；UWd為故障后W相對地電壓。

隨著rf的改變，由圖1及式(2)-(4)可以推算出：

a.當K0在0～1.0變化時，故障相對地電壓不可能高于額定相電壓；

b.0

c.0.756

d.當U相機端發生經一定阻抗接地故障時，不管K0值多大，健全相W相對地電壓恒大于V相對地電壓。

以上論及的電廠機組在發生接地故障時，發電機U、V、W相對地電壓分別為63.81 V、57.10 V、55.16 V，(取自發電機變壓器組保護裝置的動作報告數據，為保護動作時刻的機端TV二次相電壓)，說明故障相為V相，而非W相，故障性質為經過阻抗接地。

3 TV一次繞組匝間短路故障數據分析

TV正常運行狀態相當于無窮大感抗，其一次繞組發生匝間短路后，感抗隨短路匝數的增多而減小。通過實例中故障機組事后的TV空載變比試驗數據可知，一次阻抗已變為516.5 kΩ。由前面的零序電壓計算公式(1)可以計算出發電機中性點零序電壓為16.9 V(中性點接地變壓器變比為22 kV/0.1 kV、發電機每相對地電容為281 000 pF)。

某電廠發電機故障錄波器錄波波形見圖2。

圖2 發電機故障錄波器波形

TV一次繞組匝間短路后，故障相對地感抗已非無窮大，該相對地阻抗已變為經過阻抗接地，TV一次繞組短路匝數的多少直接影響接地阻抗的大小，因此認為TV一次繞組匝間短路應當看做發電機定子繞組經過渡阻抗的接地短路，此種故障時的定子接地保護動作屬于正確動作。

對于當前3U0接地保護原理中已采取的三次諧波濾波和防止TV一次斷線的閉鎖防誤動措施，因為TV一次繞組的匝間短路不會導致3U0的三次諧波電壓異常、不會導致相電壓與零序電壓失去對應，因此防誤動措施在這種情況下不起作用。

4 定子接地故障與TV一次繞組匝間短路故障的辨識

發生故障后，故障的快速分析定位對故障的消除和運行恢復起著重要的作用。

大型發電機系統均設計為小電流接地系統，當前采用的接地方式多為發電機中性點經接地變壓器的高阻接地。接地故障發生后，因為接地電流高于GB/T 14285-2006《繼電保護和安全自動裝置技術規程規程》規定的2.5 A，為了防止接地故障電流引起的暫態過電壓對發電機定子設備絕緣造成破壞，接地故障時繼電保護需動作跳閘。

發電機繞組故障接地和定子接地保護試驗時的機端人為接地是2種不同形式的接地現象。試驗時的人為接地，因為接地可靠，接地后不存在弧光電流，進而不存在由燃弧熄弧引起的暫態過電壓，對設備絕緣不構成影響，按空載額定發電機機端電壓所需勵磁電流升高定子電壓時，非接地相相電壓升高為線電壓。實際在發電機運行過程中發生接地故障時，在故障發生的初期不可能是直接接地。因為弧光電流的存在，小電流接地系統接地故障后，暫態過電壓的理論認為，某相發生接地故障后，健全相因燃弧和熄弧將產生超過額定定子電壓多倍的暫態過電壓[2]；暫態過電壓值的高低取決于電容電流的限制措施，此暫態過電壓對設備絕緣將產生嚴重影響甚至影響設備修復。

從實例故障的錄波波形及數據可以看出，三相電壓波形均沒有發生暫態過電壓，故障相的波形畸變是電壓跌落，由此可分析認為發電機定子系統發生的不是真實的接地故障。因為發電機變壓器組保護、勵磁調節器等裝置均為雙配置，另外DCS的事故追憶(掃描時間需精確到ms)、故障錄波器等裝置均有電壓采樣，通過不同裝置、不同位置、不同組別的電壓波形比較后，就可以定位到故障的具體設備。通過理論分析得知故障部位后，仍需要進行一定的設備絕緣排查、特性試驗來最終確定故障設備。

以上討論分析的故障形式與真正的接地故障是有區別的，從故障波形中可以看出，故障后機端TV零序電壓與發電機中性點接地二次電壓的波形在相位上沒有規律可作參考，機端TV開口角零序電壓直接反應的是故障相電壓的波形反相。對于配置三次諧波差動原理定子接地保護的此類故障，故障發生后此原理定子接地保護可能啟動；根據已有的公開發表的文獻說明，機端發生接地后發電機中性點與機端零序電壓的三次諧波是反相的[3]，此觀點可使故障分析時側重于機端故障，有助于故障的快速分析定位。

5 結論及建議

a.發電機機端TV一次繞組匝間短路故障，在故障形式上等同于定子繞組經一定阻抗的接地故障，故障將引起發電機定子繞組的三相相電壓不平衡，從而導致3U0定子接地保護動作，屬正確動作。

b.通過故障波形對暫態過電壓、電壓跌落的判別分析，有助于快速確認是發電機定子繞組故障還是TV故障，從而有利于快速消除故障及恢復運行。

c.該文分析的故障動作保護為定子接地保護，如果故障發生在縱向零序電壓原理發電機匝間保護的專用TV上，匝間保護閉鎖采用的邏輯為非負序功率方向原理，則匝間保護可能動作跳閘。

d.TV一次繞組的匝間短路故障從互感器制造工藝上分析是一種不易發生的故障形式，但近兩年在河北省南部電網機組上已接連發生多起，因此互感器生產廠家在生產工藝方面應預以重視和改進。

[1] 王維儉.電氣主設備繼電保護原理與應用[M].2版，北京：中國電力出版社，2002.

[2] 周澤群，沈其工，方 瑜，等.高電壓技術[M].2版，北京：中國電力出版社，2004.

[3] 李恭斌，郝小會，口樂民.兩起發電機定子接地保護動作后的分析和檢查[J].甘肅電力技術，2010(3)：31-34.

本文責任編輯：王洪娟