一起發電機定子接地事故的分析處理

樊兵團 楊 睿 孫鋼虎 兀鵬越

（1.華能銅川電廠，陜西 銅川 727100；2.西安熱工研究院有限責任公司，西安 710043）

按照規程要求，大型發電機均配置有定子接地保護。其中反映基波零序電壓的定子接地保護，其零序電壓一般取自發電機中性點接地變壓器的副邊負載電阻抽頭。由于發電機正常運行時幾乎沒有零序電壓，因此無法通過檢測零序電壓的辦法確認該電壓回路的正確性，導致部分機組零序電壓回路接線錯誤情況下投入運行而無法發覺。

華能銅川電廠發變組保護系統采用南瑞繼保電氣公司生產的 RCS－985B型微機成套保護裝置。2010年6月15日，該廠1號機組發電機定子接地保護動作，機組跳閘。在對該次事故的分析處理過程中，發現了發電機機端零序電壓與中性點零序電壓不一致，深入分析后發現發電機中性點接地變壓器的副邊負載電阻抽頭接錯，并且另一臺機組也有類似問題。

1 銅川電廠發電機定子接地保護的簡介

1.1 銅川電廠機組簡介及其定子接地保護的構成

華能銅川電廠一期工程為 2×600MW 亞臨界空冷機組，兩臺機組均采用發電機－主變壓器組單元接線，發電機出口封母上連接主變壓器、高壓廠用工作變壓器、高壓廠用公用變壓器、勵磁變壓器，主變壓器經 330kV GIS組合斷路器接入 330kV電網。發電機中性點采用經接地變壓器高阻接地方式，發變組保護采用南京南瑞繼保公司的 RCS-985B發變組成套保護裝置。主變、廠變、公用變、勵磁變等主設備保護按全面雙重化配置，每臺機組設三面保護屏，分別為發變組保護A屏、發變組保護B屏和發變組保護C屏，其中發變組保護A、B屏為電量保護，發變組保護C屏為非電量保護。單元主接線和保護配置情況如圖1所示。

圖1 發電機變壓器主接線

其中發電機100%定子接地保護由兩部分組成，第一部分為反應發電機基波零序電壓的定子接地保護，它的保護區為發電機從機端至機內85%～95%；第二部分為反應發電機三次諧波電壓的定子接地保護，它的保護區為發電機從中性點至機內25%。其中，基波零序電壓U0取自發電機中性點接地變壓器的副邊負載電阻抽頭。

1.2 銅川電廠定子接地保護定值設置（見表1）

表1 發電機定子接地保護定值

跳閘控制字193B含義為：跳主表高壓側開關，跳滅磁開關，起動廠高工作變分支切換,跳廠高工作變分支開關，起動主變高壓側開關失靈,跳廠高公用變分子開關，關閉主汽門。

2 銅川電廠發電機定子接地保護動作分析

2.1 故障現象

2010年6月15日10：28，#1機組運行，負荷400MW，協調方式，A、B、C、E磨煤機運行，A、B汽泵運行。

10：29：02（#1發變組保護A柜記錄時間），#1發變組保護A柜、B柜保護起動，相對1000ms，A、B柜“定子零序電壓”保護動作，動作出口：TJ1（跳高壓側）、TJ3（關主氣門）、TJ4（跳滅磁開關）、TJ5（起動主變高壓側開關失靈）、TJ8（跳公用變分支）、TJ11（啟動A分支切換，跳A分支）、TJ12（起動B分支切換，跳B分支）。保護動作后22.7ms主變斷路器跳開，31.7ms滅磁開關跳開，42.7ms廠用A分支跳開，45.2ms廠用B分支跳開。保護動作后快切及備自投起動正常，備用電源正常投入。

保護起動后一個周波內的有效值為：發電機 A相電壓94.49V；發電機B相電壓4.8377V；發電機C相電壓92.989V；發電機機端零序電壓88.956V；發電機中性點零序電壓 34.334V；發電機中性點電流1.41A;機端三次諧波電壓14.58V；中性點三次諧波電壓 6.16V；三次諧波電壓差值 23.36V。波形如圖2所示。

圖2 發電機電壓波形

2.2 故障分析

1）故障類型判斷[1-3]

由于本廠發電機中性點不直接接地，因此具有一般不接地系統單相短路的共性。即當定子單相為金屬性接地時，接地相對地電壓為零，非接地相對地電壓為線電壓，定子絕緣電阻為零，開口三角零序電壓為100V；當定子單相接地發生在定子繞組的內部或發電機出口，且為電阻性（通過高電阻接地或電弧接地），或接地發生在發變組主變壓器低壓繞組內，接地相對地電壓大于零而小于相電壓，非接地相對地電壓大于相電壓而小于線電壓，開口三角零序電壓小于100V。

因此，由故障波形數據及以上分析可見，本次故障與發電機B相非金屬性接地故障現象相吻合。

2）故障檢查

故障發生后，用2500V搖表測量發電機定子絕緣見表2，可知發電機定子絕緣合格，由此判斷發電機定子無金屬性接地。

表2 故障后發電機定子絕緣數據

在繼續對#1號機組勵磁變壓器進行檢查中，發現勵磁變壓器C相二次電流回路電纜下垂，與勵磁變高壓側B相裸露母線接觸，并且電纜橡膠外皮及母線裸露出均有放電燒灼痕跡，如圖3所示。因此可以判定，本次定子接地是因為勵磁變高壓側B相母線經電流回路二次電纜接地所致。

圖3 故障點實物照片

電流互感器二次電纜為屏蔽電纜，根據有關規定，電氣二次屏蔽電纜的屏蔽層必須兩點接地。而本次故障中，也未見保護電流回路有所異常，因此可以判斷出勵磁變B相母線經電流回路二次電纜屏蔽層接地，而未對電流二次回路造成影響。

仔細觀察電纜放電燒灼處，電纜絕緣層并未完全被破壞。將該二次電纜兩側端子解開，測量該電纜各芯對地及相間絕緣，結果見表3和表4。

表3 各電纜芯對地絕緣（單位/MΩ）

表4 各電纜芯相間絕緣（單位/MΩ）

由測量結果可見，二次電纜絕緣良好，所以可以肯定本次定子接地故障是由勵磁變高壓側B相母線對電流二次電纜屏蔽層電弧放電所導致的發電機B相非金屬性接地，接地點在定子接地保護的保護范圍以內，保護正確動作。

2.3 故障處理

由故障現場情況可見，故障原因是電路回路二次電纜安裝走線路徑不合理，距離一次母線太近，而且電纜固定不牢靠。

處理辦法是用絕緣膠帶將電纜燒灼處多層纏繞，并重新對勵磁變高壓側各相電流互感器電纜重新固定，使其遠離勵磁變高壓側母線。

3 零序電壓不一致問題的分析處理

3.1 問題提出

按照基波零序定子接地保護原理，本次事故中接地點位于發電機機端，零序電壓理論數值應該為100V。但在發變組保護的動作報告中，記錄本次保護動作時，發電機機端開口三角電壓為 88.956V，而發電機中性點零序電壓僅為 34.334V，雖然也大于保護定值，保護正確動作，但是其數值顯然不對。

而從錄波器錄取的波形來看（見圖2），發電機機端零序電壓與發電機中性點電壓也有較大差異。

3.2 發電機單相接地零序電壓分析[4-6]

當距發電機中性點α處發生B相單相接地故障時（圖4，圖5），則各相機端對地電壓為

圖4 發電機B相接地示意圖

圖5 發電機B相接地時電壓向量圖

所以，故障點的零序電壓為

對于金屬性接地，假設三相電源電勢和三相對地電容完全對稱，并設故障點位于定子繞組B相距中性點α (α為中性點到故障點的匝數占一相總數的百分數)處。由于接地電流非常小，定子繞組感抗又遠小于對地容抗，所完全可以忽略定子繞組感抗壓降，這樣零序電壓 U0既是發電機中性點的位移電壓，也是定子繞組任一相任一點的零序電壓，即：

當在機端接地時，α=1.0，U0=EB；當在中性點接地時，α=0，U0=0。

當故障發生在定子繞組任一相的任一點a時，零序電壓U0= aEB，U0與α成線性關系。

由圖 5可見，單相接地時中性點電壓升高為aEB，故發電機任一點發生單相接地故障，發電機機端零序與中性點零序電壓一致。

如果發電機單相接地經過渡電阻，即非金屬性接地，經過推導，發電機機端零序與中性點零序電壓也一致。

但在本次故障中，發電機機端零序與中性點零序有較大差異。因此，需要進一步分析差異的原因。

3.3 零序電壓差異問題分析

華能銅川電廠#1號機組發變組保護中，機端零序電壓3U0取自發電機機端PT開口三角，中性點零序電壓 U0取自發電機中性點接地變壓器的副邊負載電阻抽頭ab。如圖6所示。

圖6 接地變二次電阻抽頭示意圖

表5 相關參數

本次故障中發電機機端零序電壓二次值為 88.956V時，則發電機機端零序一次電壓3U0為

則U0為11299V。

由3.2分析可知此時發電機中性點零序電壓一次值也為11299V，折算到二次側為

本次故障中，中性點零序二次電壓為 34.334V時，計算該電壓所接抽頭電阻阻值（計算所用參數見表5）。設抽頭電阻值為x，則有

計算得x=0.1198Ω。

當發生發電機機端定子接地時，發電機中性點電壓上升為相電壓22kV/1.732，則接地變壓器副邊電壓為 240V/1.732=139V。按照基波零序電壓的定子接地保護原理，此時對應的基波零序電壓應該為100V，所以接地電阻抽頭應該為0.43Ω×100V/139V=0.31Ω。

故障前若將抽頭接到電阻為0.31Ω處，則故障時中性點零序電壓二次值為：與故障時機端零序電壓二次值88.956V相吻合。由此判斷本廠發電機中性點零序電壓抽頭接錯位置。

這種分接頭接線錯誤的情況下，如果過渡電阻較大或距離中性點側較近處發生接地時，保護會拒動，具體分析如下：

本廠定子接地保護零序電壓靈敏段定值為15V，并且動作于跳閘（見表1）。折算到一次側為根據此值和3.2分析的結論（當故障發生在定子繞組任一相的任一點 α時，零序電壓U0=αEB，U0與α成線性關系。α為中性點到故障點的匝數占一相總數的百分數。）計算臨界故障點。當故障點位于0～38.8%區間，定子接地保護零序電壓元件可能會拒動。當過度電阻較大時拒動范圍可能更大。

對發電機中性點接地變二次抽頭接線進行檢查，發現1號機組發電機中性點接地變二次電阻抽頭接到阻值為0.12Ω電阻兩端，即ab兩端（見圖6）。也即發電機中性點零序電壓抽頭接錯位置，實際需要抽頭為0.31Ω，而現場接線為0.12Ω。

由此可見，發電機中性點零序電壓抽頭接錯位置是導致本次機端零序電壓與中性點零序電壓始終不一致的根本原因。

3.4 問題處理及思考

為了準確驗證負載電阻抽頭大小，拆除接地變二次側接線，在負載電阻ac兩端加入240V電壓，測 bc兩端電壓為 174V。則 0.43Ω×174V/240V=0.31Ω，因此確認抽頭位置與銘牌參數一致。

將中性點零序電壓接線位置糾正后，再次起動發電機，在保護裝置上觀察發電機機端零序電壓和中性點零序電壓采樣，幅值大小相等，正常工況下為0.3V左右。

值得思考的是，經檢查該廠2號機組也存在接地變負載分接頭位置接錯的問題，由于機組投運以來未發生接地故障，因此該問題也被隱藏，長期運行未能發現。

由于發電機正常運行時不產生零序電壓，而發電機啟動試驗中，一般也不要求做定子接地試驗，因此對于零序電壓回路的正確性無法觀察到實際的電壓，因此零序回路的錯誤很難發現。該廠兩臺機組分別由不同的單位進行啟動調試，均未檢查出此問題。

因此，建議相關人員除了對電壓回路的原理深入理解以外，還應該在發電機啟動時進行定子接地試驗，比如在10%額定電壓下進行定子接地試驗，以實際檢驗零序電壓回路的正確性。

4 結論

發電機正常運行時不產生零序電壓，因此無法用檢測實際零序電壓的方法來確認零序電壓回路的正確性，容易導致零序電壓回路的錯誤被長期掩蓋，對機組安全運行留下隱患。本文描述的一起的發電機定子接地事故充分說明了這一問題的客觀存在，而這種錯誤在常規試驗過程中很難發現，建議在條件允許的情況下進行定子接地試驗，以實際零序電壓來檢驗零序電壓接線的正確性。

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