一起發電機內部轉換性故障的分析及啟示

李軍保，陳俊

（1．浙江省能源集團有限公司，杭州310007；2．南京南瑞繼保電氣有限公司，南京211102）

一起發電機內部轉換性故障的分析及啟示

李軍保1，陳俊2

（1．浙江省能源集團有限公司，杭州310007；2．南京南瑞繼保電氣有限公司，南京211102）

以一起發電機內部轉換性故障為例，分析保護裝置記錄的相關電氣量波形及故障報告，確認故障過程為定子匝間短路故障轉相間短路故障，由發電機差動保護和發變組差動保護動作于跳閘。該機組未配置匝間專用TV和定子匝間保護，無法快速切除定子匝間故障，最終發展成相間短路故障，建議各種類型的大型機組均應配置定子匝間保護。

發電機；定子；匝間保護；分析

0 引言

GB/T 14285－2006《繼電保護和安全自動裝置技術規程》4．2．1節要求大型發電機組應裝設定子繞組匝間短路保護。由于一般發電機中性點側只能引出3個端子，一般配置縱向零序電壓定子匝間保護或負序功率方向定子匝間保護。

目前還有一些機組，尤其是一些大型燃氣輪發電機組，未配置專用TV（電壓互感器）和定子匝間保護，存在一定的安全隱患。近年來，已多次發生定子匝間短路故障或定子繞組分支開焊故障，應引起重視。

以下分析一起發電機定子匝間短路轉相間短路故障的案例，由于未配置定子匝間保護，不能及時切除定子匝間短路故障，最終轉化成相間短路故障，造成了巨大的經濟損失，這也充分說明配置定子匝間保護的必要性。同時，以案例的錄波數據驗證了一種定子匝間保護新原理的正確性，為沒有裝設專用TV的發電機提供了實現定子匝間保護的一種途徑。

1 發電機組保護動作情況

2012－10－16 T 11∶44，某300 MW機組突然跳閘，光字牌大片報警，主變壓器（簡稱主變）220 kV開關、磁場開關跳閘，發電機定子電壓、定子電流、勵磁電壓、勵磁電流均到零；汽輪機跳閘，各主汽門、調門關閉；鍋爐MFT（主燃料跳閘）動作，鍋爐熄火。

發電機變壓器組（簡稱發變組）保護A與B柜面板有跳閘信號“差動保護動作”，保護C柜無跳閘信號，C柜操作箱有2路跳閘出口燈亮。保護裝置跳閘報告顯示，11∶44∶51．547，發電機組保護啟動，2 124 ms后發電機差動速斷動作，2 125 ms后發變組差動速斷保護動作，2 131 ms發電機比率差動，2 133 ms發變組比率差動，2 134 ms發電機工頻變化量差動保護動作，A與B柜2套保護動作結果相同。保護裝置變位報告顯示，11∶44∶51．552，主變后備保護啟動；11∶44∶51．578，主變差動保護和發變組差動保護啟動；11∶44∶53．654，發電機差動保護啟動；11∶44∶53．703，主變高壓側開關跳閘，11∶44∶54．117，主汽門關閉。變位報告和跳閘報告由不同的CPU板處理，由于采樣和計算誤差，2個CPU板的啟動時刻相差5 ms。

綜合以上跳閘報告和變位報告可判斷，首先是主變后備保護啟動，隨后是發電機內部故障啟動、發變組差動保護啟動，最后由發電機差動保護、發變組差動保護跳閘，跳開主變高壓側斷路器，關主汽門并滅磁，直至電流衰減，差動保護和后備保護返回。

2 保護裝置錄波數據分析

由于2套保護動作行為一致，分析以A套保護錄波數據為例，錄波圖中前半部分是保護啟動時刻的波形（啟動前2個周波，啟動后6個周波），后半部分是保護跳閘時刻的波形（跳閘前2個周波，跳閘6個周波）。

主變高壓側三相電壓和零序電壓的波形如圖1所示。

圖1 主變高壓側電壓波形

主變高壓側三相電流和外接零序電流波形如圖2所示。

可見，故障過程中主變高壓側三相電壓沒有明顯降低，高壓側零序電壓和零序電流均為0，說明主變高壓側未發生故障。

圖2 主變高壓側電流波形

從圖2可見，保護啟動時刻，主變高壓側A與C相電流增大，B相電流無變化，B與C相電流同相位且與A相電流相位相反。故障跳閘時刻主變高壓側B與C相電流增大，A相電流無顯著變化。

主變高壓側相間后備保護采用阻抗保護，正向阻抗定值為5．3 Ω，反向阻抗定值為0．26 Ω，阻抗保護Ⅰ時限為1．2 s，阻抗保護Ⅱ時限為1．5 s。從圖2可見，故障時刻主變高壓側A與C相電流明顯增大，經計算滿足了阻抗保護的相電流突變量啟動判據，但主變高壓側相間阻抗計算值未落入阻抗特性圓內，因此，主變后備保護只是啟動，不滿足動作條件。

發電機差動保護定值為：比率差動啟動定值0．2Ie（Ie為額定電流），起始斜率0．05，最大斜率0．5，差動速斷定值4Ie。發電機差動電流波形及兩側電流波形如圖3和圖4所示。

從圖3和圖4可見，保護啟動時刻，發電機機端和中性點電流均增大，但發電機差動電流很小，說明故障初期不是定子繞組內部相間短路故障。

發電機機端三相電壓、機端和中性點零序電壓波形如圖5所示。

從圖5可見，保護啟動時刻發電機機端C相電壓降為0 V，而A與B相電壓不但沒有升高，反而略有降低，中性點零序電壓很小，而且發電機相電流明顯增大，不符合定子單相接地故障的特性。

圖3 發電機差動電流波形

圖4 發電機機端電流（Ifa-Ifc）及中性點電流（Ina-Inc）波形

圖5 發電機機端電壓波形

根據以上分析，排除了發電機內部相間短路和單相接地故障的可能，推測為定子繞組C相首尾大匝間短路故障。為了驗證以上推測，采用機端電壓和中性點電流計算負序功率，通過負序功率方向來判別是否發生了定子匝間故障，負序電壓、負序電流和負序功率計算結果如圖6所示。

圖6 負序電壓、負序電流和負序功率

從圖6可見，保護啟動時刻，出現較大的負序電壓和負序電流，以機端負序電壓和中性點負序電流計算的負序功率為較大的正值，負序電流滯后負序電壓約10°左右，符合發電機定子匝間故障的電氣特征，驗證了前面的推測。

從圖3—5的后半部分波形可見，保護跳閘時，發電機機端和中性點B與C相電流增大，且方向相反，A相電流變化不明顯，此時B相電壓也降低到0 V，發電機B與C相差流較大，說明此時已轉化成B與C相間短路故障，約2個周波后，A相電流也增大，A相電壓也降低至很小值，發電機三相均產生了較大的差流，說明此時已轉化成三相短路故障，故障過程中發電機差動電流與制動電流的關系如圖7所示。

圖7 發電機差動電流與制動電流的關系

由圖7可見，在故障轉化成相間短路故障后，發電機差動電流滿足比率制動動作條件，差流最大值超過了差動速斷定值4Ie，差動速斷保護也滿足動作條件，發電機差動保護正確動作。從圖4發電機機端B相電流可見，從故障轉化成相間短路到發電機差動保護動作跳開主變高壓側開關不到60 ms（后半部分波形中機端B相電流突然增加到變為0的時間，不超過3個周波）。

發電機內部相間短路故障屬于發變組差動保護的保護范圍，發變組差動保護定值為：比率差動啟動定值0.4Ie，起始斜率0.1，最大斜率0.7，二次諧波制動系數0.15，差動速斷定值5Ie。故障過程中發變組差動電流波形如圖8所示。

圖8 發變組差動電流波形

發變組差動電流、制動電流以及比率制動特性曲線如圖9所示。

圖9 發變組差動電流與制動電流的關系

由圖9可見，定子匝間故障轉為相間短路故障后，發變組三相差流均滿足比率制動動作條件，差流最大值超過了差動速斷定值5Ie，滿足差動速斷動作條件，發變組差動保護動作正確。

綜合以上分析，本次故障的大致發展過程如下：首先發生定子繞組C相匝間故障（C相首末端短路），造成發電機電流和主變高壓側電流增大，發變組后備保護啟動，發電機差動和發變組差動保護啟動，由于該機組未配置定子匝間保護專用TV，匝間故障不能被快速切除，故障持續了約2 s后轉變成發電機內部B與C相短路故障，隨即轉變成內部三相短路故障，最后由發電機差動保護和發變組差動保護動作跳閘。故障過程中，發電機差動保護和發變組差動保護之所以在保護啟動后2 s多才動作，是因為第1個啟動元件是主變高壓側阻抗保護，不是差動保護啟動元件，等到定子匝間故障轉化成相間短路故障后，才由差動保護快速動作跳閘。

3 發電機解體檢查及啟示

拆除發電機出線軟連接及中心點連接銅排，測量三相繞組對地絕緣為零，隨后拆卸發電機汽勵兩側人孔門及底部人孔門，檢查發電機端部線圈及引線，檢查發現C相出線及中性點引線燒熔，B相出線燒損，故障現象與上述故障錄波分析結果相吻合。

某大型水電站也發生過類似故障，由于配置了能夠靈敏反映定子匝間故障的多重主保護，由裂相橫差保護和不完全差動保護快速跳閘，避免了發展為相間短路故障，大大減小了對設備的損傷。可見，大型機組配置定子匝間保護是很有好處的。

有些人認為大型機組的定子同槽上下層線棒同屬一相的很少，理論上發生定子匝間短路的可能性很小，認為沒有必要配置定子匝間保護。事實上，定子匝間故障不僅僅包括定子匝間短路故障，還包括定子繞組分支開焊故障，并且已多次發生分支開焊故障，因此，從該角度出發，配置定子匝間保護也是必要的。

4 定子匝間保護新原理驗證

國內有學者提出了一種由機端對地零序電壓和中性點對地零序電壓計算縱向零序電壓（稱為復合零序電壓或自產縱向零序電壓）的方法，如式（1）所示：

采用以上自產縱向零序電壓即可實現不依賴于匝間專用TV的定子匝間保護。

根據該機組相關參數，可求得該機組的自產縱向零序電壓調整系數k1和調整系數k2分別為0．852 5和0．258 3。

利用圖5所示的機端零序電壓和中性點零序電壓波形，將以上2個調整系數代入自產縱向零序電壓計算式，求得的自產縱向零序電壓基波幅值如圖10所示。

圖10 自產縱向零序電壓基波幅值

可見，在本次定子匝間故障過程中，自產縱向零序電壓基波幅值可達30 V以上。

1臺具有n個并聯分支的發電機，當1路分支的α部分發生匝間短路時，假設非故障相電壓未發生明顯變化，則此時的縱向零序電壓為[5]：

式中：xf0為發電機零序阻抗；I0為零序電流。

本案例中該發電機為3個并聯分支，當C相1路分支首末端短路時，A與B相電壓只是略有降低，并且相角沒有發生變化，基本符合式（2）的前提條件，因此，故障時的縱向零序電壓理論值（有名值）應為：

縱向零序電壓理論值與圖10所示的自產縱向零序電壓計算值基本吻合。

可見，在此次定子繞組大匝數匝間短路故障中，自產縱向零序電壓保護能夠可靠動作，可避免匝間短路故障轉化成相間短路故障。

5 結語

分析了一起發電機定子匝間短路轉相間短路故障的案例，并且得到了一些有益的啟示：

（1）定子匝間故障若不能及時切除，可能轉化成相間短路故障，對機組造成嚴重損傷，發電機組應裝設定子匝間保護。

（2）對于水輪發電機組，應充分利用發電機中性點側引出方式靈活的優勢，配置單元件橫差保護、裂相橫差保護和不完全縱差保護等可靈敏反映定子匝間故障的快速保護。

（3）對于火電、核電和燃氣輪機組，建議采取以下技術措施：配置匝間專用TV，投入縱向零序電壓匝間保護功能；如果專用TV沒有安裝空間，則可采用自產縱向零序電壓保護。

[1]王維儉．電氣主設備繼電保護原理與應用[M]．北京：中國電力出版社，1996．

[2]邰能靈，朱佳杰．大型超臨界汽輪發電機匝間短路故障分析及主保護研究[J]．電力系統自動化，2006，30（20）∶54－58．

[3]俞勝，仇新宏，李哲，等．基于負序電壓分布的發電機定子匝間短路保護[J]．電力自動化設備，2010，30（9）∶72－74．

[4]王大鵬，王濤，周宏斌，等．一起定子接地故障及匝間故障引發的繼電保護動作行為分析[J]．電力系統保護與控制，2008，36（22）∶82－87．

[5]王維儉，侯炳蘊．大型機組繼電保護理論基礎[M]．2版．北京：水利電力出版社，1989．

（本文編輯：楊勇）

Analysis on a Internal Translating Fault of Generators and the Enlightenment

LI Jun-bao1，CHEN Jun2
（1．Zhejiang Provincial Energy Group Co．，Ltd．，Hangzhou 310007，China；2．Nanjing Nari-Relays Electric Co．，Ltd．，Nanjing 211102，China）

By taking an internal translating fault of the generator for instance,the paper analyzes waveform of power system and fault report recorded by protective devices．It is determined that the inter-phase short circuit fault comes from inter-turn fault of the stator and the differential protection of the generator and generator transformer unit's action on trip-out．The unit is not configured with special inter-turn TV and stator inter-turn protection and is unable to fast cut off the inter-turn fault of stator，which ultimately develops into inter-phase short circuit．It is suggested that large units of all sorts should be configured with inter-turn fault protection．

generator；stator；inter-turn protection；analysis

TM311

：B

：1007－1881（2013）05－0057－05

2013－01－29

李軍保（1965-），男，浙江仙居人，高級工程師，主要從事發電廠電氣專業技術管理工作。