一起典型發電機定子接地故障的綜合分析及現場應急處置建議

張晶

摘 要：該文從石泉水電廠一起典型發電機定子接地故障的綜合分析入手，結合現場實際運行經驗，對此類故障的應急處置提出改進建議。希望對類似故障的處置有借鑒意義。

關鍵詞：定子單相接地 綜合分析 改進建議

中圖分類號：TM32 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）01（c）-0028-02

石泉水力發電廠于1971年興建，共裝有5臺單機容量4.5萬kW的混流式水輪發電機組，是陜西第一座中型水力發電廠，在陜西電網中非汛期主要承擔調峰和事故備用；在汛期作為系統基荷，是陜南電網主要的電源支撐點之一。該文從該電廠一起典型發電機定子單相接地故障的綜合分析入手，結合現場實際運行經驗，對此類故障的應急處置提出改進建議。

1 故障經過和現場處置情況

2011年11月20日19時14分，1號發電機運行中返回屏1FB單元突然打出“保護裝置異常”光子牌；計算機監控顯示“1FB電氣故障，1F定子接地”故障信號；19時16分值班員現地檢查發現1FB保護盤“3UO” “3 W”定子接地告警信號同時點亮，初步分析定子有接地現象，且故障點應在“3UO”和“3 W”保護范圍的重疊區；19時20分該值班員切換返回屏定子電壓把手測量：3UO電壓為7.99 kV，機組Ubn為1.38 kV，Uan和Ucn均為9.8 kV，再次判斷：定子線圈B相確有接地現象，并且在機組風洞口以及機組中性線穿墻套管處聞到淡淡的類似“電焊”的焦糊味，立即匯報值長；值長在申請調度后于19時25分將該機組停運，隨后會同檢修人員對機組進行全面檢查。

應檢修人員要求將1號發電機轉臨修并進行熱態試驗：檢修人員用2 500 V兆歐表測得定子絕緣電阻A相497 MΩ、B相0 MΩ、C相500 MΩ，故初步判斷定子線棒B相絕緣有金屬性接地；采用電流燒穿法查找到定子線棒+Y方向定子和轉子氣隙之間有輕煙冒出，并伴有焦糊味，經盤車檢查確定故障位置位于#141定子線棒處；因發電機30多年長期運行，此處定子鐵芯下壓齒與底部環板焊點老化開焊，在機組運行中定子鐵芯振動，使下壓齒躥出與轉子磁極線圈碰撞形成掃膛，導致#141上層線棒出槽口部位發生磨損并扭曲變形，并使其側面主絕緣因單相接地大電流燒灼出坑狀。

2 結合定子接地保護原理及實際運行經驗進行綜合分析

零序電壓型接地保護，是從機端YH開口三角形繞組取得零序電壓，接入保護用的過電壓繼電器。機組正常運行時無零序電壓，繼電器不動作。但實際上，發電機正常運行時，其相電壓中存在三次諧波電壓；另外，在變壓器高壓側發生接地短路時，由于變壓器高低壓繞組之間存在電容，也會產生零序電壓。為了保證保護動作的選擇性，應躲開上述三次諧波電壓與零序電壓，并采取措施降低動作電壓，包括裝設三次諧波電壓濾過器、利用變壓器高壓側的零序電壓將接地閉鎖等方法來實現。該廠1#發電機保護為機變一體化配置，發生接地故障時零序電壓經三次諧波濾過器濾波后，作為啟動量輸入定子接地繼電器KE中，為防止變壓器高壓側接地時對低壓側的影響，將110 kV側零序電壓作為制動量輸入KE中，使保護動作電壓值降低至10 V左右，實現了對發電機定子繞組90%范圍以上接地保護。由于故障點離中性點的距離與零序電壓的大小成正比，當中性點附近發生接地故障時，零序電壓急劇降低，保護不會啟動，此時引入三次諧波保護消除了定子繞組中性點附近10%的死區，構成了發電機定子接地100%保護范圍。

以上簡要分析了該廠現行配置的發電機定子接地保護，事實證明該次故障點正好位于定子繞組靠近中性點附近即3UO和3 W保護的結合部，保護動作正確、靈敏、可靠。下面結合實際運行經驗，對故障發生時的具體判斷方法和現場處置步驟進行探討和分析。

3 迅速判斷定子接地故障的性質及真假

（1）當定子金屬性接地時，通過切換定子電壓表可測得接地相對地電壓為零，非接地相對地相電壓為線電壓；而非金屬性接地時，或一點接地發生在定子繞組的內部或中性點附近或發變組主變壓器低壓繞組內時，切換定子電壓表測得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。

（2）需特別注意：當發電機機端YH高壓側一相或兩相熔斷器熔斷時，其二次側開口三角繞組端電壓也要升高。如U相熔斷器熔斷，發電機各相對地電壓未發生變化，仍為相電壓，但電壓互感器的二次側電壓測量值因U相熔斷發生了變化，即UuvUwu降低，而Uvw仍為線電壓（造成線電壓不平衡），各相對地電壓UvOUwO接近相電壓，UuO明顯降低（相對地無電壓升高），機變保護裝置顯示3UO電壓為100 V，發“定子接地”信號（假接地）。

因此，真假接地的根本區別是：真接地時，定子電壓表指示接地相對地電壓降低（或等于零），非接地相對地電壓升高（大于相電壓但不超過線電壓），而線電壓仍平衡。 而假接地時，相對地電壓不會升高，線電壓也不平衡。

4 縮小故障范圍，減少查找時間

發電機機端至定子繞組中性點之間構成定子單相接地100%保護范圍。發電機正常運行時，3UO電壓顯示為零（開口三角形接線的三相繞組相電壓相量和為零）。故障發生時，切換返回屏定子電壓表查看3UO顯示的是機端YH高壓側即一次側實時測量值，如顯示7.99 kV，則表示7.99 kV/10 kV，即故障點大概在發電機機端往發電機定子繞組中性點方向的80%處。另外，故障發生時，機組保護裝置及故障錄波器記錄的零序電壓動作值為機端YH二次換算值即開口三角形連接的二次繞組連接的三相繞組相電壓UO為100/3 V，故3UO顯示應為100 V，也可以作為判斷依據。通常由保護班整定：保護動作出口最大零序電壓3UO整定值為100 V（金屬性接地），最小值為10 V。即3UO達到10 V時就會動作發信，故10 V以上可初步判斷為發電機機端往定子繞組中性點方向90%范圍之間接地；若小于10 V則為發電機中性點往定子繞組機端方向10%范圍之間接地，由于此范圍內3 UO迅速降低，而三次諧波明顯增大，故采集3 W作為動作量來消除死區；另外在設置保護范圍時3 UO、3 W結合部有重疊區，若接地故障點在此處，則3 UO、3 W會同時動作。

5 故障發生時現場應急處置改進建議

當故障電流大于5 A時，且對地電容電流形成的電弧大小及作用時間足夠時，必然會造成發電機定子鐵心嚴重灼傷，磁場分布不均，定子形變和震動加劇，最后發生兩點接地相間短路損壞發電機，造成無法修復機組報廢的嚴重后果，綜合經濟損失將無法估量。

因此，故障發生后30 min內的正確應急處置是遏制事態發展的關鍵，為此建議故障發生時應爭分奪秒采取更為簡單直接、合理安全以及模式化的方式來處置此類故障，具體建議如下。（1）立即降低機組出力及電壓。（2）區分3UO、3W保護動作情況，并通過切換定子電壓表測量三相電壓不平衡程度以及3UO大小來判斷接地性質，縮小故障范圍。若確為金屬性接地，或故障點在發電機內或風洞口有焦味和煙氣時應立即停機。（3）若為非金屬性接地時，運行人員應迅速查找故障點，可采用分路試拉法：先旁支后主線，先次要后主要，還應全面考慮負荷分配及安全后果，且不得用隔離刀閘切除接地點（原則上應積極申請調度倒換備用機組并盡快停運故障機組。（4）查找接地點時，應穿絕緣靴，不得碰觸設備外殼，并使用保安工具。（5）在查找故障前，應首先排除機端YH故障（防止因機端YH高壓側一相或兩相熔斷器熔斷時造成的假接地）。

6 結語

經多次事故演練及現場實踐，采用上述改進建議，不但能迅速判明故障性質，縮小故障范圍，顯著減少應急處置時間，還能有效防止人為原因造成的事故擴大、定子燒損以及機組意外“非停”，為該廠機組和陜南電網的長期安全穩定運行提供了有力保障。

參考文獻

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