關于發電機定子接地保護動作的原因及處理

陸位寧

摘要：電壓互感器是電力系統重要的一次設備，本文通過分析出口電壓互感器突發故障引發的發電機定子接地保護動作案例，探討了出口電壓互感器故障的診斷方法。

關鍵詞：發電機；電壓互感器； 故障

引言

隨著電力事業的飛速發展，一些國家和地區開始呈現出小電網大機組的特征，再加之單機容量的不斷增大，使得定子接地保護越來越重要。同時，由于電壓互感器能夠將高低壓隔離，能夠為儀表裝置等提供統一標準的二次電壓。因此，有必要加大對發電機定子接地保護動作和出口電壓互感器故障的研究。

1.故障情況

2017年5月22日斐濟某水電站現場電氣保護觸發了發電機95%定子接地故障保護誤動故障。該水電站發電機保護裝置由我公司負責設計并供貨?，F場保護動作后，經斐方相關人員檢查發現，發電機定子絕緣正常，保護二次回路定值和動作邏輯均符合要求，但發電機出口一個電壓互感器外殼出現了迸裂。該發電機出口電壓互感器采用的是國產JDZX3—20型號的電磁式電壓互感器。由于該電氣保護誤動故障，嚴重影響電氣設備的安全和機組穩定的運行。對于如何避免該類故障的重復發生，提高機組運行的可靠性已成為亟待解決的問題。

2.電壓互感器參數及故障設備照片

因本故障發生而造成迸裂的電壓互感器，其二次側帶有開口三角繞組，詳細的規格參數如表1所示。

斐方人員將出現迸裂的電壓互感器從現場拆下來并拍照傳給我司（如圖1所示），并要求我司對此故障現象進行分析并采取有效可行的應對措施。故障原因分析從圖1設備照片可清晰地看出表面的裂痕，從該表面現象初步分析判斷引起此次發電機定子接地保護誤動故障的原因可能有以下兩個方面：

鐵磁諧振引起的故障，在中性點非直接接地系統中，當系統運行狀態發生突變時，電磁式電壓互感器有可能發生鐵磁諧振。高壓側的鐵磁諧振使得電壓互感器承受了超過標準的過電壓，鐵心迅速飽和，流過電壓互感器一次繞組的電流很大，從而導致繞組絕緣過熱，最終發生爆裂。

電壓互感器二次側發生短路，而二次側的保險未及時動作，導致高壓熔斷器的熔斷和電壓互感器的損壞。

從現場反饋的情況知，電壓互感器一次側熔絲并未熔斷，因此可排除故障發生的第二種原因。由此可推斷故障引發的原因應為第一種，即鐵磁諧振觸發了電氣保護誤動，并造成了電壓互感器的迸裂。而電磁式電壓互感器引起的鐵磁諧振過電壓是中性點不接地系統中最常見且造成事故最多的一種內部過電壓，嚴重地影響供電安全，必須予以重視[1]。

3.電磁式電壓互感器鐵磁諧振產生的原因及危害

鐵磁諧振的發生一般應具備三個條件。一是電磁式電壓互感器的非線性效應，這是產生鐵磁諧振的主要原因。二是電壓互感器非線性電感要相當大，感抗和容抗的參數匹配要在諧振范圍內。三是要有一定的外部激發條件，即系統有某種電壓、電流的沖擊擾動，如跳、合閘，瞬間短路等。

發電機出口電壓互感器二次回路連接有測量回路、保護回路、計量回路、儀表裝置回路的電壓繞組等負載，是高阻抗回路，二次電流很小，因此電壓互感器工作狀態相當于空載運行的變壓器，實際上就是一種只降電壓的被限定結構和使用形式的特殊變壓器。正常運行時，電壓互感器開口三角的電壓（3U0）理論上是0V，在實際中一般也不超過10V。當系統受到一定的激發條件諸如發生瞬時接地故障等現象時，3U0將會迅速升高，當3U0不斷升高到一定值時就會形成過電壓。當系統上電時，由于電壓互感器三相繞組承受電壓不同，會在電壓互感器中產生很大的諧波電流，導致互感器內部鐵心飽和，飽和后的電壓互感器勵磁電感變小，使二次側的波形發生畸變。當畸變足夠大時，當畸變使得電壓互感器的感抗等于容抗時就會形成鐵磁諧振。在形成的諧波含量中，三分頻（17Hz），二分頻（25Hz），三倍頻（150Hz）三種諧波的成分比重比較大，其他的分量相對很小，一般可忽略。

鐵磁諧振產生的過電流或過電壓都有可能造成互感器的損壞，特別是發生低頻諧振時，電壓互感器相應的勵磁阻抗大為降低，最終導致鐵心飽和，勵磁電流急劇增大，輕者使電磁式電壓互感器的高壓熔斷器熔斷、發生匝間短路或爆炸；重者則發生避雷器爆炸、相間短路、保護裝置誤動作等嚴重威脅供電系統和電氣設備安全穩定運行的事故。而且諧振具有穩定性，若不采取措施消除就會持續存在[2]。

4.鐵磁諧振的消除措施及故障處理

在中性點不接地系統中，電磁式電壓互感器與母線或線路對地電容形成的回路在一定激發條件下可能發生鐵磁諧振而產生過電壓和過電流，使電壓互感器損壞。想要消除鐵磁諧振，就必須破壞諧振條件，保證系統的容性阻抗不能等于感性阻抗。工程應用中可采用的消除措施包括在電壓互感器開口三角或互感器中性點與地之間裝設專用的消諧器，亦可選用三相防諧振電壓互感器，抑或在電壓互感器開口三角端子上接入電阻或白熾燈泡等方法，進行強制性地破壞諧振條件。

微機消諧裝置是放在電壓互感器的二次側開口三角繞組上（所以也叫二次消諧）用于消除鐵磁諧振的儀器。其本質是一種高容量非線性電阻器，起到消耗能量、阻尼和抑制諧振的作用，同時電磁式電壓互感器一次繞組涌流也將得到有效抑制，高壓熔絲不再因為這種涌流而熔斷。它與一次消諧器的區別在于微機消諧是一個消諧儀器，具有分析、記錄、打印、上傳等功能，能夠消除工頻、三倍頻、二分頻、三分頻等頻率諧振，因而能夠避免由于鐵磁諧振而時常發生的電壓互感器燒毀甚至爆炸的惡性事故。

經與電壓互感器廠家核實，最終對本電廠故障采取的應對措施是采用在電壓互感器開口三角加裝WXZ微機消諧裝置。該裝置能夠實時顯示系統時鐘及電壓互感器開口三角電壓四種頻率的電壓分量，可以區分過電壓、鐵磁諧振及單相接地故障。并且裝置能夠實時監測電壓互感器開口三角電壓，運用DFT算法計算出零序電壓四種頻率的電壓分量。WXZ微機消諧裝置的突出特點是其增加了壓敏元件，壓敏元件的電抗隨諧波電壓而變化，從而破壞電壓互感器鐵磁諧振的產生條件。達到了實時在線消除運行過程中瞬態諧振的目的，極大地降低了諧振產生的可能性。如壓敏元件未能完全消除電壓互感器產生的鐵磁諧振，則瞬間啟動大功率消諧元件予以消除（消諧裝置原理圖如圖2所示，各圓圈內數字代表裝置端子排）。

WXZ消諧裝置在消諧過程中，使用了最優決策算法尋找合理的消除點。因為諧波電壓中三分頻17Hz，二分頻25Hz，三倍頻150Hz諧波分量疊加在工頻50Hz的基波上，將使基波波形發生嚴重畸變，在消諧元件出口消諧時，如不區分具體的消除點，就很容易造成電壓互感器運行的不安全。所以裝置能夠根據最優決策理論找出合理的消除點（如圖3所示），這樣既可以消除諧波，又能保證基波不受或少受影響[3]。

5.結束語

綜上所述，本文通過對該電廠發電機定子接地保護動作及發電機出口電壓互感器的損壞現象進行診斷，分析了故障產生的原因，采用了在發電機出口電壓互感器開口三角繞組處加裝WXZ微機消諧裝置使問題得到了圓滿解決。

參考文獻：

[1]勵磁特性試驗在電壓互感器故障診斷中的應用[J].李憲棟，石月春，李強，韓法玲.水電與抽水蓄能.2018（03）

[2]從一起電壓互感器燒毀事故談鐵磁諧振的防范[J].楊德浩. 農村電工.2017（04）

[3]淺析電壓互感器選擇[J].王寧.煤.2018（03）