一起發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作引起機(jī)組非停的分析

黎 帥

（國(guó)家電投集團(tuán)江西電力有限公司貴溪電廠，江西 貴溪 335400）

0 引言

發(fā)電機(jī)定子接地故障是發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中比較常見(jiàn)的一種電氣故障，易造成發(fā)電機(jī)本體絕緣的局部損壞，且故障持續(xù)惡化后容易引起相間和匝間故障，事故危害較大[1-2]。目前常見(jiàn)的發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)的基本原理有基波零序和3次諧波構(gòu)成的100%定子接地保護(hù)、外加電源式定子接地保護(hù)、選擇性定子接地行波保護(hù)和相位判別式3次諧波電壓型定子接地保護(hù)等[3-6]。

本次發(fā)生非計(jì)劃停運(yùn)（以下簡(jiǎn)稱“非停”）事件的電廠，其定子接地保護(hù)采用的是A套95%定子單相接地保護(hù)和B套注入式定子單相接地保護(hù)。其不僅能保護(hù)發(fā)電機(jī)定子繞組，而且能對(duì)與發(fā)電機(jī)直接相連的發(fā)電機(jī)封閉母線、發(fā)電機(jī)出口和主變低壓側(cè)電磁式電壓互感器、勵(lì)磁變及高廠變高壓側(cè)單相接地故障產(chǎn)生反應(yīng)。

在發(fā)生因發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作造成機(jī)組非停事件后，如何快速準(zhǔn)確判斷故障點(diǎn)位置成為事故分析的首要任務(wù)。因此，本文以某電廠4號(hào)機(jī)組因發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作造成電廠4號(hào)機(jī)組非停事件為背景，論述了該機(jī)組定子接地故障點(diǎn)的分析和尋找過(guò)程。

1 故障概述

2016年12月13日4時(shí)，某電廠4號(hào)機(jī)組DEH報(bào)警、鍋爐MFT，運(yùn)行人員排查保護(hù)動(dòng)作記錄，排除外部重動(dòng)，首出為發(fā)電機(jī)定子零序電壓保護(hù)動(dòng)作。檢查發(fā)變組保護(hù)裝置，4號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)保護(hù)A套定子95%接地保護(hù)、B套注入式定子接地保護(hù)均動(dòng)作，跳4號(hào)發(fā)電機(jī)主變高壓側(cè)2502開(kāi)關(guān)，跳勵(lì)磁開(kāi)關(guān)，發(fā)電機(jī)解列，快切裝置啟動(dòng)，高備變帶6 kV母線運(yùn)行，模向連鎖保護(hù)關(guān)閉主汽門(mén)，鍋爐MFT。監(jiān)視發(fā)電機(jī)各部溫升正常，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)電機(jī)本體無(wú)異常聲音、氣味，振動(dòng)數(shù)值正常，檢查發(fā)電機(jī)內(nèi)冷水系統(tǒng)參數(shù)正常，運(yùn)行人員按規(guī)程停用鍋爐和汽機(jī)。測(cè)量4號(hào)發(fā)變組20 kV系統(tǒng)對(duì)地電阻為0 MΩ。

跳機(jī)前運(yùn)行工況：開(kāi)關(guān)跳閘前，3、4號(hào)機(jī)組（2×660 MW）正常運(yùn)行于220 kV母線。3號(hào)發(fā)電機(jī)負(fù)荷526.75 MW，AGC投入；4號(hào)機(jī)組負(fù)荷527.8 MW，AGC投入；220kV系統(tǒng)：4Y37線、4Y39線及1號(hào)主變高壓側(cè)2501開(kāi)關(guān)運(yùn)行于I母，4Y38線、4Y40線及4號(hào)主變高壓側(cè)2502開(kāi)關(guān)運(yùn)行于II母，母線合環(huán)運(yùn)行。4號(hào)高廠變帶6 kV母線正常運(yùn)行。

2 故障后情況檢查

4號(hào)機(jī)組非停事件發(fā)生以后，電廠立即組織人員對(duì)機(jī)組進(jìn)行檢查，檢查情況如下所述。

2.1 繼電保護(hù)動(dòng)作檢查

非計(jì)劃停運(yùn)事件發(fā)生后，查看發(fā)電機(jī)A、B套保護(hù)報(bào)文，內(nèi)容如下：4時(shí)02分51秒，4號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)保護(hù)A套定子95%接地保護(hù)、B套注入式定子接地保護(hù)均動(dòng)作于跳閘，調(diào)取故障錄波器錄波文件，4時(shí)02分51秒272 ms到806 ms約500 ms內(nèi)，發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電壓由約3 V增大逐漸增大到10V（發(fā)電機(jī)零序電壓定值為10V，延時(shí)0.5s跳閘）；再經(jīng)約600ms，4號(hào)發(fā)變組高壓側(cè)開(kāi)關(guān)分閘，4號(hào)發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電壓最大值約48V。保護(hù)動(dòng)作正確。

4時(shí)02分51秒0 ms至240 ms期間，即故障發(fā)生前，4號(hào)機(jī)組故障錄波器錄取的發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、機(jī)端電流、中性點(diǎn)零序電壓、零序電流的波形平穩(wěn)，幅值相位正確，具體波形如圖1所示。

4時(shí)02分51秒603 ms，發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電壓、中性點(diǎn)零序電壓和中性點(diǎn)零序電流開(kāi)始波動(dòng)并逐漸增大，具體波形變化如圖2所示。806 ms時(shí)，發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電壓達(dá)到10 V（發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電壓定值為10 V，延時(shí)0.5 s跳閘），600 ms后，4號(hào)發(fā)變組高壓側(cè)開(kāi)關(guān)分閘，發(fā)電機(jī)機(jī)端電流降為0 A，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓Ub最低約為30 V，Ua和Uc電壓升高，最高時(shí)約為79 V和72 V。具體波形變化如圖3所示。

圖1 機(jī)組故障錄波器故障前波形圖

圖2 機(jī)組故障錄波器故障中波形圖

圖3 機(jī)組4號(hào)主變高壓側(cè)開(kāi)關(guān)跳閘后波形圖

4號(hào)發(fā)變組RCS985保護(hù)裝置錄取的不同電氣量保護(hù)動(dòng)作波形如圖4-圖7所示。

在故障發(fā)生后，從圖4看以看出，發(fā)電機(jī)機(jī)端A相和C相電壓逐漸升高，發(fā)電機(jī)機(jī)端B相電壓逐漸降低，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電壓逐漸增大至保護(hù)定值，引起延時(shí)保護(hù)動(dòng)作。從圖4可初步判定，發(fā)電機(jī)定子繞組B相發(fā)生接地故障。調(diào)取發(fā)電機(jī)匝間專用電壓互感器三相電壓的波形變化，如圖5所示，匝間專用電壓互感器三相電壓及縱向零序電壓均無(wú)變化，且如圖6所示，縱向零序電壓以三次諧波為主，可以推斷不存在匝間或相間短路故障。主變高壓側(cè)A、B、C三相電壓的波形變化如圖7所示，波形變化非常平穩(wěn)，可推斷主變高壓側(cè)狀態(tài)正常。

圖4 發(fā)電機(jī)機(jī)端三相電壓波形

圖5 匝間專用PT三相電壓波形

圖6 機(jī)端和中性點(diǎn)零序電壓和三次諧波分量波形

圖7 主變高壓側(cè)電壓波形

綜上所述，根據(jù)4號(hào)機(jī)組故障錄波器錄波文件和4號(hào)發(fā)變組RCS985保護(hù)裝置錄取的不同電氣量保護(hù)動(dòng)作波形，可初步判定接地點(diǎn)位置在發(fā)電機(jī)—?jiǎng)?lì)磁變—封閉母線—高廠變—主變電氣接線的B相。

2.2 定子接地故障點(diǎn)檢查

為查找4號(hào)發(fā)變組系統(tǒng)接地故障點(diǎn)，將4號(hào)發(fā)變組系統(tǒng)轉(zhuǎn)檢修，并按照發(fā)電機(jī)出口電壓互感器、發(fā)電機(jī)本體、勵(lì)磁變、主變和高廠變的順序依次對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行排查，排查結(jié)果如下：

1）退出全部發(fā)電機(jī)出口電壓互感器小車(chē)，測(cè)量發(fā)電機(jī)本體、勵(lì)磁變、封閉母線、高廠變高壓側(cè)及主變低壓側(cè)對(duì)地絕緣，絕緣電阻值為0 MΩ，排除發(fā)電機(jī)出口電壓互感器存在故障；

2）拆除發(fā)電機(jī)出線與20 kV封閉母線間的軟連接線，測(cè)量發(fā)電機(jī)機(jī)端三相繞組對(duì)地絕緣，絕緣電阻值為410 MΩ；測(cè)量封閉母線、高廠變高壓側(cè)及主變低壓側(cè)對(duì)地絕緣，絕緣電阻為0 MΩ，排除發(fā)電機(jī)內(nèi)部定子接地故障；

3）拆除勵(lì)磁變高壓側(cè)與封閉母線連接線，測(cè)量封閉母線對(duì)地絕緣，絕緣電阻為0 MΩ，排除勵(lì)磁變存在故障；

4）在拆除4號(hào)主變低壓側(cè)B相套管升高座上的活動(dòng)套筒時(shí)，目視檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)有部分橡膠密封圈滑落至套管升高座上，套管升高座銅排上有明顯放電痕跡，橡膠密封圈有燒灼炭化痕跡。隨后取出橡膠密封圈，測(cè)量封閉母線、高廠變高壓側(cè)及主變低壓側(cè)對(duì)地絕緣，絕緣電阻為670 MΩ，絕緣恢復(fù)正常，確認(rèn)定子接地故障點(diǎn)位置，不再對(duì)高廠變高壓側(cè)進(jìn)行檢查。

現(xiàn)場(chǎng)檢查情況如圖8-圖10所示。從圖8可以看出，升高座銅排對(duì)橡膠密封圈的放電痕跡。圖9是升高座銅排放電后，被燒蝕炭化的橡膠密封圈。圖10是剛打開(kāi)主變低壓側(cè)活動(dòng)套筒時(shí)，拍攝到的橡膠密封圈的位置示意圖。綜合以上現(xiàn)場(chǎng)檢查情況，可基本斷定定子接地故障點(diǎn)位置在主變低壓側(cè)，具體位置如圖11所示。

圖8 B相套管升高座上銅排放電痕跡

圖9 被燒蝕炭化的橡膠密封圈

圖10 掉落的橡膠密封圈

圖11 定子接地故障點(diǎn)位置示意圖

3 故障原因分析

3.1 跳機(jī)原因分析

圖12中紅線所指的橡膠密封圈是直徑1 550 mm，寬度為40 mm，厚度為10 mm的橡膠環(huán)。現(xiàn)場(chǎng)檢查時(shí)，部分橡膠密封圈掉落至紅色標(biāo)注區(qū)域內(nèi)，即主變B相套管升高座銅排上。

圖12 橡膠密封圈位置示意圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查情況和電氣試驗(yàn)結(jié)果綜合判斷，本次某電廠4號(hào)機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)事件的直接原因?yàn)?號(hào)主變低壓側(cè)B相活動(dòng)套筒頂端的環(huán)形橡膠密封圈部分掉落至主變B相套管升高座銅排上，套管升高座上銅排對(duì)掉落的橡膠密封圈放電，橡膠密封圈燒灼炭化，造成B相接地，機(jī)端零序電壓升高，從而引起定子接地保護(hù)動(dòng)作于跳閘。

3.2 橡膠密封圈掉落原因分析

現(xiàn)場(chǎng)檢查后發(fā)現(xiàn)，該橡膠密封圈的斷面為長(zhǎng)方形，無(wú)凹槽，運(yùn)行時(shí)僅依靠安裝前的涂膠進(jìn)行固定。由于橡膠密封圈的寬度約是活動(dòng)套筒厚度的3至4倍，而活動(dòng)套管由于受重力和主變振動(dòng)影響，不能有力保證橡膠密封圈位置的固定，因此，在主變壓器帶負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中，橡膠密封圈易發(fā)生掉落。

由于4號(hào)主變低壓側(cè)活動(dòng)套筒頂部橡膠密封圈設(shè)計(jì)存在缺陷，無(wú)有效防止橡膠密封圈掉落至封母內(nèi)的措施。當(dāng)橡膠密封圈由于使用年限較長(zhǎng)發(fā)生硬化或由于熱脹尺寸變大后，安裝時(shí)易造成偏心或虛位，在主變帶負(fù)荷運(yùn)行后，長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)的作用下，橡膠密封圈發(fā)生脫落，有效絕緣距離變小，封閉母線、套管升高座或軟連接對(duì)橡膠密封圈放電，從而引起定子接地故障的發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

大型變壓器低壓側(cè)活動(dòng)套筒頂部的橡膠密封圈其安裝目的之一是為了防止雨水、雜物或灰塵等進(jìn)入到封閉母線中，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)定子接地故障的發(fā)生。但在此次非計(jì)劃停運(yùn)事件中，橡膠密封圈成了機(jī)組定子接地故障的直接原因。因此，為防止此類問(wèn)題的再次發(fā)生，建議采用類似結(jié)構(gòu)的電廠，開(kāi)展以下幾項(xiàng)工作：1）改進(jìn)變壓器低壓側(cè)活動(dòng)套筒頂部橡膠密封圈的設(shè)計(jì)，可改為“凹”型橡膠密封圈或其他有效防止掉落的設(shè)計(jì)；2）對(duì)該電廠的主變壓器低壓側(cè)，高廠變高壓側(cè)等電氣設(shè)備的橡膠密封圈進(jìn)行排查，對(duì)無(wú)防掉落設(shè)計(jì)的變壓器橡膠密封圈進(jìn)行更換；3）縮短變壓器橡膠密封圈更換周期，在檢修或維護(hù)過(guò)程中對(duì)出現(xiàn)老化嚴(yán)重現(xiàn)象的橡膠密封圈及時(shí)進(jìn)行更換。