一起斷路器機械故障電壓異常事件分析

李家漢，梁 剛，浦 通，劉遠飛

（1.中國長江電力股份有限公司白鶴灘電廠籌建處，四川 涼山615400； 2.云南電網有限責任公司昆明供電局，云南 昆明650000； 3.云南送變電工程有限公司，云南 昆明650000）

1 引言

發電機在正常解列或并網早期機端電流極小，甚至無電流，在此過程中若發生非全相或單相接地故障，通過電流量很難反映或判別故障類型，在故障判別和診斷過程中電壓量就起到關鍵作用，而非全相運行時故障電壓會呈現出和單相接地故障類似的特征，很難通過現象定性判別出故障類型，給故障排查帶來一定困難。大型發電機為滿足電網安全穩定運行要求，出口斷路器一般采用三相聯動操作機構，常規非全相保護由三相不一致輔助接點和負序電流判據構成，不適用于三相聯動斷路器，而發電機出口斷路器因為機械故障導致非全相事故在國內時有發生。對未設置非全相保護的GCB，從保護一次系統角度考慮，維護人員熟練掌握故障分析方法，迅速根據保護裝置報警信號判別出故障類型對及早發現設備異常狀態、防止安全生產事故尤為重要。

2 事故簡介

2019 年01 月24 日22：27，某電廠1FB 減功率到零正常停機斷開發電機出口斷路器，啟動逆變滅磁過程中，監控系統顯示變壓器A、B 套保護裝置零序電壓（低壓側）報警動作，發電機A 套保護裝置注入式定子接地靈敏段報警動作，報警信號一直持續，直至斷開隔離刀閘，切斷與系統側聯系，投入消諧裝置消除諧振后，裝置報警信號才復歸，隨即維護人員分專業展開現場檢查工作，事件詳細過程見表1。

表1 事件過程記錄時序

3 保護裝置動作分析

3.1 變壓器保護動作情況分析

3.1.1 主變低壓側零序電壓報警分析

分析故障錄波波形可知，22：27：28，主變低壓側零序電壓3U0達到10 V，并持續增大，此時零序電壓3U0大于低壓側零序電壓報警定值10 V，滿足主變低壓側零序電壓報警條件，延時4.5 s 后，報“主變低壓側零序電壓報警”；22：29：37，拉開隔離刀閘導致系統參數發生變化引發主變低壓側諧振，零序電壓3U0大于報警定值，“主變低壓側零序電壓報警”持續報出，直至22：38：57，投入消諧裝置消除諧振后，主變低壓側零序電壓3U0降低至報警定值以下，“主變低壓側零序電壓報警”信號才復歸，以上時刻與變壓器保護裝置報警動作時刻基本相符。

3.1.2 主變低壓側TV 斷線報警分析

分析故障錄波波形可知，22：29：37，拉開隔離刀閘后，系統參數發生變化引發主變低壓側諧振，主變低壓側負序電壓值U2達到2.668 V，負序電壓3U2大于8 V，滿足TV 斷線判據，延時10 s 后，報“主變低壓側TV 斷線”；22：38：57，投入消諧裝置消除諧振后，主變低壓側負序電壓U2降至2.667 V 以下，負序電壓3U2小于8 V，延時10 s 后，“主變低壓側TV 斷線”信號復歸，以上時刻與變壓器保護裝置報警動作時刻基本相符。

3.2 發電機保護動作情況分析

查看發電機保護裝置動作報文，22：27：34，發電機A 套保護裝置報“注入式接地靈敏信號”，發電機B 套保護裝置無報警信號。查看保護裝置定值單，發電機定子繞組高定值：報警定值5 kΩ，延時定值5 s；發電機定子繞組低定值：跳閘定值1 kΩ，延時定值0.5 s。查看發電機A 套保護裝置定子接地保護裝置報文顯示，定子接地電阻為2.04 kΩ，低于定子繞組高定值，高于定子繞組低定值，發電機A 套保護裝置報警動作正確。22：28：58，制動開關投入后閉鎖定子接地保護，發電機A 套保護注入式定子接地報警信號復歸。

4 事故原因分析

該電廠發電機機端額定電壓為20 kV，中性點經接地變接地，發電機出口經封閉母線與GCB 連接，變壓器與無窮大系統連接，發電機與變壓器低壓側之間組成了局部不接地系統。主變低壓側零序電壓一般由接地、斷相或諧振引起，根據事件過程及故障錄波記錄，發電機中性點接地變零序電流互感器（ZCT1）在報警期間有零序電流約為0.36 A，由此可判斷發電機定子繞組至GCB 段未發生接地故障（若此段發生接地故障，中性點接地變零序回路無法形成），主變低壓側零序電壓產生可初步定性為兩種情況：①如圖1 所示，GCB 未斷開C 相導致局部不接地系統非全相運行；②如圖2 所示，局部不接地系統發生單相接地故障，且由錄波分析可知故障時最高相電壓高于1.5 倍的額定電壓，判定電壓最低相C相為接地相[1]。下文通過具體計算來分析兩種情形產生異常電壓情況。

圖1 假設GCB 的C 相未斷開導致系統非全相運行示意

在對電壓進行定量分析計算時，若系統對地絕緣電壓很高，可忽略系統對地電導，僅考慮系統對地電容[1]。設局部不接地系統故障時三相對地電容分別為CA、CB、CC，故障相對地電阻為R，主變低壓側三相電壓分別為

圖2 假設局部不接地系統發生C 相接地故障示意

根據基爾霍夫電流定律列節點電壓方程：

得中性點對地電壓：

該電廠局部不接地系統對地電容及接地變電阻參數見表2，其中PT 變比為20 kV/0.1 kV/（0.1 kV/3），代入相關數值進行計算分析。

表2 局部不接地系統對地電容及接地變電阻參數

（1）假設此局部不接地系統發生C 相接地故障，則A、B、C 三相對地電容均為GCB 靠主變側電容，即：CA=CB=CC=Ct，中性點對地電壓為：

式中R為假設C 相發生接地故障時的實際接地電阻值，根據實際錄波數據，取零序電壓二次有效值U0為92～95 V，額定電壓Un為，帶入上式計算得接地電阻一次值R為1.342 9～1.738 9 Ω，此接地阻值偏小，接近等于零，C 相近似為金屬性接地故障。根據電力系統運行經驗，當發生金屬性接地故障且該故障持續時間較長時，一次設備會出現不同程度的燒傷點，而現場檢查并未發現明顯的接地故障點，現場對局部不接地系統做絕緣試驗，各處絕緣測試均合格，缺乏有力的證據證明發生了單相接地故障。

（2）假設此局部不接地系統GCB C 相未斷開造成非全相運行，則A、B 兩相對地電容均為GCB 靠主變側電容，即：CA=CB=Ct，C 相對地電容為GCB 靠主變側電容加上3 倍的定子電容與GCB 發電機側電容之和，即：CC=Ct+3（Cg+Cd），C 相對地電阻為接地變電阻，即：R=Rn，則中性點對地電壓為：

將各項參數代入數值計算，中性點對地電壓，A、B、C 三相電壓一次值分別為：

將一次值折算到二次側，中性點對地電壓，A、B、C 三相電壓二次有效值分別為：

通過上述非全相運行計算推導出的A 相電壓96.96 V，B 相電壓96.96 V，C 相電壓3.52 V，零序電壓93.89 V 分布特征與故障錄波數據記錄的主變低壓側各項電壓差值浮動在合理區間內，考慮故障錄波數據采樣率低和系統參數計算誤差的影響，計算的故障電壓與實際的故障電壓基本吻合。

結合以上兩種假設的計算分析，綜合考慮實際故障時C 相故障電壓波形平滑，無尖峰脈沖，一次設備絕緣正常，未有明顯的接地燒傷點，推斷此局部不接地系統未發生單相接地故障，而是由于GCB 本體偶發性的機械故障導致非全相運行，造成主變低壓側對地三相電容極度不對稱，中性點發生偏移，三相電壓和零序電壓呈現和單相接地類似的故障特征，屬于虛假單相接地現象。而對于發電機注入式定子接地保護動作情況，維護人員對相關回路及元器件進行檢查未見異常，進行發電機零起升壓、發變組零起升壓試驗未發生異常報警信號，初步推斷注入式定子接地保護受到20 Hz 相角偏移的影響，導致測量電阻低于定值報警。

5 結論

本文分析了一起大型發電機減功率到零正常停機過程中，GCB 分閘時因開關本體偶發性的機械故障導致C 相未斷開，引起局部不接地系統非全相運行，電壓呈現虛假單相接地現象的典型案列，通過對比GCB 單相接地故障和C 相未斷開非全相運行的定量計算分析，結合繼電保護裝置動作報文、故障錄波波形和現場檢查結果推斷出了故障類型，分析了繼電保護裝置的動作結果正確性，針對此類電壓異常現象給電站維護人員提供了一種故障分析及排查思路。