基于Matlab建立仿真分析確認(rèn)定子接地故障點

劉 瑞

(上海上電漕涇發(fā)電有限公司，上海 201102)

某發(fā)電集團(tuán)一臺電機(jī)額定裝機(jī)容量為600 MW，該發(fā)電機(jī)機(jī)端出口額定電壓等級為20 kV。發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓通過變壓器升壓，經(jīng)變壓器升壓后高壓側(cè)電壓等級為500 kV，這里變壓器與發(fā)電機(jī)的連接使用常見的單元接線方式。2019年3月20日該電廠發(fā)定子接地故障，保護(hù)裝置發(fā)信后30 min內(nèi)跳開發(fā)電機(jī)出口斷路器。發(fā)電機(jī)定子繞組接地時產(chǎn)生的電容電流將會流過定子鐵心嚴(yán)重時會燒毀鐵心，當(dāng)電容電流足夠大時會造成定子繞組匝間甚至相間短路，損壞發(fā)電機(jī)，因此定子接地保護(hù)是發(fā)電機(jī)保護(hù)中極為重要的保護(hù)[1-7]。

本文通過發(fā)電機(jī)機(jī)端開關(guān)GCB跳開后根據(jù)發(fā)電機(jī)機(jī)端輸出電壓和主變低壓側(cè)電壓幅值大及相位判斷接地短路點，通過Matlab仿真模擬發(fā)電機(jī)出口電壓與過渡電阻之間的關(guān)系，根據(jù)接地時的零序電流得出接地等效阻值，從而可以推算出故障點過渡電阻大小，可以快速找到故障點位置，也為以后相似故障提供快速處理方法。

1 定子接地事故現(xiàn)象以及保護(hù)配置

該發(fā)電機(jī)中性點通過接地變壓器接地，保護(hù)設(shè)備為雙重化，其中定子接地第一套采用外加電源注入式保護(hù)[8-10]，第二套采用基波與三次諧波電壓共同組成100%定子接地保護(hù)[3]，實現(xiàn)對發(fā)電機(jī)定子繞組100%接地保護(hù)。該廠發(fā)電機(jī)，變壓器構(gòu)成的一次接線見圖1。

2019年3月20日故障前該機(jī)組負(fù)荷為500 MW，綜合自動化系統(tǒng)(NCS)報警：18:30:55，發(fā)電機(jī)A屏定子接地跳閘；18:30:58，發(fā)電機(jī)B屏定子接地跳閘。報警后就地檢查發(fā)現(xiàn)該繼電保護(hù)裝置定子接地保護(hù)動作。保護(hù)動作報文和發(fā)變組故障錄波器記錄的波形中得知，產(chǎn)生接地時機(jī)端A，B，C三相電壓大小分別為76.58,42.88,60.62 V，其中零序3U0大小為34.1 V，因此初步判斷為B相或者與其連接的回路產(chǎn)生接地。

2 機(jī)端電壓大小對應(yīng)過渡電阻大小情況分析

2.1 電壓變化分析

由于機(jī)端電壓幅值不再相同且各電壓均不為零，而且有零序電壓，因此判斷為接地故障且故障點經(jīng)過渡電阻接地。定子接地故障電壓波形如圖1所示。從故障錄波中的電壓變化，可以看出在發(fā)電機(jī)出口GCB斷開但還沒有完全滅磁時，發(fā)電機(jī)端部電壓為三相對稱正序電壓。從錄波器相關(guān)波形中可以看出，在故障出現(xiàn)但保護(hù)未動作前發(fā)電機(jī)出口電壓分別為UA=76 V,UB=43 V,UC=61 V,其零序3U0=35 V，主變低壓側(cè)與發(fā)電機(jī)出口側(cè)電壓波形幾乎一致。發(fā)電機(jī)出口GCB分開沒滅磁前發(fā)電機(jī)機(jī)端和發(fā)電機(jī)出口電壓UA=59.6 V、UB=59.5 V、UC=59.4 V,零序電壓3U0=0.1 V，主變低壓側(cè)電壓分別為UA=88.6 V，UB=41.4 V，UC=59.4 V,零序電壓3U0=59.1 V。因此，可以判斷故障點應(yīng)該在發(fā)電機(jī)出口GCB與變壓器低壓側(cè)之間。

圖1 定子接地故障電壓波形

在定子發(fā)生單相接地時，對發(fā)電機(jī)機(jī)端三相不平衡電壓進(jìn)行分析。對于中性點經(jīng)變壓器接地的發(fā)電機(jī)，在通過過渡電阻接地時，發(fā)電機(jī)出口三相電勢如圖2所示，電勢分別是EA、EB、EC，求發(fā)電機(jī)中性點電壓3U0和三相出口對地電壓EAd、EBd、ECd。

圖2 定子接地等效圖

圖2中，中性點到故障點位置的繞組與整個繞組比值為α。因為可判斷本次產(chǎn)生的接地點應(yīng)該是在發(fā)電機(jī)GCB與主變低壓側(cè)之間且為B相[4]，所以根據(jù)基爾霍夫定理可知：

(1)

式中ω——發(fā)電機(jī)運行角速度。

可得：

(2)

發(fā)電機(jī)三相對地點壓分別為

(3)

(4)

(5)

依據(jù)表1相關(guān)電氣參數(shù)，結(jié)合式(2)，通過Matlab對短路點接不同過渡電阻接地情況進(jìn)行仿真。

表1 發(fā)電機(jī)設(shè)備電氣參數(shù)

仿真結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，各相對地點位的變化軌跡是以一段圓弧根據(jù)故障相模值變化而變化，過渡電阻大小的改變使其軌跡沿著圓弧改變。在故障點通過過渡電阻接地時接地相電壓最小，由于B相發(fā)生故障，其中A相電壓最大，C相次之。

圖3 各電位變化軌跡

2.2 過渡電阻計算與Matlab仿真計算電壓

在定子單相接地時，圖4是對零序網(wǎng)絡(luò)圖簡化。

圖4 定子繞組接地故障零序回路

各電流計算：

(6)

通過Matlab仿真發(fā)電機(jī)出口接地過渡電阻不同時對應(yīng)的電壓關(guān)系，仿真圖如圖5所示。在圖5中，通過Matlab模擬B相接地，當(dāng)過渡電阻大小為600 Ω時，故障相B相電壓大小為8.5 kV(二次側(cè)大小為42.6 V)，A相的大小為15 kV(二次側(cè)大小為75 V)，C相的大小為12 kV(二次側(cè)大小為60 V)。這里發(fā)生短路的該相電壓最小，A相電壓最大，C相次之，符合前文圖4中的規(guī)律。

圖5 發(fā)電機(jī)端口電壓幅值與故障點電阻大小變化關(guān)系

2.3 故障調(diào)查分析

經(jīng)檢修人員排查發(fā)現(xiàn)，在發(fā)電機(jī)對應(yīng)變壓器低壓側(cè)B相電壓互感器柜的第二組絕緣子出現(xiàn)裂痕，導(dǎo)致在工作時接地故障使絕緣子進(jìn)一步損壞，最后完全損壞掉落。

3 故障處理和經(jīng)驗總結(jié)

3.1 故障處理過程

在事故初步分析了可能的故障位置后，在申請主變停役事故檢修期間，對發(fā)變組測量絕緣，最終確定故障位置是在發(fā)電機(jī)出口斷路器外側(cè)。檢修人員對主變低壓側(cè)著重檢查，相關(guān)操作如下：①拆解B相封閉母線20 kV側(cè)、發(fā)電廠升壓變低壓側(cè)、廠用變高壓側(cè)的電壓互感器連接及GCB出口處的對地電容；②對B相進(jìn)行打耐壓，當(dāng)電壓升到42.5 kV時，出現(xiàn)放電擊穿現(xiàn)象，并伴有聲響，從異響確認(rèn)發(fā)生短路區(qū)域；③在B相封閉母線內(nèi)部，探查到主變低壓側(cè)電壓互感器第二組絕緣子中有一支絕緣子爆裂；④清理封閉母線套管，更換破損絕緣子；⑤對檢修后的故障封閉母線進(jìn)行絕緣測試和打耐壓試驗，打耐壓(51 kV，1 min)合格。

3.2 經(jīng)驗總結(jié)

購買設(shè)備及驗收嚴(yán)格把控，確保安裝的裝置合格。排查其他封閉母線內(nèi)的絕緣子，確保其他絕緣子沒有隱含缺陷，防止相似事故再次發(fā)生。嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)定期對設(shè)備進(jìn)行檢測，并嚴(yán)格按照相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，禁止設(shè)備帶病服役。研究分析錄波器記錄的數(shù)據(jù)以及保護(hù)動作報文，進(jìn)行理論分析確認(rèn)故障位置增強(qiáng)故障排查分析能力。檢查保護(hù)裝置和錄波器等對一次設(shè)備保護(hù)和監(jiān)測的裝置，確保一次設(shè)備在任何時刻都在保護(hù)與檢測狀態(tài)下。

4 結(jié)語

對于發(fā)電機(jī)中性點采用不同類型的接地[6]，在單相接地時它們的故障現(xiàn)象也會有所不同，但對比接地前后發(fā)電機(jī)電壓與零序電流幅值，以及計算出過渡電阻大小，通過Matlab仿真不同故障相電壓與過渡電阻關(guān)系，快速推斷出接地點并及時給出處理。