發電機定子單相接地故障電流的計算和測試

陳 敏，郭愛軍

（國家能源集團江西電力有限公司萬安水力發電廠，江西 吉安 343800）

1 引言

發電機定子接地故障是最常見的發電機故障，大型發電機組在發生接地故障時會產生較大的對地電容電流，為將接地故障電流限制在允許范圍內，中性點常采用消弧線圈接地方式運行，而測試發電機定子單相接地故障電流是為了檢驗發電機在發生單相接地時消弧線圈是否能夠有效地補償故障電流，保證接地電弧瞬間熄滅，以消除弧光間歇接地過電壓，防止事故進一步擴大為匝間或相間短路。

需要知道發電機單相接地故障電流的大小，究其原因，主要有3點。

（1）發電機的定子一點接地保護動作出口方式的整定和這個電流大小有關。根據DLT 684-2012《大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則》的規定，當發電機定子單相接地故障電流大小超過規定值，發電機定子一點接地保護動作后就必須出口跳閘停機，而小于這個值，則允許保護僅動作于告警，由運行值班人員確認后，采取轉移負荷解列停機的方式進行處置。

（2）知道中性點不接地時發電機單相接地故障電容電流的大小后，與消弧線圈標注的補償電流比較，可以定性地判斷消弧線圈是否工作在欠補償狀態。

（3）消弧線圈投入后發電機單相接地故障電流必須小于制造廠的規定，制造廠無明確規定時，這個電流應小于15 A，否則在運行中發生定子繞組內部單相接地故障，有可能對定子鐵心造成不可修復的損傷。

本文以萬安水力發電廠1號發電機為例，通過簡單估算和現場實測這兩種方法對發電機定子單相接地故障電流進行討論，所得結論不一定適合其它發電廠，僅供同行參考。

2 發電機定子單相接地故障電流的計算

發電機定子單相接地故障點可能在定子繞組從機端到中性點的任意位置，但因為機端對地電壓最高，所以在機端發生單相接地故障時故障電流最大，因此，我們只計算機端單相接地時的故障電流。

2.1 發電機中性點不接地時，定子單相接地故障電容電流的計算

通常采用如圖1、2所示電路及矢量圖分析發電機中性點不接地時的單相接地故障。

其中圖1所示為中性點不接地系統C相接地故障分析電路，發電機機端C相發生接地短路，非故障的A、B相的對地電容被等效為發電機機端的集中參數電容Co（假定各相對稱，各相對地電容相等），N為發電機的中性點。

圖1 中性點不接地系統C相接地故障分析電路

圖2 中性點不接地系統C相接地故障矢量圖

圖2 所示為中性點不接地系統C相接地故障時的電壓電流矢量圖。根據矢量分析，可以得到C相接地短路時電容電流的計算式如下：

故障點總的短路電容電流：

非故障的A、B相各自提供的短路電容電流：

故障相C相提供的短路電容電流：

式中：

I0——單相接地短路時流入故障點的總電容電流我們平時所說的單相接地故障電容電流即指這個電流；

IA0、IB0、IC0——A、B、C相各自提供的電容電流；

Uph——相電壓；

Co——單相對地電容；

ω——電角度頻率（ω=2πf，對于基波，f=50 Hz）。

2.2 我廠1號機組發電機中性點不接地時，單相接地故障電容電流計算

1號機組的主接線如圖3所示，發電機額定功率為105 MW，定子額定電壓為15.75 kV。主變1B為110 kV/15.75 kV變壓器，額定容量為120 000 kVA。廠變11B為15.75 kV/10 kV變壓器，額定容量為5 000 kVA。

圖3 1號機組主接線圖

對于1號機組中性點不接地時單相接地故障，需要計算兩種運行方式下的故障電流：

（1）當發電機出口隔離刀閘9101G拉開，計算發電機空載運行下的單相接地故障電容電流，并用這個電流值與中性點消弧線圈當前運行檔位下的標稱補償電感電流進行比較，確認發電機空載運行下發生單相接地故障時，中性點消弧線圈補償的電感電流小于單相接地故障時的電容電流，即處于欠補償狀態。

（2）發電機出口隔離刀閘9101G合上，廠用電支路9011G刀閘及901DL開關合上，即發電機接帶主變1B及高壓廠用電變壓器11B狀態下，計算發電機的單相接地故障電流，在此種運行方式下，發電機單相對地電容值最大，單相接地故障時的電容電流最大。

依據式（1），計算單相接地故障總電容電流Io時，需要知道對地電容的大小。我們分別測量了主變1B低壓側對地三相電容，廠用電變壓器11B高壓側對地三相電容，發電機定子繞組三相電容，測得結果分別是30.15 nF、8.8 nF、2.3 μF。測量方法是用電容表在圖3所示的a、b、c點位置測量對地電容，注意測量時變壓器、發電機兩側從高低壓側隔離，發電機的消弧線圈刀閘拉開，并事先用接地線對變壓器及發電機繞組充分放電。

根據上述電容測量結果，計算單相對地電容Co。

當發電機出口隔離刀閘9101G拉開，發電機空載運行時，定子單相對地電容Co為：

當發電機接帶主變1B及高壓廠用電變壓器11B狀態下，發電機機端單相對地電容Co為：

發電機額定相電壓：

電角度頻率（對于基波，f=50 Hz）ω=2πf=314；

分別代入式（1）計算1號機組單相接地故障總電容電流Io，結果如表1所示。

表1 消弧線圈拉開時故障點電容電流計算值

依據表1計算結果，對發電機空載運行時中性點消弧線圈補償狀態核對如下：

1號機組的消弧線圈型號為XDJ1-120/15，額定相電壓9 100 V，消弧線圈共有5個檔位，當前運行檔位I檔，該檔位的標稱補償電感電流6.3 A，小于故障總電容電流計算結果6.57 A，消弧線圈處于欠補償狀態。

2.3 我廠1號發電機中性點經消弧線圈接地時，單相接地故障電流計算

當發電機中性點經消弧線圈接地，發生單相接地故障時，流入故障點的總的故障電流，除了前述電容電流，還有消弧線圈提供的電感電流，這兩個電流呈180°，互相抵消。中性點經消弧線圈接地系統C相接地故障電流分布示意如圖4所示。

圖4 中性點經消弧線圈接地，C相接地故障電流分布示意圖

依據前面電容電流計算結果及消弧線圈當前運行檔位的標稱補償電感電流，簡單相減即得到總的故障電流，如表2所示。

表2 消弧線圈投入時故障點電流計算值

依據表2計算結果，并根據《大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則》的相關規定，1號發電機的定子一點接地保護動作出口方式可以整定為延時告警。

3 發電機定子單相接地故障電流的測試

實際模擬試驗考慮到本試驗的危險性，為安全起見，做這個試驗時，一般不做全電壓接地，只做20%～30%電壓下接地，然后將實測值線性外推，計算得到全電壓下的故障電流。

圖5 1號機組單相接地故障試驗接線圖

2020年，我們委托電科院對我廠1號機組進行了單相接地故障試驗，試驗接線如圖5所示。試驗時發電機出口隔離刀閘9101G合上，廠用電支路9011G刀閘及901DL開關合上，即發電機接帶主變1B及高廠變11B狀態下的測試，但主變1B高壓側及廠變11B低壓側斷開。圖5中，電壓表V測量正常運行時的中性點偏移電壓；電流表A1測量短路時中性線電流IL，也即消弧線圈補償電流；電流表A2測量接地時流入故障點的總故障電流Ik。分別在消弧線圈拉開和消弧線圈投入兩種方式下測量。

3.1 消弧線圈拉開時，單相接地故障電容電流測試

表3 消弧線圈拉開時故障點電容電流測試結果

消弧線圈拉開，發電機接帶主變1B及高廠變11B運行，此時消弧線圈補償電流為0，機端短路時總的短路電流即故障總電容電流Io，計算結果為6.77 A，試驗測試結果為6.65 A，兩者基本一致，誤差很小。

3.2 消弧線圈投入時單相接地故障電流測試

表4 消弧線圈投入時故障點電流測試結果

消弧線圈投入，發電機接帶主變1B及高廠變11B運行，此時，機端短路時總的短路電流Ik為故障總電容電流Io疊加消弧線圈補償電流后的殘余電流，計算結果為0.47 A，試驗測試結果為0.8 A，兩者誤差較大，相差1.7倍。這個誤差的主要來原是消弧線圈補償的電感電流，計算所用的銘牌值為6.3 A，但根據測試數據的推算值為6.04 A。

4 結束語

本文對我廠發電機單相接地故障電流的計算及試驗測試進行了討論，總的來說，1號機組的計算結果及試驗結果，除了試驗得到的消弧線圈補償電流與消弧線圈銘牌標稱的補償電流之間相差0.3 A外，試驗數據與計算值基本上一致。

將測試結果與我們前面的計算結果對比，不論是按照計算結果還是試驗結果，根據導則的相關規定，1號發電機的定子一點接地保護動作出口方式都可以整定為延時告警。

因此，在現場條件不允許時，采取簡易的計算方法進行估算，也不失為一種好的方法。