淺談發電機定子單相接地保護

武薇

摘要：發電機定子繞組單相接地是發電機常見的一種故障形式。主要由繞組對地（鐵芯）絕緣損壞如：過電壓，不平衡電流或通風故障引起的過熱，短路或失步引起的機械力等引起，接地點電流是發電機和出口元件對地電容電流之和，當接地電流大到一定程度并持續一定時間后，將燒壞定子鐵芯，定子繞組絕緣損壞。甚至會引起匝間短路或相間短路，使發電機造成嚴重損壞。

關鍵詞：發電機

一、事件回顧

2015年04月27日，我司 “#4機定子接地跳閘”、“發電機失磁聯跳”光字牌亮，#4發電機“定子接地保護（基波）”信號間斷報警11次，最后由瞬時性接地故障發展為永久性接地故障。運行人員手動停機后，經電氣檢修人員檢查是因為#4發電機20KV封閉母線內結露積水，使得盤式密封套管帶水受潮，絕緣性能下降，盤式絕緣子出現沿面閃烙造成單相接地。

二、發電機定子單相接地保護原理：

1、大型發電機定子接地保護應該滿足以下三個基本要求：

① 故障點電流不應超過安全電流;

② 有100%保護區;

③ 保護區內任一點發生接地故障時保護應有足夠的靈敏度。

2、我廠100%定子接地保護原理：

我廠#1-#6發電機均配置由反應定子基波零序電壓和反應三次諧波電壓共同構成的100%定子接地保護，分別出口，各自動作于信號或解裂滅磁。

三次諧波電壓分別取自機端和中性點。

發電機中性點經消弧線圈接地后，可使接地故障電流減小到安全電流以下（300MW）及以上發電機一般都欠補償到1A以下），從而有效地防止了接地故障發展成為相間或匝間短路，使故障點電弧存在時間大為縮短，特別是在補償良好時更是如此，同時使發電機定子接地保護具有較高的靈敏度。

現階段，100%定子接地保護被廣泛采用。運行實踐表明，三次諧波保護正確動作率低。主要原因是調整不當，目前國內廣泛采用的三次諧波保護的動作方程為：│K1 US3 - K2 UN3 │≥βUN3

設發電機中性點為N端，機端為S端，我們常用│K1 US3 - K2 UN3 │作為動作量，而用βUN3作為制動量。

式US3 為機端三次諧波電壓（二次側）;UN3 為中性點三次諧波電壓（二次側）;K1 K2為調整系數;β為制動比系數。

該保護的特點是無整定值，要在發電機額定電壓下調平衡。即在發電機空載或輕載時調整K1，K2，使動作方程左側為零或很小。

實際上，由于UN3 與US3 一般很小（發電機空載時只有0.3-0.4V），當基波零序電壓較大時，如果沒有特殊儀表能反映UN3 與US3大小及相位關系，一般情況下，要使K1 US3與 K2 UN3大小相等、相位相同是非常困難的。

此外，隨著發電機工況的變化，UN3 與US3之間的相位也有些變化，那么β取何值時才能保證三次諧波保護的靈敏度及可靠性呢？一般不知道。

此外，在沒有專用測試儀表的情況下，由于UN3 與US3很小，保護接入回路有問題也難以發現。某電廠曾發生過將三次諧波保護中性點電壓輸入回路接在中性點出線的TA上（電壓回路接電流回路），致使定子接地保護誤動2次，經濟損失很大。

三、我廠定子接地保護動作情況分析：

根據保護班對我廠#1-#6機組定子接地保護動作情況的數據，我們對保護動作結果進行了統計，見下表：

根據上表數據，我廠定子接地保護動作11次，分析如下：

①基波零序電壓累積動作6次，正確動作6次，不正確動作為0次。

其中5次為發電機電壓互感器本體故障，發生故障的原因是我廠發電機出口PT均采用沈陽互感器廠生產的JDZX1—20型中性點接地的半絕緣樹脂電壓互感器。該產品從設計上就存在重大缺陷，PT的鐵芯外露，出廠試驗不做局部放電試驗。目前我廠已經淘汰該產品，現已將原固定式的PT本體更換為沈陽互感器廠生產的新型全封閉環氧樹脂抽屜式電壓互感器。

發電機20KV封閉母線接地故障1次，發生故障的原因是因微正壓裝置未投及連續的陰雨天氣情況下，封閉母線內結露積水，使得盤式密封套管帶水受潮，絕緣性能下降，盤式絕緣子出現沿面閃烙造成單相接地。在封母和微正壓裝置改造之前，為防止封母內進水和潮氣，現有的微正壓裝置盡快可靠地投入運行，封閉母線發生單相接地故障的隱患將進一步減少。

以上分析說明我廠定子接地保護基波零序電壓部分能夠正確反映機組故障，并且保護可以正確可靠動作。

②三次諧波電壓累積動作5次，正確動作2次，不正確動作為3次。

發電機電壓互感器一次保險故障2次，故障原因分別為保險熔斷和保險中部過熱，發電機定子接地報警信號是利用接在發電機出口側的電壓互感器開口三角形繞組的電壓或發電機尾部中性點經阻抗元件實現的，當電壓互感器高壓側熔斷器熔斷時，其開口三角繞組的電壓也要上升，機端三次諧波電壓變大，發電機定子接地保護正確動作。

發電機中性點電壓互感器二次保險接觸不良2次，導致中性點三次諧波電壓（二次側）UN3變小，制動量減少，引起保護動作。

四、定子單相接地保護投運方式：

現階段國內的大型汽輪發電機的定子接地保護大多是由基波零序電壓定子接地保護和三次諧波電壓定子接地保護兩部分構成。然而運行實踐表明，對于100%定子接地保護，其三次諧波電壓型定子接地保護經常誤動，很多機組的三次諧波電壓定子接地保護，常常會出現誤動和誤發信號的情況，原因多半仍是其原理不夠成熟造成的。故有關部門建議三次諧波保護只投信號。

在上述安全電流下，若定子接地保護動作后只發信號而不立即跳閘，應及時處理，不再繼續運行，因為如果再發生另一點接地故障，發電機將發生災難性后果。