發電機定子接地保護可靠性提升策略

何子春，李國其，張 強，李養俊，張 莉

(華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

0 引言

作為發電機組主設備的發電機，價格昂貴，維修周期長，保障其安全、穩定運行的繼電保護的可靠性直接決定著整臺機組的經濟指標。近年來，關于發電機故障停機或保護誤動、拒動事故在行業內外均有發生，特別是發電機定子接地故障頻次大幅上升，值得注意的是發電機定子接地保護誤動或附屬設備故障引起保護動作的安全隱患問題。作為發電機定子主保護之一的定子接地保護，需要準確反映發電機定子異常并能夠可靠切除故障。因此保證定子接地保護高可靠性與靈敏性顯得尤為重要。

1 設備配置

某發電機組發電機定子繞組出口配置有3組電壓互感器，測量發電機機端電壓，用于測量、計量、勵磁和發變組保護之用。發電機端用于定子接地保護PT為固體分級絕緣電壓互感器，變比kT為：

發電機中性點經專用接地變高壓繞組和零序CT接地，接地變低壓側接有分壓電阻箱，接地變變比bT為：

式（1）（2）中UG為發電機額定電壓，單位為V。

2 發電機定子接地保護原理分析

發電機基波零序電壓保護可以保護靠近機端85 %～95 %定子繞組區段，且故障點越靠近機端保護靈敏度越高；而三次諧波接地保護用于保護靠近發電機中性點15 %～20 %定子繞組區段，而且故障點越靠近中性點保護靈敏度越高。將兩者結合，即可實現保護100 %的定子繞組。

2.1 基波零序電壓定子接地保護

發電機定子基波零序電壓保護反應發電機零序電壓基波分量。基波零序電壓保護設兩段定值，一段為靈敏段，另一段為高定值段。

靈敏段基波零序電壓保護，動作于跳閘或信號時，其動作方程為：

式(3)中UN0為發電機中性點零序電壓，U0LZD為零序電壓低定值。

高定值段基波零序電壓保護，取中性點零序電壓為動作量，動作方程為：

式(4)中U0HZD為零序電壓高定值，高定值段可單獨整定動作于跳閘全停。

2.2 三次諧波電壓比率定子接地保護

發電機三次諧波電壓比率判據中，機端三次諧波電壓取自機端開口三角，中性點三次諧波電壓取自發電機中性點接地變電阻箱分接抽取電壓。三次諧波保護動作方程為：

式(5)中U3T，U3N為機端和中性點三次諧波電壓值，K3WZD為三次諧波電壓比值整定值。需要注意的是，機組并網前后，機端等值容抗有較大的變化，三次諧波電壓比率關系將隨之變化，需要分別整定并隨發變組并網斷路器觸點變位自動切換。三次諧波電壓比率判據一般整定為發信。

2.3 三次諧波電壓差動定子接地保護

三次諧波電壓差動判據：

3 發電機定子接地保護異常顯示

正常運行中，很多機組的發變組保護裝置發電機電壓綜合量顯示異常，即發電機機端與中性點三次諧波電壓采樣數據不合常理，中性點三次諧波采樣值嚴重小于機端三次諧波采樣值，實例見表1。

表1 發電機定子接地保護采樣值 V

依照發電機三次諧波電壓比率定子接地保護原理(見式(5))與定值單中比率定值α的取值(并網后α設定為1.5)，此時發電機三次諧波定子接地保護應該出口動作報警，但實際上，在超過3年運行中此保護并未動作報警。針對拒動問題，有必要進行深入調查研究。

4 發電機定子接地保護采樣異常調查

經過現場檢查發現，發電機中性點接地變電阻箱分接檔位接線錯誤，其接于最低檔0.16 Ω(總電阻為0.54 Ω)，引起發電機中性點基波和三次諧波零序電壓采樣值異常變小，造成發電機端與發電機中性點零序電壓三次諧波分量比率異常增大(見表1)，若按定值單中α為1.3或1.5整定，將引起發動機三次諧波定子接地保護誤動，干擾機組穩定運行，也可能帶來運行人員的誤判操作或決策的嚴重后果。特別是在發電機定子繞組部分區段真正發生接地故障時，由于零序電壓采樣值偏小并可能低于整定值，將發生基波接地保護拒動造成嚴重的設備損毀安全事故。依現場核查結果，三次諧波定子接地保護在“誤接線”的情況下未發生報警或誤動的原因為：在調試階段整套啟動中，α被在線整定為3.85 (未按定值單整定，實測值為3.67)，而三次諧波電壓差動判據未投入，所以三次諧波定子接地保護在“誤接線”“誤整定”的情況下長期未能報警輸出。此系發電機定子接地保護“誤接線”“誤整定”未遂事件。

5 定子接地保護“誤整定”原因分析

5.1 發電機端PT開口三角3U0T電壓計算

當發電機機端發生金屬性單相(A相)接地故障時，機端零序電壓相量如圖1所示。

圖1 機端A相金屬性接地零序電壓相量

圖1中：

據此，按發電機機端PT變比式(1)計算3U0T如下：

5.2 發電機中性點接地變零序電壓U0N計算

當接地變壓器變比為式(2)時，機端單相金屬性接地中性點接地變二次零序電壓為：

顯然，機端開口三角零序電壓3U0T與中性點零序電壓U0N在同一接地故障中的采樣值不一致，難以進行比率或差動計算，且易發生錯誤整定。為此，發電機中性點零序電壓U0N可以通過電阻箱分接檔位進行分壓抽取，使U0N盡可能與機端3U0T為相同變比的測量值，保證定子接地保護中動作量與閉鎖量、動作量與制動量的測量一致性。電阻箱抽頭R抽頭選擇按式(9)計算可得：

5.3 定子接地保護“誤整定”原因分析

(1) 定值計算時，U0N錯誤地按額定值100 V而不是133 V計算出零序過電壓整定值U0dz，生產部門也按此定值單進行整定，卻很少考慮此定值是否匹配中性點接地變壓器的實際變比及電阻箱的分接位置。

(2) 在實際接線中，由于施工方和調試方疏忽，或不清楚原理使得“誤接線、誤整定”問題“隱形”并長期存在，靜態或動態中也很難發現或驗證，發電機定子接地保護不可避免地“帶病”運行，嚴重威脅著發電機安全。

6 發電機定子接地保護接線正確性核查

在發電機二次接線安裝完成后，依照發電機出口PT和中性點接地變的二次設計接線圖須做如下檢查和確認。

6.1 核查機端PT的開口三角電壓接線

首先，保證定子接地保護用PT選用100/3變比繞組，且極性一致，首尾相接，最后引出c相尾N600直接接地，a相頭UL不經開關或熔斷器直接分屏引入發變組保護柜或錄波柜，作為發電機端零序開口電壓，用于發電機基波定子接地保護之用。

6.2 校核中性點接地變及電阻箱安裝接線

根據中性點接地變銘牌上的接地變變比，計算發電機機端金屬性接地時發電機中性點接地變二次零序電壓值U0N：

式(10)中UG為發電機額定電壓，bT為接地變變比。根據式(9)計算接地變電阻箱的分接位置R抽頭，按照計算結果選擇合適的分接檔位。

6.3 空載或負載工況下準確性檢查

發電機空載或負載運行中，若機端PT開口三角接線正確，接地變電阻箱分接位置選擇合適，按照發電機磁鏈分布中的漏磁分布，中性點三次諧波的幅值應明顯地大于機端三次諧波(基波無明顯變化)，從原理上驗證了發電機100 %定子接地保護一、二次接線的正確性。若發現機端三次諧波幅值明顯大于中性點三次諧波的測量結果，則表明發電機接地變一次或二次接線不正確，須核查。

6.4 定子接地保護定值計算書審查

在發電機保護定值計算中，很多計算單位按機端PT開口三角繞組100/3的變比進行計算并以此作為動作量編制定值單，定值整定人員極易忽略接地變分壓電阻箱的分接檔位，發生保護定值與現場設備匹配問題，極可能釀成保護“誤動”或“拒動”的嚴重安全事故，后果嚴重。因此必須認真審查保護定值計算的正確性。

7 提升發電機定子接地保護可靠性策略

7.1 消除發電機附屬設備接地隱患

一方面要排查發電機出口PT一次繞組絕緣隱患；另一方面要排查發電機出口封母或與封母相連相對較低的位置，如主變低壓側或廠高變高壓側的盤式絕緣子等部位發生結露或積水隱患，防止發生擊穿或閃絡，繼而引起發電機開口三角零序電壓U0T與中性點零序電壓U0N突增引起停機事故。采取以下排查及預防策略。

(1) 按二十五項反措要求對發電機出口PT定期開展局放試驗，及時發現并排除絕緣隱患。

(2) 加強對封母微正壓裝置及其輸氣管線的管理、日常巡檢和定期檢查，保證微正壓裝置自動啟停功能正常投入，嚴禁人為退出或間歇運行。尤其要加強對輸氣管線的完好性排查和治理，保證連接緊固、密封暢通。

(3) 利用大小修或停機機會，對封母的絕緣狀況，尤其是盤式絕緣子結露情況進行內窺檢查，消除結露或積水隱患。

(4) 對發變組封母的密封墊進行定期檢查或更換，防止雨水或濕氣竄入封母。

7.2 消除發電機中性點附屬一二次設備接地故障

發電機中性點附屬設備絕緣損傷或因漏油漏水引發的接地故障，是引起發電機定子基波接地保護失效和三次諧波定子接地保護誤動的重要因素。如發電機在線局放儀傳感器絕緣降低或破損、接地變繞組及電阻箱接地、二次線掉落或松動等異常，都將引起發電機中性點基波零序電壓3U0N降低或失去，依據(3)(4)(5)(6)式，易造成發電機基波定子接地保護的拒動和三次諧波定子接地保護的誤動事故，給機組安全和故障診斷帶來嚴重挑戰。采取以下排查及預防措施。

(1) 按照預試規程要求定期開展接地變及電阻箱的預試工作，保證接地變、電阻箱及其接線絕緣良好。

(2) 加強定期清掃與設備緊固等維護工作，預防設備或接線因沾污引起絕緣降低、接線松動或脫落，保證零序電壓采樣正確可靠。

7.3 排查并消除保護“誤整定”和“誤接線”隱患

依據機端出口PT和中性點接地變銘牌參數中的變比，按式(7)和式(8)對定值計算書進行校核，確認發電機基波和三次諧波定子接地保護定值單中零序電壓動作量和變比選取與計算一致；特別要檢查接地變電阻箱的分接檔位并按式(9)進行分壓計算，確認發電機中性點零序電壓U0N接線和保護裝置采樣正確可靠，從根本上杜絕繼電保護“誤整定”和“誤接線”事故。

8 結束語

發電機定子接地保護動作的正確性、可靠性是保證發電機與機組安全的重要保障。在實際工作中，要高度重視發電機定子接地保護施工遺留隱患治理、定值整定核查與監督工作，確保保護正確可靠投入，并按規程要求做好定期檢驗與維護工作，消除各種事故隱患，防止保護“拒動”和“誤動”惡性事故發生，保障機組長期安全穩定經濟運行。