小型水輪發電機定子單相接地故障“三步”處理法

金永琪

（浙江同濟科技職業學院，浙江 杭州 311231）

1 引言

浙江省小水電資源十分豐富，小水電是全省農村的重要能源，全省山多雨多,山能資源比較豐富，全省小水電站就有3 000多座，2020年浙江省出臺了《水利工程管理“三化”改革試點方案》，推進水利工程管理產業化、物業化、數字化，其中就包括了與水利工程配套的小型水電站的物業化管理，服務于水利工程管理物業化管理的公司如雨后春筍般成立，據調研全省有1 000多家水利工程物業化服務企業，大部分水利工程業主已經把小型水電站的日常運行與管理交給中標的第三方公司進行運營。而相當一部分水利工程運行承包企業技術力量比較薄弱，同時為了節省開支，招收的水電站運行值班員大多缺乏專業知識與專業技能，且專業培訓時間又不足，只能滿足平時簡單的開、停機運行操作，小型水電站在運行中一旦出現故障就不能處理，只能簡單停機了事，嚴重影響小型水電站安全、經濟運行，而小型水電站大多建在山區，當在雷雨季節運行發電時，經常會出現發電機定子單相接地故障。經過調研浙江省小型水電站的運行規程中都沒有對發電機發生單相接地故障時進行處理的方法和步驟，本文結合小水電實際情況，幫助電站值班員引用“三步法”來進行快速、準確處理發電機定子單相接地故障。

2 小型水輪發電機定子單相接地故障原因及危害

2.1 定子發生單相接地故障原因

小型水輪發電機定子一般采用B級絕緣，其最高運行溫度為1 200 ℃，發電機定子絕緣材料的構成是多種多樣的，不同材料中的電場強度不同，而且擊穿場強也不同。當絕緣體某種材料中局部區域的電場強度達到擊穿場強時，就會出現局部放電而引起接地。在發電機運行過程中，隨著定子溫度的升高，局部放電可能在銅棒和電機接地的鐵心磁鋼之間的任何氣隙中產生。運行經驗表明：發電機定子接地一般包括內部接地和外部接地。另外單相接地信號包括真接地和假接地二種。

2.2 定子單相接地的危害

為了提高發電機輸出電壓及供電可靠性，小型水輪發電機定子中性點是不接地的，為了安全發電機的外殼總是接地的。當定子繞組某相的絕緣損壞時所發生的對外殼短接，就是單相接地。發生單相接地時，接地點就會有電容電流流過，單相接地電流的大小，與接地故障點的位置有關，在中性點附近發生單相接地時，接地電容電流很小，在機端發生單相金屬性接地時，接地電容電流達到最大。當接地電容電流大于5 A時，就可能產生電弧，有燒壞定子鐵心的危險，并進一步發展成匝間短路或相間短路，使發電機遭受更嚴重的損壞。

3 發電機定子繞組單相接地時各相對地電壓變化

3.1 單相接地時出現零序電壓

小型水輪發電機定子單相接地保護一般采用無選擇性的零序電壓，如圖1所示。假設A相定子繞組在距中性點α處（α表示由中性點到故障點的匝數占每相總匝數的百分比）的F點發生接地故障，此時各相對地電壓為：

圖1 定子繞組單相接地

各相對地電壓不對稱，出現零序電壓，系統的零序電壓為：

各相對地電壓及零序電壓的相量圖如圖2所示。

圖2 A相接地時電壓相量圖

通過以上分析可知，發電機單相接地時，三相對地電壓不對稱，并出現零序電壓，接地相對地電壓最低，非接地相對地電壓升高。故障點零序電壓隨著故障點的位置不同而不同，若發電機中性點發生接地則零序電壓為零，各相對地電壓等于相電壓，保持不變；若在發電機出線端發生單相接地，零序電壓等于相電壓，接地相對地電壓為零，非接地相對地電壓上升為線電壓。

3.2 反映零序電壓的發電機定子繞組單相接地保護

發電機定子繞組單相接地保護原理如圖3所示。從機端電壓互感器TV0的開口三角形取得，開口三角形兩端接過電壓繼電器中KV，過電壓繼電器的動作電壓一般取10 V左右，通過計算可以得知開口三角形兩端的零序電壓的有效值隨著發電機定子繞組接地點不同在0~105 V范圍內變化。通過分析可知該保護為非選擇性動作：①當發電機定子內部、外部發生單相接地時，均發出發電機單相接地信號；②當發電機電壓互感器高壓側熔絲熔斷時，也會發出發電機單相接地信號。對于擴大單元接線的發電機發生單相接地故障時，既無法選出發生故障的發電機，也不能區分故障點位于機內還是機外。

圖3 反映零序電壓的定子繞組單相接地保護原理圖

4 值班員接到發電機單相接地故障信號后的處理

為了便于值班員快速處理接地故障，可以按照“三步法”進行判斷和處理，具體如下：

步驟1：通過換相開關分別測量發電機三相對地電壓,以判斷真接地、假接地及真接地的程度。

步驟2：若一相對地電壓為零或接近于零，其他兩相對地電壓不變，則電壓為零或接近于零相發生電壓互感器TV高壓熔絲熔斷，在采取一定的安全措施后（即拉開電壓互感器TV手車或TV隔離開關，值班員穿絕緣鞋、戴絕緣手套；1人監護、1人操作），更換發電機電壓互感器TV高壓熔絲即可。

步驟3：若一相對地電壓為零或降低，其他兩相對地電壓升高或上升為線電壓，則對地電壓為零或降低相為接地故障相，則馬上進行下列操作。

（1）值班員首先做好自身的安全保護措施，對發電機一次回路設備，查看是否有明顯的接地點。如無明顯接地故障點，可與調度聯系，采用依次短時切斷發電機電壓母線上的某一回路查明接地點。

（2）若切斷某一回路時，接地信號消失，則接地點在這一回路上，和調度聯系后，馬上進行停電搶修；若依次切斷所有回路后，接地現象不消失，則接地點可能在發電機母線或母線電壓互感器TV上，應立即向調度申請整個電站發電機作停機處理。

（3）若接地故障一時不能消除，而用電高峰調度又不允許停機，則值班員應做好相應的安全措施，所有發電機定子及一次系統都視為故障接地點，要裝設相應的臨時隔欄，懸掛相應的警示牌，室內不得接近故障點4 m之內，室外不得接近故障點8 m之內，且運行時間不能超過2 h。

5 應用案例

天臺龍溪水電站有2臺水輪發電機組，發電機型號為SF1-K8000-6/2400 ，單機容量8 000 kW，額定電壓6 300 V，額定電流916.4 A，勵磁電流455 A，勵磁電壓80 V，轉速1 000 r/min,飛逸轉速1 630 r/min，功率因數0.8，絕緣等級：B/F，1995年出廠，已連續運行20年時間，2015年2臺發電機定子進行大修。2018年7月2日，機組正值豐水季節運行過程中，1號發電機突然發出單相接地信號，值班員接到單相接地信號，沉著、冷靜按照“三步法”對該故障進行了處理，通過換相開關測量1號發電機各相對地電壓：A相3.64 kV、B相3.64 kV、C相0.52 kV，最后查明發出1號發電機單相接地信號是假信號，具體原因是1號發電機出口端接地保護用的C相電壓互感器TV高壓側熔絲熔斷所致，值班員在做好相關安全措施后更換C相電壓互感器TV高壓熔絲，故障得到迅速排除，1號發電機沒有停機繼續正常運行發電，提高了供電可靠性和電站經濟效益。

6 結語

小型水電站發電機在運行過程中發出單相接地信號時，發出的接地信號存在兩種可能：①真接地，即發電機定子絕緣損壞；②假接地，即接地保護用的電壓互感器TV高壓熔絲熔斷。此時電氣值班員可按照“三步法”進行判斷和處理，在具體處理過程中，值班員要按照《電業安全工作規范》要求做好自身的安全防范措施 ，同時按照工作監護要求，1人操作、1人監護，進行故障處理。另外，值班員在平時運行過程中要注意做好3個方面的工作：①停機10 d以上的發電機在投入運行時必須測量發電機絕緣，檢查絕緣是否滿足要求；②在日常運行中要每隔1 h測量發電機各相對地電壓，判斷運行中絕緣是否良好；③倉庫備品間相關電氣配件特別是電壓互感器高、低壓熔絲配備必須充足，以供處理故障時使用。