因封母積水導致的發電機定子接地保護動作分析

李 鋒

（浙江浙能溫州發電有限公司，浙江 溫州 325602）

0 引言

發電機電氣故障對機組安全穩定運行影響極大，甚至會引起電力系統的振蕩和失穩，因此當發生發電機電氣故障時，相關繼電保護裝置必須能夠快速、可靠、靈敏和有選擇性地將其切除[1]。330MW 某火電機組因發電機定子接地保護動作出口而發生跳機事件，通過對保護裝置動作報文分析，故障錄波器錄波文件分析以及現場全面檢查，發現高壓廠變A 高壓側C 相封閉母線內存在積水而導致絕緣降低，進而發展為發電機C 相單相高阻接地，使發電機定子接地保護正確動作。

本文將對該定子接地保護動作事件進行詳細分析，找到故障發生原因，舉一反三，提出相應防范措施，消除安全隱患，大大提高發電機及其封母運行的可靠性和安全性。

1 發電機定子接地保護原理

1.1 基波零序電壓定子接地保護

由于發電機定子回路發生單相接地時定子回路各點均有零序電壓出現，因而保護的零序電壓可取自機端電壓互感器的開口三角側或中性點變壓器的二次側，采用微機保護檢測發電機基波零序電壓，就構成了基波零序電壓原理的定子接地保護[1]。

定子繞組接地時，如接地點不在繞組中性點位置，則機端三相對地電壓對稱性遭破壞，由此機端將出現零序電壓，其大小與接地位置有關。如圖1，設故障點位于定子繞組A 相距中性點α 處，α 為中性點到故障點的匝數占一相串聯總匝數的百分比。由于接地電流非常小，定子繞組感抗又遠小于對地容抗，所以可以完全忽略定子繞組感抗壓降，這樣零序電壓U0既是發電機中性點的位移電壓，也是定子繞組任一相和任一點的零序電壓[2]。

圖1 定子單相接地基波零序電壓向量圖Fig.1 The vector diagram of the fundamental zero-sequence voltage of the stator single-phase grounding

當故障點在機端時，α=1.0，U0=Eph（相電動勢），壓變開口三角形繞組電壓為100V；當故障點在中性點時，α=0，U0=0，壓變開口三角形繞組電壓為零。開口三角形繞組電壓隨接地點位置的變化關系如圖2。

圖2 開口三角形繞組電壓隨接地點位置的變化關系圖Fig.2 The relationship between the voltage of the open delta winding and the position of the ground point

由圖2 可見，零序電壓元件的定值實際上即決定了元件保護區的大小，其值愈小，保護范圍就愈大，相應保護死區也愈小。如元件定值為20V，則自定子繞組引線端算起，在80%的定子繞組范圍內發生接地故障，保護均能反映，剩余20%的定子繞組即為保護死區。

本文所例為南瑞的PCS-985 保護裝置，其采用了頻率跟蹤、數字濾波及全周傅氏算法，使得零序電壓對三次諧波濾除比達100%，保護只反應基波分量?；阈螂妷罕Ｗo設兩段定值，一段為靈敏段，一段為高值段，延時可獨立整定。靈敏段基波零序電壓保護，動作為信號時，動作方程為：

其中，Un0為發電機中性點零序電壓，U0zd為零序電壓定值，本文所述機組U0zd=6V。

靈敏段動作于跳閘時，還經過主變高壓側零序電壓閉鎖，以防止區外故障時定子接地基波零序電壓靈敏段誤動，主變高壓側零序電壓閉鎖值可整定，本文所述機組整定閉鎖值為40V。

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：

高定值段直接作用于跳閘，本文所述U0hzd=14V。

1.2 注入式定子接地保護

注入式定子接地保護是由RCS-985U 低頻注入電源和RCS-985 保護裝置兩部分共同實現。其保護接線圖如圖3。

注入式定子接地保護將20Hz 方波加載在負載電阻上，通過接地變壓器注入到發電機定子繞組對地的零序回路中，保護裝置檢測注入的電流、電壓信號，通過計算判斷接地故障。當對地絕緣受到破壞，注入電流出現電阻性電流。檢測注入的20Hz 電壓、電流，通過導納法可計算出接地過渡電阻，可以反映發電機100%的定子繞組單相接地[3]。

2 發電機定子接地保護動作原因分析

2.1 事件過程

某330MW 自并勵火電機組，發電機中性點經接地變高阻接地，發電機主變壓器組單元接線至220kV 系統，未配置GCB，高壓廠用電系統由A、B 兩臺高壓廠變提供。某日，該330MW 機組跳閘，首出為發變組保護A 屏發電機基波零序電壓保護動作。動作時序為17 時24 分14 秒585毫秒保護啟動，延時622ms 后保護出口于全停；發變組保護B 屏注入式定子接地保護在17 時40 分51 秒發信報定子接地，接地電阻值為1.99kΩ，發電機注入式定子接地保護信號無法復歸，且在發電機中性點接地變閘刀未拉開前，接地電阻值持續下降。

該機組安裝有南瑞繼保PCS-985 型保護裝置，基波零序電壓保護整定為3U0=6V，延時T=0.5s，出口方式為全停。

2.2 事故分析

圖4 高壓廠變A高壓側C相積水流下情況Fig.4 The situation of high-pressure plant transformer A under the condition of water accumulation in phase C on high-pressure side

查閱故障錄波波形，得到保護動作數據見表1。通過分析可知，發電機C 相二次電壓從保護啟動時的53.358V逐步降低，且可以認為保護啟動前電壓已經在逐步下降，C相二次電壓最低至50.139V；發電機A 相電壓基本保持不變；B 相電壓逐步升高；發電機中性點基波零序電壓逐漸增大，主變中性點零序電壓為0V，小于系統側發生單相接地的傳遞電壓定值40V。因發電機系統為中性點經接地變接地系統，故接地相電壓降低，非故障相電壓上升。因下降電壓幅值不大，判斷為C 相定子經高阻（非金屬性）接地。注入式定子接地保護發信報接地電阻1.99KΩ，也間接證實該推論。

表1 機組故障錄波器數據Table 1 Data of unit fault recorder

圖6 C相封閉母線內積水流向高壓廠變A盤式絕緣子Fig.6 The accumulated water in the closed busbar of phase C flows to the A disc insulator of the high-voltage power plant transformer

3 現場檢查處理

機組狀態改冷備用后，測發電機出口絕緣為零，發電機出口PT 絕緣正常?，F場檢查發電機出口PT、中性點接地變壓器等一二次設備未見異常。故障前后，發電機繞組及出水溫度等參數無異常。再次檢查發變組保護B 屏注入式定子接地保護電阻為1.43kΩ，相比之前絕緣有所下降。

發現高壓廠變A 高壓側C 相升高座的頂部排水口處有滴水現象，懷疑上方的封閉母線有進水。發電機出口軟連接拆開后，測主變低壓側絕緣為零，發電機定子絕緣A 相6140MΩ、B 相3160MΩ、C 相5850MΩ。再查發現變組保護B 屏注入式定子接地保護報警已消失，判斷發電機定子側不存在絕緣問題。

后續對高壓廠變A 高壓側封閉母線C 相分支滴水的盤式絕緣子導體部位的密封壓圈進行拆卸檢查，取下壓圈后盤式絕緣子上方的積水快速流下，確認封閉母線內存在較多積水。將盤式絕緣子拆下后，對封閉母線測量絕緣，A相絕緣65MΩ，B 相絕緣110MΩ，C 相絕緣60MΩ，封閉母線絕緣恢復。同時檢查盤式絕緣子，表面無損傷，如圖5。

圖5 盤式絕緣子表面無損傷Fig.5 No damage to the surface of the disc insulator

繼續對封閉母線進行檢查，發現封閉母線各相內部均存在積水情況，積水量C 相最多、B 相次之、A 相最少，封閉母線發電機側均干燥無水。引起封閉母線內部積水的原因是該封閉母線微正壓裝置氣源接自機組檢修空壓機，且微正壓裝置存在缺陷。根據國家能源局《防止電力生產事故的二十五項重點要求》“10.14 防止封閉母線凝露引起發電機跳閘故障”，微正壓裝置氣源宜取用儀用壓縮空氣，而本臺機組封閉母線微正壓裝置氣源采用檢修壓縮空氣，氣源品質較差。檢修空壓機產生的壓縮空氣沒有經過過濾，含有較高水汽，微正壓裝置對氣源過濾和干燥的作用有限，特別是外界空氣潮濕的情況下，使含水量較多的空氣進入封閉母線后冷凝析出水，并沿封閉母線流向處于較低位置的高壓廠變A 盤式絕緣子處積累。顯然，C 相封閉母線內積水過多，導致盤式絕緣子處導體通過積水對外殼放電造成接地，為本次事件的直接原因。

4 防范措施

微正壓裝置是一種將壓縮空氣經過過濾、除水、干燥后送入到封閉母線外殼內以保持封閉母線內部空氣壓力高于外界壓力的裝置[4]。

根據電力行業標準DL/T 1769-2017《發電廠封閉母線運行與維護導則》附錄B.1 要求，微正壓裝置主氣源宜使用廠內儀用壓縮空氣，并選用無水、無油型空氣壓縮機作為備用氣源。過濾裝置應具備微塵過濾、空氣干燥的功能，使用儀用壓縮氣源時，應特別安裝油氣分離裝置。儲氣罐宜具備自動排水裝置，實現定期自動排水功能[5,6]。

對于沿海潮濕地區，建議將微正壓裝置改造為熱風循環微正壓裝置，做好系統的檢查維護工作，提高設備的可靠性[7]。

5 總結

在此案例中，基波零序電壓定子接地保護正確動作，及時切除了故障。機組封閉母線微正壓裝置接至檢修用壓縮空氣，因檢修用壓縮空氣中析出冷凝水沿著充氣管道進入封閉母線內部，并在高壓廠變A 高壓側C 相盤式絕緣子處積累，封母絕緣下降，最終發展成為接地故障，導致發動機基波零序電壓保護動作。

此次事件暴露了基層生產技術人員對設備的管理不夠精細，貫徹執行標準不到位，應加強學習，做好電力設備運行維護工作，提高設備可靠性和可用性。