大型水電站機組定子一點接地保護動作故障分析

張樹忠

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051）

0 前言

某水電站監(jiān)控系統(tǒng)報機組發(fā)變組保護定子接地報警、發(fā)電機定子接地保護動作等報警信號。機組分閘，甩負荷90 MW，全廠AGC 退出，系統(tǒng)頻率、電壓無異常。現(xiàn)場檢查原因為一根電焊條從位于發(fā)電機出口離相封閉母線（B 相中段）內(nèi)的導(dǎo)體（中空）伸縮縫連接片之間的縫隙處掉落出來，焊條搭接在封閉母線通流導(dǎo)體與封閉母線外殼之間，造成通流導(dǎo)體與外殼接地，觸發(fā)機組發(fā)電機定子一點接地保護動作，機組分閘。

1 定子一點接地保護配置

該水電站發(fā)電機定子一點接地保護為雙重化配置，分別是發(fā)電機100% 定子一點接地保護64G-A 和發(fā)電機基波零序電壓定子一點接地保護64G-B。

1.1 發(fā)電機定子一點接地保護

RCS-985U 定子接地保護注入電源裝置提供約25 V-20 Hz 的低頻方波，該方波加在發(fā)電機接地變負載電阻上，并采集負載回路電壓、電流信號，計算出接地故障的過渡電阻值，實現(xiàn)檢測定子繞組100% 范圍內(nèi)的接地故障。保護設(shè)置兩段定值，高定值延時5 s 報警，低定值延時0.5 s 跳閘、滅磁、停機。保護裝置接線示意如圖1。

圖1 定子接地機端電壓波形圖

正常情況下，由于發(fā)電機對地存在分布電容，因此檢測到的低頻電流應(yīng)是發(fā)電機定子繞組對地電流，為容性電流；而當(dāng)發(fā)電機定子繞組出現(xiàn)接地故障時，低頻電流將會出現(xiàn)阻性分量。根據(jù)此原理，并通過發(fā)電機靜態(tài)補償試驗，調(diào)整保護參數(shù)來消除接地變、二次回路以及元器件的影響，保護裝置就能基于檢測到的低頻電壓、電流信號計算出定子繞組接地電阻值。顯然，保護不會受接地位置的影響，因此可以構(gòu)成發(fā)電機100% 范圍的定子繞組單相接地故障保護；同時，20 Hz 低頻信號區(qū)別于工頻及其各次諧波頻率，因此不管發(fā)電機處于何種工況，保護均能正常工作。

1.2 基波零序電壓定子一點接地保護

保護由基波零序電壓和3 次諧波電壓比率定子接地保護組成。基波零序電壓保護發(fā)電機85%～95%的定子繞組單相接地，在中性點附近存在保護死區(qū)。3 次諧波電壓定子接地保護對于中性點附近的單相接地短路有很高的靈敏度，它與基波零序電壓保護正好有互補性，所以可用這兩個保護聯(lián)合構(gòu)成100% 的定子繞組接地短路保護。

1.2.1 基波零序電壓定子接地保護

基波零序電壓保護反映發(fā)電機零序電壓大小。保護采用了頻率跟蹤、數(shù)字濾波及全周傅氏算法，使零序電壓對3 次諧波的濾除比達100以上，保護只反映基波分量。保護設(shè)兩段定值，靈敏段延時0.5s 報警，高定值段延時0.3s 跳閘、滅磁、停機。

以A 相繞組的F 點發(fā)生接地短路為例，F(xiàn)點到中性點的匝數(shù)占該相繞組總匝數(shù)的百分比為α。此時機端T 點各相的對地(對A 相的F 點)電壓為：

所以，機端T 點對地零序電壓為：

可以得到，在發(fā)電機端出口單相接地時零序電壓最大，在中性點處接地時零序電壓為零，可以準(zhǔn)確判別發(fā)電機中性點以外，85%～95%的定子繞組單相接地故障。

1.2.2 3次諧波電壓比率定子接地保護

3 次諧波電壓比率定子接地保護采用3 次諧波電壓比率判據(jù)，只保護發(fā)電機中性點25%左右的定子接地，保護動作于報警。保護原理如下分析：

正常運行時機端與中性點處的3 次諧波電壓的特征，發(fā)電機每相對地電容Cg各一半分接在機端和中性點處。發(fā)電機外接元件的每相對地電容Ct接于機端。發(fā)電機3 次諧波的相電勢為E3。由于正常運行時三相的3 次諧波電壓的幅值和相位相同，所以在3 次諧波等值電路圖中機端T 處三相可連在一起，中性點N 處三相本來就連在一起，構(gòu)成三相3 次諧波等值電路圖。各處的電容是單相電容的3 倍。發(fā)電機的電阻、電抗、電導(dǎo)相對于電納來說很小，可忽略不計。

可以得到發(fā)電機正常運行時機端和中性點3次諧波電壓之比：

以A 相繞組F 點發(fā)生接地短路為例，F(xiàn) 點到中性點的匝數(shù)占該相繞組總匝數(shù)的百分比為α，得到三相3 次諧波等值電路圖。

可以得到發(fā)電機定子繞組一點接地時機端和中性點3 次諧波電壓之比：

2 故障分析

由于與發(fā)電機直連的一次設(shè)備（發(fā)電機出口離相封閉母線、發(fā)電機勵磁變高壓側(cè)、發(fā)電機出口PT 一次側(cè)、廠高變高壓側(cè)、主變低壓側(cè)、主變低壓側(cè)PT 一次側(cè)）在電氣參數(shù)上與發(fā)電機定子無異，且定子接地故障電氣特征與鐵磁諧振相似[1-3]，因此目前的保護裝置均不具備故障點定位的功能，故障點的定位依賴于專業(yè)人員的故障分析。

故障發(fā)生后，應(yīng)先判斷定子接地保護是否正確，然后根據(jù)故障后的相關(guān)參數(shù)計算出故障的大致位置：在發(fā)電機內(nèi)部發(fā)生故障，根據(jù)發(fā)電機定子線棒接線圖，確定故障線棒；在發(fā)電機外部發(fā)生故障，應(yīng)根據(jù)GCB 跳開后的發(fā)電機機端電壓波形和主變低壓側(cè)電壓波形判斷故障發(fā)生在GCB 至發(fā)電機側(cè)或GCB 至主變側(cè)。

2.1 故障點在GCB至主變低壓側(cè)

故障發(fā)生后，發(fā)電機A 相電壓升高至78 V，發(fā)電機B 相電壓降低至42 V，發(fā)電機C相電壓升高至60 V，主變低壓側(cè)零序電壓變?yōu)?4 V。發(fā)電機定子繞組采用三相6 分支Y 形接線，此接線方式下發(fā)生接地故障后，明顯特征是故障相電壓降低，非故障相電壓升高，由于B 相電壓并未降至接近0 V，可以判斷，故障類型為B 相非金屬性單相接地。

從圖5 中可以看出，在GCB 跳開后發(fā)電機出口電壓已滅磁，三相電壓已對稱，而主變低壓側(cè)電壓仍為故障電壓波形，此時注意區(qū)分鐵磁諧振和接地故障波形即可以判斷故障點發(fā)生在GCB 出口外側(cè)至主變低壓側(cè)范圍內(nèi)，包含主變低壓側(cè)、封閉母線，與封閉母線直連的廠高變高壓側(cè)、主變低壓側(cè)PT 一次側(cè)，發(fā)生瞬時性非金屬接地一次故障。

2.2 故障點在GCB至發(fā)電機

故障發(fā)生后，發(fā)電機A 相電壓升高至100.12 V，發(fā)電機B 相電壓降低至0.235 V，發(fā)電機C 相電壓升高至100.06 V，機端零序電壓突變?yōu)?8.744 V。由于B 相電壓降至接近0 V及機端零序電壓與A、C 相電壓接近，由此可以判斷，故障類型為B 相金屬性單相接地。

從圖1 中可以看出，T1 時刻( 即0 ms) 為接地故障開始時刻，經(jīng)過500 ms 延時，在T2時刻(即500 ms)保護出口跳滅磁開關(guān)FCB，轉(zhuǎn)子繞組通過非線性電阻滅磁后，此時GCB 還未跳閘，而發(fā)電機出口電壓三相恢復(fù)平衡，機端零序電壓3Uo 立即消失，說明在滅磁開關(guān)FCB跳閘滅磁后從發(fā)電機中性點至GCB 內(nèi)側(cè)的故障電氣量消失，從而斷定故障位置在GCB 到發(fā)電機范圍內(nèi)，見圖2。

圖2 6F定子一點接地故障錄波圖

通過分析故障錄波圖，可以看到，故障發(fā)生后，發(fā)電機A 相電壓升高至18.105 kV，發(fā)電機B 相電壓降低至0.047 kV，發(fā)電機C 相電壓升高至18.046 kV，機端零序電壓突變?yōu)?6.849 kV（二次值84.35V）。由于B 相電壓降至接近0 V，機端零序電壓與A、C 相電壓上升接近線電壓，由此可以判斷，故障類型為B相金屬性單相接地[4-5]。

從圖2 中可以看出，T1時刻(即0 ms)為接地故障開始時刻，經(jīng)過320 ms，發(fā)電機第二套定子接地保護動作，在T2時刻（即402 ms）保護出口先后跳開GCB、FCB，轉(zhuǎn)子繞組通過非線性電阻滅磁后，主變低壓側(cè)電壓三相逐步恢復(fù)平衡，發(fā)電機出口B 相電壓仍為0，機端零序電壓3Uo未消失，說明故障位置在GCB 到發(fā)電機范圍內(nèi)。

檢修人員通過對6 號發(fā)電機出口B 相軟連接及發(fā)電機3 個中性點斷引后，測試發(fā)電機B相6 分支絕緣電阻值合格，排除了故障位置在發(fā)電機內(nèi)部的可能。

將勵磁變高壓側(cè)斷引后，測試發(fā)電機出口B 相至勵磁變、GCB 斷口處絕緣，絕緣不合格，判斷故障位置為封閉母線區(qū)域，重點檢查GCB電容器及封閉母線支撐絕緣子。

對GCB B 相本體開蓋后，檢查GCB 靠發(fā)電機側(cè)電容器及GCB 鄰近的幾個絕緣子，均未發(fā)現(xiàn)異常。使用強光探照燈發(fā)現(xiàn)距離GCB 約十米處有疑似接地物搭接至外殼。因疑似接地物距離絕緣子孔洞距離較遠，使用絕緣加長桿將疑似接地物拆除，確認為一根遺留焊條導(dǎo)致定子一點接地。

3 解決方法

1）在工程建設(shè)時期，封閉母線安裝過程中，對設(shè)備封閉部位物品進出管理不嚴(yán)，驗收不到位，導(dǎo)致有物品遺留在封閉母線內(nèi)部，埋下安全隱患。在許可相關(guān)工作票時，在變壓器、封閉母線、發(fā)電機等狹窄空間、封閉空間或轉(zhuǎn)動部件上方工作時，嚴(yán)格履行物品登記手續(xù)，從源頭防范風(fēng)險，避免物品遺留在設(shè)備內(nèi)部。

2）對于新設(shè)計、新改造、新安裝設(shè)備，在其投運前應(yīng)進行全面檢查，并在投運后加強關(guān)注，增加巡檢頻次。在進行方案編寫時，運行專業(yè)需要提前介入，盡量在設(shè)備封閉或隱蔽部位設(shè)置觀察窗，便于巡檢時重點關(guān)注。

4 結(jié)束語

綜上所述，機組檢修、技改過程中，可以考慮將業(yè)內(nèi)最新的發(fā)變組保護配置添加到現(xiàn)有配置中，更全面地保護主設(shè)備運行，更精確、快速定位故障點，縮短機組強停時間，為機組在最短時間內(nèi)恢復(fù)運行提供有力保障。