一起發(fā)電機(jī)注入式定子接地保護(hù)動(dòng)作原因分析

摘 要：某廠1號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)保護(hù)20 Hz注入式定子接地保護(hù)動(dòng)作跳閘，機(jī)組解列停機(jī)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組及其連接附屬設(shè)備的絕緣與耐壓試驗(yàn)，對(duì)中性點(diǎn)接地變、定子接地20 Hz注入回路隔離變以及注入式定子接地保護(hù)二次回路的檢查，排除定子繞組真實(shí)接地導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作的可能。經(jīng)過(guò)綜合分析，判斷保護(hù)誤動(dòng)的原因?yàn)?0 Hz注入回路隔離變因二次回路電阻變化引起20 Hz采樣電壓變化，保護(hù)裝置計(jì)算定子對(duì)地電阻降低，引起保護(hù)誤動(dòng)。為防止同類(lèi)型故障再次發(fā)生，提出了相應(yīng)防范措施及合理化建議，為后期注入式定子接地保護(hù)裝置的運(yùn)行、維護(hù)和故障分析提供了參考。

關(guān)鍵詞：定子接地；發(fā)電機(jī)保護(hù)；耐壓試驗(yàn)；絕緣測(cè)試

中圖分類(lèi)號(hào)：TM862" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2025）02-0006-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.02.002

0" " 引言

注入式定子接地保護(hù)原理為：通過(guò)接地變壓器二次負(fù)載電阻或機(jī)端電壓互感器（TV）的開(kāi)口三角繞組注入20 Hz低頻交流信號(hào)，采集注入的20 Hz電壓信號(hào)和20 Hz電流信號(hào)，進(jìn)行數(shù)字化處理后計(jì)算出定子對(duì)地測(cè)量電阻，監(jiān)視定子繞組的對(duì)地絕緣狀況，達(dá)到整定值即啟動(dòng)跳閘或發(fā)信報(bào)警，對(duì)于發(fā)電機(jī)的對(duì)稱(chēng)故障能起到較好的保護(hù)作用。現(xiàn)階段針對(duì)定子接地保護(hù)動(dòng)作的案例研究大都為定子真實(shí)接地引起零序過(guò)電壓的情況[1-4]，而對(duì)注入式定子接地保護(hù)裝置誤動(dòng)卻鮮有論述。本文針對(duì)某廠發(fā)生的一起發(fā)電機(jī)注入式定子接地保護(hù)誤動(dòng)事件，依次從注入式定子接地工作原理、保護(hù)誤動(dòng)的過(guò)程及現(xiàn)象、故障分析和結(jié)果驗(yàn)證進(jìn)行了分析，并且為防止同類(lèi)型故障再次發(fā)生，提出了相應(yīng)防范措施及合理化建議。

1" " 基本原理

目前常見(jiàn)的發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)的基本原理有基波零序和3次諧波構(gòu)成的100%定子接地保護(hù)、外加電源式定子接地保護(hù)等[5]。近年來(lái)，注入式定子接地保護(hù)得到了廣泛運(yùn)用，我國(guó)越來(lái)越多的大型水輪發(fā)電機(jī)采用了中性點(diǎn)經(jīng)配電變壓器接地的接地方式[6]。注入式定子接地保護(hù)等效電路如圖1所示，圖中s為20 Hz注入電源，Rs為注入電源內(nèi)阻，R2+jX2為接地變壓器漏抗，Rm+jXm為接地變壓器激磁阻抗，Rn為接地變壓器二次負(fù)載電阻，Rcp+jXxp為機(jī)端并聯(lián)阻抗，3C∑為發(fā)電機(jī)定子對(duì)地等效電容，Rg為接地電阻，Sg為發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)隔離刀閘，20、20為裝置測(cè)得的20 Hz電壓、電流，20′、20′為補(bǔ)償后的20 Hz電壓、電流，圖中所有量都?xì)w算到保護(hù)裝置測(cè)量二次側(cè)。

分析原理圖并采用計(jì)算導(dǎo)納的方法得到接地電阻計(jì)算公式，見(jiàn)式（1）（2），接地電阻Rg可由20′、20′、漏抗R2+jX2和并聯(lián)電阻計(jì)算得到。

Rg=" （1）

20′=20-20（R2+jX2）（2）

式中：KR為電阻折算系數(shù)；Re表示取復(fù)數(shù)實(shí)部；Rcp為機(jī)端并聯(lián)阻抗電阻部分；Rm為接地變壓器激磁阻抗電阻部分。

注入電源輸出20 Hz電壓，加在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器低壓側(cè)的負(fù)載電阻上，通過(guò)接地變壓器，將20 Hz信號(hào)注入到發(fā)電機(jī)定子側(cè)對(duì)地的零序回路中。保護(hù)裝置測(cè)量注入的20 Hz電壓、電流，然后基于導(dǎo)納法計(jì)算接地過(guò)渡電阻Rg，反映定子側(cè)單相接地故障。

某廠配有注入式發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)，其回路接線(xiàn)圖如圖2所示。接地變壓器的變比為20 kV/0.22 kV，分壓電阻Rn為0.18 Ω，穿芯CT變比為800 A/5 A。接地電阻判據(jù)反映發(fā)電機(jī)定子繞組接地電阻的大小，設(shè)有兩段接地電阻定值，高定值（10 kΩ）段作用于報(bào)警，低定值（5 kΩ）段作用于延時(shí)（0.5 s）跳閘。

2" " 保護(hù)誤動(dòng)過(guò)程及現(xiàn)象

某日07：08：51.698，某電廠1號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)保護(hù)Ⅰ屏注入式定子接地保護(hù)動(dòng)作跳閘，機(jī)組解列停機(jī)。查看保護(hù)裝置動(dòng)作報(bào)文。

查看某日07：08：51.698時(shí)刻定子接地保護(hù)跳閘波形，如圖3所示，啟動(dòng)時(shí)刻保護(hù)計(jì)算接地電阻值4.9 kΩ，小于跳閘值5 kΩ，且滿(mǎn)足延時(shí)定值0.5 s，保護(hù)相應(yīng)發(fā)報(bào)警和跳閘信號(hào)，保護(hù)動(dòng)作行為正確。經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算，第一次“定子接地電阻判據(jù)”動(dòng)作時(shí)機(jī)端和中性點(diǎn)三次諧波之比為44.57%。

從報(bào)警和跳閘波形可知，保護(hù)裝置A、B、C三相電壓和基波電壓沒(méi)有明顯變化，三次諧波比率值較7、8月手抄數(shù)據(jù)也沒(méi)有明顯變化，最大比值在40%左右，不滿(mǎn)足另外一套保護(hù)裝置（基波+三次諧波）三次諧波電壓比1.2倍的動(dòng)作定值，因此另外一套保護(hù)裝置（基波+三次諧波）保護(hù)未動(dòng)作。

3" " 事故分析

對(duì)發(fā)電機(jī)及其連接附屬設(shè)備等電氣一次系統(tǒng)設(shè)備開(kāi)展絕緣測(cè)試和耐壓試驗(yàn)，絕緣電阻合格，耐壓試驗(yàn)通過(guò)，未發(fā)現(xiàn)接地故障。由中性點(diǎn)和機(jī)端零序電壓的變化情況也可知，發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)到機(jī)端并未出現(xiàn)定子接地的情況，由此初步判斷一次設(shè)備沒(méi)有發(fā)生單相接地故障，實(shí)際中定子對(duì)地阻值受到接地變壓器的參數(shù)、20 Hz電流/電壓通道測(cè)量誤差、20 Hz注入電源的輸出誤差和發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的不平衡電壓中的高次諧波等多重因素影響[7]。對(duì)注入式定子接地保護(hù)二次回路進(jìn)行排查，并未發(fā)現(xiàn)“虛接”和“短接”的現(xiàn)象。因本次動(dòng)作波形相較于實(shí)際定子接地有較大不同，因此在接地變及隔離變處開(kāi)展各種故障測(cè)試，在正常運(yùn)行情況下，系統(tǒng)產(chǎn)生容性電流，當(dāng)發(fā)電機(jī)定子處發(fā)生單相接地故障或絕緣老化時(shí)，注入電流流過(guò)故障點(diǎn)，產(chǎn)生部分電阻性電流[8]，因此在模擬故障時(shí)同時(shí)記錄所測(cè)阻值的角度。測(cè)試結(jié)果如表1～7所示。

經(jīng)過(guò)與表1～7的數(shù)據(jù)對(duì)比，判斷電阻下降的原因?yàn)?0 Hz電壓采樣回路阻值發(fā)生改變，因分壓造成裝置采樣電壓下降，與波形分析及模擬計(jì)算一致。

繼續(xù)對(duì)20 Hz采樣回路進(jìn)行檢查，檢查注入式定子接地保護(hù)電源輸入、電壓采樣、電流采樣回路，未發(fā)現(xiàn)電纜破損、接線(xiàn)端子損壞、多點(diǎn)接地、寄生回路情況。

檢查發(fā)現(xiàn)20 Hz采樣回路中，接地變負(fù)載電阻箱及抽頭引線(xiàn)如圖4所示。接地變負(fù)載電阻箱中間抽頭的鐵質(zhì)引線(xiàn)存在銹蝕，采樣二次電纜壓接在鐵質(zhì)引線(xiàn)上，因銹蝕原因造成接觸電阻增加，采樣電壓降低。同時(shí)對(duì)比試驗(yàn)?zāi)M數(shù)據(jù)，因20 Hz采樣電壓降低，采樣電流不變，造成計(jì)算值電阻降低達(dá)報(bào)警和動(dòng)作定值，與表3中電壓回采回路UNLN串入電阻時(shí)采樣電壓及電流變化情況相一致，與故障時(shí)錄波數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)相同，初步判斷保護(hù)誤動(dòng)原因?yàn)?0 Hz采樣回路存在回路電阻變化造成采樣失真。

對(duì)中性點(diǎn)接地負(fù)載電阻進(jìn)行直流電阻測(cè)試為0.188 Ω，查看中性點(diǎn)接地電阻銘牌，其直流電阻設(shè)計(jì)值為0.168 Ω，阻值變化較大，與其引線(xiàn)銹蝕相符，確定本次保護(hù)誤動(dòng)作的原因?yàn)榻拥刈冐?fù)載電阻箱中間抽頭的鐵質(zhì)引線(xiàn)存在銹蝕。

4" " 結(jié)論與建議

綜上分析，本次某廠注入式定子接地保護(hù)動(dòng)作的直接原因是該注入式定子接地保護(hù)采樣發(fā)生變化，邏輯依據(jù)采樣值變化經(jīng)計(jì)算判斷為系統(tǒng)接地電阻發(fā)生變化，造成計(jì)算值與實(shí)際值不一致，保護(hù)裝置誤動(dòng)。具體原因?yàn)榻拥刈冐?fù)載電阻箱鐵質(zhì)引線(xiàn)存在銹蝕，造成20 Hz電壓采樣回路接觸電阻增加，采樣失真，造成計(jì)算電阻與實(shí)際不符，注入式定子接地保護(hù)誤動(dòng)作。

為防止同類(lèi)型故障再次發(fā)生，提出如下建議：

1）接地變負(fù)載電阻箱鐵質(zhì)引線(xiàn)存在銹蝕時(shí)及時(shí)進(jìn)行打磨和更換，確保其接觸電阻滿(mǎn)足要求。

2）臨時(shí)修改發(fā)電機(jī)注入式定子接地保護(hù)低定值段保護(hù)出口方式，將“跳閘”改為“報(bào)警”，待機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定后再投“跳閘”。

3）加強(qiáng)機(jī)組啟機(jī)前及運(yùn)行中發(fā)電機(jī)注入式定子接地保護(hù)中保護(hù)參數(shù)的巡查及統(tǒng)計(jì)，重點(diǎn)關(guān)注定子對(duì)地電阻、20 Hz采樣電壓/電流及阻抗相角的變化與趨勢(shì)。

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收稿日期：2024-10-25

作者簡(jiǎn)介：陳洪峰（1976—），男，江蘇鹽城人，工程師，研究方向：發(fā)電企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理。