發電機定子繞組單相接地保護動作的分析

郝潤濤

(山東新龍集團有限公司，山東 濰坊 262700)

發電機定子繞組單相接地保護動作的分析

郝潤濤

(山東新龍集團有限公司，山東 濰坊 262700)

介紹了一起發電機基波3 U0定子接地保護動作跳閘的事故，闡述了發電機基波零序電壓與三次諧波電壓共同構成的100%定子接地保護原理，詳細分析了事故發生的原因，并提出了相應的預防措施。

定子繞組；單相接地；接地保護；開口三角電壓

0 引言

發電機定子接地故障是最常見的發電機故障。發電機定子接地后，接地電流經故障點三相對地電容、三相定子繞組構成通路。當接地電流較大時，能在故障點引起電弧，造成定子繞組和定子鐵芯燒傷，甚至可能造成相間或匝間短路。當電廠發電機定子接地保護動作時，現場運行及檢修人員應及時掌握發電機一、二次設備及保護動作信息，并立即進行分析、判斷和處理，確保機組安全穩定運行。

1 事件經過

2011-03-24T13:30，某電廠7號發電機組運行時突發“基波3U0動作信號”，發電機保護動作跳閘，造成廠用電系統瓦解。發電機跳閘后，檢查為發電機定子繞組單相接地基波零序保護動作。隨即對發電機一、二次設備，發電機本體，母線，TV(電壓互感器)，TA(電流互感器)，避雷器，主變及其附屬設備進行檢查，均未發現明顯異常，測量發電機定子繞組對地絕緣電阻合格。在確認發電機無異常的情況下，重新將其并入系統后發現，發電機機端TV開口三角電壓值異常并存在波動。

2 發電機定子單相接地保護原理

該電廠的7號發電機經中性點TV接地，采用基波零序電壓與三次諧波電壓共同構成的100%定子接地保護，其接線示意如圖1所示。

圖1 發電機的一次接線

當發電機定子繞組單相接地時，同中性點非直接接地電網發生單相接地故障一樣，故障點將出現零序電壓，且零序電壓與故障點距中性點的距離成正比。當中性點附近發生單相接地故障時，故障點零序電壓為0；當故障點越靠近中性點時，其零序電壓越小，甚至可小于微機保護的整定值而出現保護的“死區”。這時發電機的三次諧波電壓構成的定子接地保護，可消除零序電壓保護的“死區”。其原理是：利用正常運行時發電機中性點的三次諧波電壓值比發電機機端的三次諧波電壓大，而發生發電機內部定子繞組單相接地故障時，發電機機端的三次諧波電壓卻比中性點的三次諧波電壓大的特點，設定發電機機端的三次諧波電壓為動作量，中性點的三次諧波電壓為制動量，當動作量大于制動量時，保護動作，正常時保護制動。

某公司生產的PA300-G型發電機綜合保護裝置，其定子接地保護有以下2種方式。

(1) 基波3U0或U0定子接地保護。基波3U0或U0定子接地保護反應85%～95%的定子繞組單相接地故障。保護裝置采集2個零序電壓，即發電機機端TV開口三角繞組零序電壓3 U0和中性點TV二次側零序電壓U0，此保護可濾除三次諧波分量，只反應基波分量。3U0和U0以躲過正常運行時機端TV開口三角繞組或中性點單相TV二次側可能出現的最大基波零序電壓來整定，動作定值為12 V，其保護邏輯如圖2所示。

圖2 基波3 U0或U0定子接地保護

(2) 三次諧波定子接地保護。三次諧波電壓定子接地保護反應發電機中性點20%～30%的定子繞組單相接地故障。機端側三次諧波電壓取自機端TV開口三角零序電壓，中性點三次諧波電壓取自發電機中性點TV二次電壓，以保護裝置測取的三次諧波電壓作為保護判據。

該裝置諧波制動系數分為2種：K1為并網前諧波制動系數，K2為并網后諧波制動系數。整定原則是，躲開正常運行時機端三次諧波電壓與中性點三次諧波電壓的比值為最大值，即U0T(三次)/U0N(三次)為最大值。其保護邏輯如圖3所示。

圖3 并網前后的三次諧波定子接地保護邏輯

圖3中:K1U0N(三次)為并網前制動量；K2U0N(三次)為并網后制動量；U0T(三次)為動作量。

3 基波3 U0定子接地保護動作分析

根據發電機定子單相接地保護原理，7號發電機組定子接地保護的基波零序電壓3U0，取自機端TV的開口三角形繞組，動作定值為12 V。正常運行時，機端TV開口三角不平衡電壓有基波和三次諧波2種。當高壓側發生單相接地故障時，高壓系統通過變壓器高、低壓繞組間的電容耦合傳給發電機機端的零序電壓，可能超過定子接地保護的動作電壓。檢修人員對系統進行詳細檢查后排除了高壓側接地故障的可能。通過查閱保護事件記錄可知，定子接地保護動作報告顯示，基波零序電壓3U0為12.34 V，已超過了定子接地保護定值12 V，因而保護動作跳閘解列發電機。而在此次事件中，三次諧波保護未動作，即排除了中性點附近接地故障的可能。測量發電機對地絕緣電阻為10MΩ，則排除了定子繞組接地的可能。并列后，測量機端TV開口三角電壓為6 V，且數值不穩定，隨著負荷的增加而不斷升高，但機端TV三相對地電壓值無變化，發電機三相電壓值正常。

由此可判斷發電機定子繞組并沒有發生接地故障，而是由于機端TV開口三角電壓3U0異常波動并超過保護整定值而導致了保護動作跳閘事故。

4 開口三角電壓異常原因分析

停機后，檢修人員對機端TV開口三角電壓異常波動原因進行排查。首先對機端TV一、二次接線，高、低壓熔斷器進行了詳細的檢查，未發現明顯異常。此次事故中，TV三相對地電壓值正常，排除了諧振過電壓造成開口三角電壓升高的可能。其次，對機端TV進行了相應的試驗測試，發現TV泄漏電流嚴重超標，主要原因是機端TV非全絕緣型，且安裝在發電機0m層，該層環境潮濕，TV受潮引發對地閃絡而導致開口三角電壓異常波動。

為消除設備隱患，可將機端TV更換為全絕緣型TV，并加強對TV的巡檢工作，定期測量發電機0m層的濕度、TV溫度及二次電壓值，并將保護裝置檢測到的3 U0基波零序電壓傳送至運行人員值班的監視電腦界面，以方便運行人員觀察并記錄機組不同運行工況下數值的變化情況，一旦發現異常及時處理。同時，將保護定值提高為15 V，確保躲過機組運行時產生的不平衡電壓。自實施上述措施以來，機組運行至今未發現異常。

5 結束語

當發電機系統設備發生故障，并伴隨繼電保護動作報警和跳閘時，應根據當時的報警信號和保護動作情況，對發電機一、二次相關設備分別進行排查，迅速判斷設備故障點及保護動作是否正確，以便確定故障原因并及時處理。應加強對發電機組相關設備的檢查和測試，改善設備運行環境，采取防止設備運行異常的措施，及時消除設備隱患，全面提高機組的安全運行水平。

2013-11-16。

郝潤濤(1981-)，男，技師，主要從事熱電廠電氣運行工作，email：haoruntao0526@163.com。