基于故障錄波數據的定子接地故障定位分析

王思良 任保瑞 盧 偉

(二灘水力發電廠，四川 攀枝花 617000)

基于故障錄波數據的定子接地故障定位分析

王思良 任保瑞 盧 偉

(二灘水力發電廠，四川 攀枝花 617000)

對中性點經接地變壓器接地的大型水輪發電機單相接地故障電氣量的變化規律進行了理論分析，并結合接地故障錄波波形進行了分析計算，驗證了利用錄波數據進行發電機單相接地故障相別判斷及定位計算的正確性和有效性。

故障錄波；定子接地故障；定位

0 引言

定子單相接地故障是大型發電機比較常見的故障，及時地發現定子接地故障是防止發生災難性的短路故障、避免造成發電機嚴重損壞的必要措施。因此大型發電機組均裝設發電機定子接地保護，通常由基波零序電壓加3次諧波電壓組成的雙頻式定子接地保護與注入式定子接地保護構成雙套不同原理的定子單相接地保護。其中，基波零序電壓加3次諧波電壓保護依賴故障前后零序電壓變化來判斷定子單相接地，注入式定子接地保護通過注入低頻電壓實時計算定子繞組對地絕緣電阻來實現，二者均能實現100%范圍定子接地保護，但是均不能實現定子接地故障定位功能。而保護動作后，查找故障點，特別是當故障點位于定子繞組時，將是一個耗時耗力的復雜過程。因此對于大型發電機組，快速準確地定位故障點對于及時處理故障，盡快恢復機組運行意義重大。

故障錄波裝置能提供完整的故障過程波形數據，為事故分析處理及保護動作評價提供幫助。因此，我們可以通過分析故障數據波形來判斷定子接地保護動作情況，并利用波形數據嘗試進行定子接地故障定位計算，為故障點的定位查找提供依據，方便快速進行故障處理。

1 定子接地故障定位分析

發電機A相經過渡電阻接地故障示意圖如圖1所示。

圖1 發電機A相接地故障示意圖

根據圖1有：

(1)

解得：

(2)

發電機出口三相對地電壓分別為：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

由上式可見，發電機出口三相對地電壓大小關系為：A相經過渡電阻接地時，B相電壓與A相電壓的大小關系由K值決定，C相電壓則不低于B相電壓。當K>0時，A相即故障相電壓最低，當K<0時則B相即故障相的下一相電壓最低。而發電機的RN、Xc均為已知參數，因此可以根據定子接地故障時的錄波數據，分析A、B、C相電壓大小關系來準確判斷故障相。

(9)

(10)

由以上分析可知，根據錄波數據還可以通過計算M值的方法求出接地電阻Rg以及接地位置。

2 定子接地故障實例

2.1 事件概況

2010年1月2日11:30，2號發變組保護定子接地保護64G1、64G2均動作，2號機組跳閘。裝置報文顯示64G1跳閘，動作值0.1 kΩ；64G2跳閘，動作值0.306UN。

2號發變組保護為雙套配置的ABB公司生產的REG216微機型發變組保護系統，定子一點接地保護64G1采用的是外加12.5 Hz交流電源的接地保護，64G2采用的是反應基波零序電壓的保護，取中性點側的電壓，保護定子的95%。兩套不同原理保護均動作，基本可以判定發電機確實發生了定子接地故障。

2.2 故障錄波波形分析

根據現場取回的錄波數據，故障過程中發電機定子電壓、中性點零序電壓波形以及保護動作過程如圖2所示。

圖2 定子接地故障過程波形圖

由圖2可以看出，在0時刻發生了定子接地故障，B相電壓降低，A、C相電壓升高，在故障540 ms后第二套定子接地保護64G2動作跳閘，保護動作出口后約73 ms GCB跳開，機組跳閘，而在故障發生后9 512 ms第一套定子接地保護64G1動作跳閘。

故障發生至發電機跳閘、滅磁過程為0～540 ms，在此過程中發電機定子電壓和中性點零序電壓波形如圖3所示。

圖3 定子接地故障電壓錄波圖

由圖3可以看出：B相電壓降低為41.6 V，A相電壓升高為67.2 V，C相電壓升高為67.5 V，A、C相電壓均升高且基本相等，中性點零序電壓約為22 V。

2.3 故障定位計算

二灘發電機參數如下：發電機出口額定電壓18 kV，發電機出口PT變比n=18/0.1，定子繞組每相對地電容Cg=1.687 μF，接地變壓器變比nN=14.4/0.12，中性點接地變負載電阻RN=0.091 2 Ω，因此有發電機三相對地容抗：

中性點接地變負載電阻折算到一次側：

RN=n2Rn=1 313.28 Ω

即當發電機單相接地電阻Rg不超過6.338 kΩ時K≥0，此時發電機出口電壓最低的即為故障相。而根據故障錄波波形可以看出B相電壓為41.6 V，A、C相電壓基本相等，M值趨于無窮大，因此接地電阻基本為0，可判斷為金屬性接地短路，B相為接地故障相。此時，由式(10)可以看出，接地位置可由中性點零序電壓直接計算得出。

由圖3可以看出，中性點零序電壓二次值為22 V。同時，現場接入保護裝置與故障錄波的中性點零序電壓還經過了120/100的分壓電阻進行分壓。機端電壓與中性點零序電壓相關系數為：

故將中性點零序電壓折算到機端電壓側：

故接地位置為：

定子繞組每分支匝數為27，因此自中性點起故障位置所在導體匝數為：

X=27×30%=8.1

考慮到過渡電阻影響及計算誤差，定位故障位置應為B相每個分支自中性點第7～9槽導體處。

根據故障后實際檢查結果，故障點位于第462槽下端部齒壓板轉彎處，正是B相第六分支自中性點起第8槽導體，與定位分析結果吻合。因此上述基于故障錄波數據的定子接地故障定位分析是合理有效的。

3 結論

(1) 對照定子接地保護動作跳閘定值設置，根據定子接地保護動作時的故障錄波數據分析，可以迅速判斷定子接地保護動作是否正確動作，并能通過以上計算驗證接地電阻值大小。

(2) 通過對故障錄波數據分析計算，可以對接地故障相作出準確判斷，對接地位置作出近似的定量判斷，對定子接地故障點的實際查找提供幫助。

(3) 對于定子單相金屬性接地(接地電阻值較小時)，接地位置可由中性點零序電壓與發電機相電壓的相對大小快速近似確定。

[1] 畢大強，王祥珩，李德佳，等.發電機定子繞組單相接地故障的定位方法[J].電力系統自動化，2004，28(22)

[2] 王維儉.電氣主設備繼電保護原理與應用[M].第2版.北京：中國電力出版社，2001

[3] 王翔，張成，沈全榮.一次典型的定子接地故障分析與優化保護原理[J].電力系統自動化，2006，30(11)

2014-09-12

王思良(1986—)，男，湖北黃岡人，工程師，研究方向：水電廠繼電保護運行維護管理。