發電機三次諧波定子接地保護動作原因分析

陳凱

(徐州華鑫發電有限公司，江蘇徐州221000)

發電機三次諧波定子接地保護動作原因分析

陳凱

(徐州華鑫發電有限公司，江蘇徐州221000)

以某電廠一起發電機組三次諧波定子接地保護動作為例，介紹了三次諧波定子接地保護的邏輯原理，描述了發電機組發生故障時的現象，通過分析故障前后的運行數據，判斷了故障點，并及時消除了機組隱患。

三次諧波；定子接地保護；故障分析；發電機

發電機通常采用中性點不接地或經消弧線圈接地方式，而定子繞組接地是發電機運行中常見的一種故障形式。在正常運行時，機組定子上的三相電勢以中性點為0 V，沿定子繞組向機端逐漸升高，在向量圖上三相電壓以中性點電壓為中心平衡分布。但當發電機內部定子繞組絕緣破損、異物等故障原因引起接地，將造成對地電壓發生變化，故障點處的電壓將降低，機組定子上的電勢平衡發生改變。若不及時發現并消除，當再在機組另一點發生接地點，構成兩點接地故障，定子繞組將受到嚴重損傷，構成重大安全事故。

為及時發現定子接地故障，發電機保護中設置了定子接地保護。該保護通常由兩個保護構成:采用機端零序電壓原理的定子接地保護，可保護從機端到中性點85%～95%區間；和采用機端和中性點三次諧波電壓比較原理的三次諧波定子接地保護，可保護從中性點到機端5%～15%區間。上述兩個保護區間疊加，可構成100%定子接地保護，從而保護發電機定子繞組全區間。

1 故障現象

某電廠1號發電機組保護雙套在運行期間多次發出三次諧波電壓定子接地報警，每次動作后均可復歸，復歸后過10 min左右再次動作，該狀態持續了4 h左右；一周之后，三次諧波電壓定子接地保護 (以下簡稱3ω接地保護)再次報警。

該機組電氣原理圖如圖1所示，發電機中性點經接地變壓器接地。其中機端TV變比為中性點TV變比為20/0.1 kV。

表1為保護裝置在發電機某時正常運行和當時故障情況下顯示的相關通道采樣值，其中通道CH25為機端開口三角電壓三次諧波值，通道CH27為發電機中性點電壓三次諧波值。在保護動作期間，機端三次諧波值向上波動，上升至5 V左右，中性點三次諧波值向下波動。初步判斷為發電機中性點附近發生接地故障。

圖1 機組及TV電氣原理圖

表1 保護采集運行電壓值 V

2 保護原理

該發變組3ω接地保護對發電機中性點側零序電壓中的三次諧波分量，與發電機機端側的開口三角零序電壓通道中的三次諧波分量的幅值與相位進行比較〔1〕。其動作方程為:

式中 K1為幅值調整系數；K2為相位調整系數；K3為制動系數。

發電機的制造是調整定子、轉子氣隙關系，使磁通感應出的電動勢盡量擬合為基波正弦波，因此在定子繞組產生的感應電壓除含有基波外，還有少量的奇次諧波分量，其中以三次諧波電壓較為明顯，幅值上約占基波電壓的5%左右。三次諧波關系呈零序特征，表現在線電壓中互相抵消而不存在，只在相電動勢中體現出來〔2－3〕，可表示為E3。

根據分析，可得出下列結論〔2〕:

當發電機中性點不接地，正常運行時有:

式中 CG為發電機各相繞組對地電容；CS為機端設備各相對地電容；US3為機端三次諧波電壓；UN3為中性點三次諧波電壓。

當發電機中性點經消弧線圈接地，設基波電容電流視作完全補償，正常運行時有:

假如在距發電機中性點α處發生一點定子繞組金屬性單相接地，有

其中，α為中性點到故障點的匝數占每相分支總匝數的百分比，如圖2所示。

圖2 故障時機端、中性點三次諧波電壓關系

從圖2中可以看出，UN3＝f(α)，US3＝f(α)皆為線性關系，兩條曲線相交于α＝0.5處，可得出的關系見表2。

表2 故障點不同位置電氣特征表

由于TV變比相等，一次側電壓可以直接等比例折算到二次側采樣值。將表1的采樣值與表2電氣特征值相比較可知，當US3＞UN3，且機端零序電壓定子接地保護對開口三角電壓基波采樣值沒有明顯變化，則保護可靈敏的感知到，在定子繞組靠近中性點側發生了對地絕緣間斷性下降。

3 檢查過程

當發電機定子發生一點接地，發電機中性點電位發生偏移，中性點基波電壓應當有所升高。但查看廠內SIS系統，發現1號發電機中性點絕緣電壓，即發電機中性點基波電壓 (如圖3所示)，在保護動作時，中性點三次諧波電壓降低，機端三次諧波電壓升高，且中性點基波電壓在中性點三次諧波電壓下降時也存在下降現象。

由此認為，若回路沒有問題，則發電機中性點之后至中性點接地變壓器之間很有可能會存在接地點，并就此觀點進行排查。

圖3 電廠SIS系統發電機中性點絕緣電壓波形

3.1 二次回路檢查

1號發電機組回路上，兩套保護電壓回路相對獨立，中性點側的三次諧波電壓取自同一接地變壓器，3ω定子接地保護報警后，對發變組保護進行檢查。首先對內部端子排進行檢查，端子排并無松動，兩套保護報文內容基本一致，由此基本排除了回路原因導致保護裝置誤動的可能。因雙套保護均發出故障告警信號，認為發電機在一次上發生了接地故障。

3.2 接地變壓器檢查

根據保護動作原理，故障點應發生在發電機中性點附近。由于該故障信號非持續，且中性點TV采樣仍有一定的三次諧波電壓，這表明發生非金屬性接地故障可能性較大〔4〕。懷疑變壓器一次接地保險松動導致保護動作，對發電機中性點專用接地變壓器進行檢查，但檢查后發現并無松動。將定冷水指標與故障前進行比較，也無明顯變化。

3.3 中性點附屬設備檢查

機組解列后，解開發電機中性點銅連接，測得中性點銅排對地絕緣為0.3 MΩ，由此排除了發電機定子繞組接地的可能性。接著拆除匝間保護專用TV至中性點電纜，測得中性點銅排對地絕緣仍為0.3 MΩ，由此排除了匝間保護專用TV接地的可能性。

繼續檢查發現，中性點銅排上還掛有發電機射頻檢測儀專用TA。取下TA后，再次檢測中性點銅排對地絕緣恢復正常。進一步檢查拆下的TA，發現其本體絕緣層存在破損現象，見圖4。由此推斷，發電機射頻檢測儀專用TA鐵芯因磨損與中性點銅排產生接觸，而該TA二次側由同軸電纜與發電機射頻檢測儀連接，而該同軸電纜屏蔽層一端與鐵芯連接，另一端通過控制箱接地，從而導致發電機中性點銅排接地。

發現故障點后，及時更換TA，并采取了相應防護措施，防止由于發電機中性點處震動引起接觸磨損。1號發電機組投入運行后，再未出現三次諧波定子接地保護報警，由此確認故障排除。

圖4 中性點銅排故障點

4 結語

發電機定子接地概率大、因素多，準確及時分析和發現故障點，對保障發電機的安全可靠運行有積極意義。文中的某廠1號發電機組定子接地故障案例，通過在發電機發生3ω接地保護報警后，對發電機運行數據的正確分析，對可能發生故障部位的準確判定，及時消除了故障點，為今后類似問題的解決提供了可借鑒的經驗。

〔1〕高春如.大型發電機組繼電保護整定計算與運行技術 (第2版)〔M〕.北京:中國電力出版社，2010.

〔2〕張保會，尹項根.電力系統繼電保護 (第2版) 〔M〕.北京:中國電力出版社，2009.

〔3〕于永源，楊綺雯.電力系統分析 (第3版)〔M〕.北京:中國電力出版社，2007.

〔4〕郗常驥.汽輪發電機故障實例與分析 〔M〕.北京:中國電力出版社，2002.

Cause analysis on three-harmonic stator grounding protection action of generator

CHEN Kai

(Xuzhou Huaxin Power Generation Co.，Ltd.，Xuzhou 221000，China)

In this article，it is introduced that a case of three-harmonic stator grounding protection action in a power plant.The logic principle of three-harmonic stator grounding prection is introduced，the generator failure phenomenon is described，and the three-harmonic stator grounding protection logic principles are given.Through the analysis of the fault data，the failure place is determined and eliminated.

three-Harmonic voltage；stator grounding protection；fault analysis；generator

TM772

B

1008－0198(2016)06－0084－03

10.3969/j.issn.1008－0198.2016.06.024

陳凱(1990)，男，江蘇徐州人，工程師，主要從事電力系統繼電保護專業工作。

2016－08－09 改回日期:2016－10－08