發電機定子接地保護應用及實例分析

鄒海龍，嚴鵬飛

(華能沁北發電有限責任公司，河南 濟源 459012)

0 引言

大型汽輪發電機在電力系統中地位較重要，發電機是電廠的核心部分，定子結構復雜，不易檢修，對于發電機定子的保護尤為重要。由于發電機內部故障中發生定子單相接地故障的比例較高，約占定子故障的70%～80%[1]。一旦定子發生單相接地故障，若保護動作不及時可靠，接地弧光過電壓可能導致發電機其他位置絕緣破壞，嚴重時還會演變成相間或匝間短路故障。國家相關規程規定，容量為100 MW及以上的發電機應裝設100%定子接地保護。

發電機定子接地是指發電機定子繞組回路及與定子繞組回路直接相連的一次系統發生的單相接地短路，而發電機定子接地保護是反映上述單相接地故障的主保護。本文通過實例的分析，在發生發電機定子接地保護動作后，如何排查故障點，如何結合各參數分析故障原因，為故障點排查節省時間，同時積累經驗。

1 發電機定子接地保護原理

目前大容量汽輪發電機組廣泛采用的是雙頻式100%的定子接地保護及外加電源注入式定子接地保護。發電機定子100%接地保護就是對發電機定子發生接地故障時進行無死區的保護，采用基波零序電壓式定子接地保護加三次諧波電壓定子接地保護，通過這兩種保護相互配合，達到大容量機組100%定子接地保護要求。注入式定子接地保護，是在發電機中性點接地變二次側注入一個方波電源，當發電機定子接地時，通過參數的變化，反映出發電機定子發生接地故障。

1.1 雙頻式100%的定子接地保護

由基波零序電壓式接地保護與三次諧波式接地保護構成，能檢查出發電機內部的任何點的接地故障。是利用發電機固有的電勢在定子接地故障時所產生的相應的電流或電壓作為保護的動作參量[2]。

(1)基波零序電壓定子接地保護。基波零序電壓能夠保證發電機在85%～95%的定子繞組單相接地保護，基波零序電壓依靠發電機零序電壓大小來判斷定子繞組是否接地?；阈螂妷罕Ｗo可反映α大于10%以上范圍的定子繞組接地故障，且故障點越遠離發電機中性點時基波零序電壓動作量越大，從而保護靈敏度越高。其中α為發電機定子繞組發生單相接地時，接地點距離中性點的距離。 基波零序電壓保護設兩段定值，一段為靈敏段，另一段為高定值段。靈敏段基波零序電壓保護動作于信號時，其動作方程為U0n>U0zd，式中：U0n為發電機中性點零序電壓；U0zd為零序電壓定值。靈敏段動作于跳閘時，還需經主變高壓側零序電壓閉鎖，以防止區外接地故障時定子接地基波零序電壓靈敏段誤動[3]。高定值段基波零序電壓保護，動作方程為U0n>U0hzd，保護動作于信號或跳閘均不需經主變高、中壓側零序電壓輔助判據閉鎖。

(2)發電機正常運行時，通過繞組對地分布電容和發電機所連設備對地電容，形成機端側對地三次諧波電壓U3T和中性點側對地三次諧波電壓U3N。當靠近中性點附近發生接地故障時，U3N減小，U3T增大。故障點越靠近中性點，變化的越明顯。因此，利用三次諧波電壓與相對變化的特征可以構成定子繞組接地保護并有效地消除中性點附近的保護死區，目前三次諧波零序電壓保護均動作于信號。

1.2 注入式定子接地保護

發電機注入式定子接地保護可單獨實現發電機100%定子接地保護，注入式定子接地保護是由RCS-985U低頻注入電源和RCS-985保護裝置兩部分共同實現。RCS-985U定子接地保護輔助電源裝置提供外加低頻電源，將低頻電壓電流信號注入發電機定子繞組中。RCS-985發電機保護裝置檢測注入的低頻電壓、電流信號，當發電機定子繞組發生接地故障，注入的電壓、電流信號隨之發生變化，RCS-985可準確計算出接地故障電阻的阻值，完成注入式定子接地保護[4]。發電機注入式定子接地保護示意如圖1所示。

圖1 發電機注入式定子接地保護示意

當發電機定子繞組對地絕緣正常時，注入到定子繞組的低頻電流主要是流過定子繞組對地電容的電容電流，當對地絕緣受到破壞，出現接地故障，注入的電流將流過接地故障點，出現一部分電阻性電流。保護裝置檢測注入的低頻電壓、電流，通過導納法可準確計算出接地故障的過渡電阻阻值，計算的電阻阻值與定子繞組的接地故障位置無關，可以反映發電機 100%的定子繞組單相接地。

2 發電機定子接地的原因

(1)發電機本身制造問題，發電機槽楔松動切割線幫等。

(2)定子繞組絕緣損壞。除了絕緣老化外還有各種外部原因引起絕緣損壞。如定子鐵芯疊裝松動、絕緣表面落下導電性物體(如鐵屑)、繞組線棒在槽中固定不緊等，在運行中產生振動使絕緣損壞；制造發電機時，線棒絕緣留有局部缺陷，運轉時轉子零件飛出，定子端部固定零件幫扎不緊，定子端部接頭開焊等因素均能引起絕緣損壞。

(3)檢修工藝存在問題，如：定子冷卻水管接頭漏水、壓線板松動等。

(4)運行中定冷水有雜質，堵塞在發電機定子冷卻水管內，導致定子高溫后絕緣損壞發生接地故障。

(5)因為發電機本體外與其相連的定子回路故障導致發電機定子接地保護動作，如：發電機封閉母線絕緣存在問題、發電機出口電壓互感器(PT)等構件存在問題。

(6)發變組單元接線中，勵磁變高壓側、主變低壓側或高廠(公)變高壓側繞組內部發生單相接地，都可能引起定子接地信號。 定子接地保護零序電壓取自發電機機端PT開口三角時，若PT一次保險熔斷，也會發定子接地信號。

3 實例分析及故障點排查

3.1 某廠 #1發電機異常跳閘分析

2016-07-30 T 08:55，分布式控制系統(DCS)監控畫面顯示“#1發電機故障1，2”報警和“#1發電機定子接地1，2跳閘”報警，檢查#1機組跳閘，各設備聯動正常。檢查#1發電機保護動作情況，發變組保護A，B柜均來“定子零序電壓高段跳閘”報警，發變組保護A，B柜顯示定子接地保護零序電壓均達到109 V，定子接地零序電壓高保護定值為34.5 V，動作值遠高于保護定值，保護正確動作。

查詢#1發變組故障錄波上面的故障錄波曲線，可以發現在08:55:50。825發電機出口A相電壓由57.4 V降低至0 V，發電機出口b，c相電壓有所升高，同時發電機中性點出現零序電壓和零序電流，08:55:51。875達到發電機定子接地零序電壓保護值延時動作，08:55:53。325待發電機電壓電流衰減至后期，可以發現發電機出口電壓A相值恢復，發電機零序電壓和電流恢復至零，說明接地點并非死接地。

定子零序電壓接地保護動作，可以排除中性點附近無故障，發生在機端幾率較大，并通過調取相關曲線分析，故障瞬間發電機振動或本體未見明顯異常，可以排除發電機本身內部故障接地。通過故障錄波和其他現象初步判斷在發電機A相機端及連接部位發生了接地故障。

檢查發電機出口，PT一次本體和二次保險及接線均正常；檢查發電機檢查封閉母線本體未見明顯異常，未見明顯進水漏水痕跡，微正壓裝置運行正常，封閉母線外觀未見明顯灼燒痕跡；從觀察窗對發電機出口斷路器01進行外觀檢查，三相電容外觀無裂紋及漏油情況。

測量發電機定子絕緣，電阻為440 MΩ，與上次機組啟動前測量值相比，絕緣電阻偏低(上次發電機定子絕緣電阻1.3 GΩ)。隨即拆除發電機出線A相軟連接并作絕緣隔離，拆除勵磁變高壓側引線，A相封閉母線帶出口斷路器進行耐壓試驗，試驗電壓20 kV，試驗正常；推入發電機出口A相3只PT、發電機出口A相避雷器，再次進行耐壓試驗，試驗電壓1.5 kV，試驗正常。

在準備恢復勵磁變連接A相高壓引線過程中，發現勵磁變B相繞組上方電流互感器接線端子導線側有電弧燒灼痕跡，放電拉弧部位正上方柜體處有灼傷痕跡，確認故障點位于此處。勵磁變高壓側為三角形接線，A相至B相電源連接線接入此電流互感器，電流互感器至B相變壓器繞組連接引線從接線端子根部斷裂，回路虛接打火產生弧光放電，發生A相接地故障。發電機定子接地保護正確動作(由于其與發電機定子回路相連，在發電機定子接地保護區域內)。故障點詳細位置如圖2所示。

圖2 #1發電機定子一次接線示意

3.2 某電廠 #1機組定子接地保護動作分析

2017-03-2 T 20:30:22，#1發電機出口開關、#1機滅磁開關突然跳閘，汽輪機主汽閥門關閉，鍋爐主燃料跳閘(MFT)，汽機電液控制系統(DEH)事故追憶記錄系統(SOE)首出報文為“#1發電機跳閘信號”。#1發變組保護A屏、B屏動作報告均顯示發電機定子零序電壓保護靈敏段跳閘出口(零序電壓保護定值8.05 V，延時0.5 s)。

對#1發電機定子回路進行如下檢查：測量#1發電機定子回路絕緣電阻和吸收比合格：R60/R15=490 MΩ/230 MΩ=2.19，發電機本體和直連的出線罩內局部放電裝置正常。測量發電機出口各組PT絕緣電阻均在200 MΩ以上，數值正常。組織對發電機跳閘前故障錄波器的波形進行分析，20:30:22保護啟動跳閘時，發電機A相電壓降低(56.4 V)，B/C相電壓略有升高(分別為63 V，57.7 V)，中性點零序電壓8.38 V，與發電機保護A、B柜故障記錄波形一致，確認雙套發電機定子接地保護正確動作。從保護裝置動作報告初步判斷#1發電機定子回路有非金屬性接地現象。

發電機出口斷路器三相均開蓋檢查，發現A相斷路器發電機側斷口電容有滲液，且該電容箱體較其他兩相溫度偏高，A相斷路器殼體內部清潔，未見滲漏痕跡。發電機出口斷路器的A相發電機側電容器電容值為0.334 μF(額定為0.13 μF)，絕緣電阻為330 MΩ，該電容器電容量發生明顯變化。 測量備用電容器電容值為0.13 μF，絕緣電阻為20 GΩ，測量結果合格，將出口斷路器A相發電機側電容器進行更換，機組啟動后正常。

原因判定為#1發電機出口斷路器發電機側A相電容器滲液，A相電容值發生變化，三相電容不一致導致發電機機端三相電壓不平衡形成零序電壓，定子接地保護正確動作。

3.3 某電廠 #5機注入式定子接地保護動作事件

2014-04-04 T 3：42，#5機組負荷492 MW，發電機定冷水電導偏高，需要用凝補水進行定冷水補排工作，因補排前機組循環水串至凝補水內，進而在進行定冷水補排過程中循環水串入定冷水系統，導致定冷水電導異常升高(畫面顯示10 μS/cm，實際已滿量程就地實測約60 μS/cm)，#5發電機保護A柜注入式定子接地保護動作機組跳閘。保護B柜基波零序電壓保護和三次諧波電壓保護均未啟動。

原因分析為定冷水電導異常升高，裝置所測發電機定子對地電阻已低至249.7 Ω(正常值為3 000 Ω，此為二次值，接地電阻折算系數為12.04，折算成一次值為3.006 kΩ，測量電阻跳閘定值為3 kΩ)，已達到保護動作設定值，保護動作正確，機組跳閘。

4 結束語

本文闡述發電機定子接地保護的構成和原理、通過發電機定子接地保護動作實例、分析、判斷、查找故障點位置。發電機定子接地保護不僅能反映發電機定子繞組本身的接地故障，而且對于發電機出口的設備(如出口PT、機端勵磁變、發電機出口封閉母線等)發生接地故障也能正確地反映，而且這些元件、設備沒有單獨配備零序接地保護，只能依靠發電機定子接地保護實現。有些發電機定子接地保護動作并非全是真實接地引起，而是其它因素引起的，例如定冷水電導異常時，計算測得的發電機定子對地電阻降低同樣保護動作。本文所提出的發電機定子接地保護應用及實例分析值得學習借鑒。