一起發電機零起升壓三次諧波定子接地保護動作事件分析

張彬 鐘文華 郭江磊 靳阿妮

摘要：通過對一起600 MW汽輪發電機零起升壓試驗過程中三次諧波比率定子接地保護發信事件分析，闡述發電機電壓互感器一次繞組接線不完整對發電機及發電機定子接地保護裝置運行造成的影響。發電機機端電壓互感器一次繞組星形接線不完整，每相電壓互感器通過對地分布寄生電容形成微小的勵磁回路，在一次繞組回路不完整的情況下，二次星形及開口三角形皆有輸出，但輸出幅值嚴重偏差，對機組啟動試驗及定子接地保護造成一定的誤判據。最后，結合此次事件，討論總結電壓互感器更換后試驗及機組啟動試驗注意事項。

關鍵詞：零起升壓;電壓互感器;定子接地保護;三次諧波

0? ? 引言

南方某發電廠5號機采用上海汽輪機廠生產的QFSN-630-2型發電機組，其額定容量為630 MW，機端額定電壓為20 kV。發電機采用發—變組單元接線方式接入500 kV系統，發電機裝設出口開關，發電機出口由封閉母線經出口開關與主變壓器及兩臺高壓廠用變壓器連接，不經出口開關與勵磁變壓器連接。發電機中性點經接地變高阻接地，接地變中性點基波零序電壓、三次諧波電壓送發電機保護A01、A04屏，用于發電機定子接地保護。發電機機端配置1YH、2YH、3YH、4YH四組單相式電壓互感器，其中1YH為出口斷路器自帶。

2017年9月，5號機綠色改造期間，將機端2YH、3YH、4YH電壓互感器進行了同型號整體更換，外部接線方式無變化，機組其他一、二次系統無變動。

5號發電機保護配置情況：5號發電機勵磁系統采用南瑞繼保PCS-9400靜態自并勵系統，發電機保護采用南瑞繼保PCS-985G微機型保護裝置，A01屏、A04屏雙套完全冗余配置。發電機定子接地保護采用基波零序電壓保護從機端開始85%～95%的定子繞組單相接地故障，采用三次諧波電壓比率保護發電機中性點25%左右的定子繞組單相接地故障。機端三次諧波電壓取自機端2YH開口三角形零序電壓，中性點側三次諧波電壓取自發電機中性點YH0電壓互感器，三次諧波電壓比率定子接地保護投信號。

1? ? 事件經過

2017年12月27日，5號機組綠色改造結束，經調度批準進行發電機空載零起升壓試驗。當日14：25：48，5號機帶主變零起升壓一、二次設備方式調整完成，機端電壓互感器一次保險安裝完成，小車推至工作位，勵磁系統6 kV他勵電源送電測試正常，5號發電機他勵方式下零起升壓試驗正式開始。啟勵后發電機逐步開始建壓，14：57：36，發電機保護A01屏、A04屏發裝置報警信號，就地停止增磁，分析報警內容如下：

A01屏PCS-985G裝置報文信息：裝置報警、三次諧波比率信號、報警啟動錄波;A04屏985G裝置報警與A01屏一致，報警記錄時刻相同。

5號發電機故障錄波器由保護裝置故障開關量啟動錄波，具體錄波如圖1所示。

定子三次諧波報警時，發電機機端二次電壓分別為28.123 V/

28.783 V/29.095 V，機端PT三相電壓基本平衡，此時，主變低壓側（1YH）二次電壓已經達到38.621 V。現場實際測量，故障錄波器顯示值與萬用表測量結果一致，機端電壓互感器三相電壓較主變低壓側電壓偏低（主變低壓側電壓互感器本次檢修未有變動），初步確認機端互感器模擬量采樣畸變失真。

相同時刻，主變低壓側電壓互感器1YH開口三角形與機端2YH開口三角形三次諧波對比結果如表1所示，由于發電機中性點互感器YH0電壓未接入故障錄波器，從保護裝置錄波圖中讀取中性點基波零序電壓及三次諧波電壓值。

從表1可知，裝置報警時，同一個測量點，5號發電機機端開口三角形三次諧波電壓值為主變低壓側開口三角形三次諧波電壓的11倍，機端開口三角三次諧波大幅增加。PCS-985G保護裝置三次諧波比率動作方程為：U3T/U3N>K3wzd，其中U3T和U3N分別為機端和中性點三次諧波電壓值，K3wzd為設置動作定值，5號機并網前定值為0.85。U3T=0.838，U3N=0.287，U3T/U3N≈2.92，遠遠大于并網前三次諧波比率定值0.85，保護裝置定子三次諧波比率保護動作正確。

比較5號主變低壓側電壓Ua和5號主變高壓側電壓Ua，報警時刻，主變高、低壓側二次電壓分別為41.676 V、38.375 V，折算到一次值分別為208.382 kV、7.675 kV，高低壓側電壓比為27.15，基本符合變比關系，可以進一步印證主變低壓側電壓互感器采樣正確。

此次事件中，發電機定子接地保護裝置、故障錄波器采樣及動作邏輯正確，機端電壓互感器模擬量采樣失真，其開口三角形三次諧波電壓值不能正確反映發電機機端實際三次諧波值，不能由此判據定子中性點附近有單相接地現象。

綜合上述分析，基本將故障原因定位至本次檢修過的機端電壓互感器上，問題可能為機端電壓互感器三相小車不到位、動靜觸頭接觸不良或者三相互感器一次保險接觸不良。現場停止試驗，滅磁，斷開6 kV勵磁系統他勵電源，斷開滅磁開關，重新對機端電壓互感器小車及互感器一次保險進行檢查整理。

16：30，機端電壓互感器檢查完成，互感器小車重新推入緊固正常，動靜觸頭接觸良好，一次保險測量無誤后回裝完成，機組再次啟動進行試驗。16：57，兩套保護裝置再次發“三次諧波比率定子接地信號”，故障錄波器基波電壓波形及三次諧波電壓值與第一次啟動試驗結果相似。

現場討論后決定暫時停止試驗，對機端電壓互感器進行解體詳細檢查。當打開機端電壓互感器中性點封閉外箱時發現，機端電壓互感器A、B、C相中性點未正確連接并接地，相當于一次星形接線中性點未連接也未接地。

對比其他機組接線方式后，按照星形接線方式重新對機端電壓互感器中性點進行接線，接線整改完成后如圖2所示，粗線部分為新增接線。

機端互感器恢復完成后重新啟動進行試驗，啟動正常，機端電壓從零升至額定過程中保護裝置未再次發定子接地報警，現場缺陷處理正確有效。

2? ? 原因分析

2.1? ? 直接原因

誤接線，機端電壓互感器星形連接不完整，機端電壓互感器模擬量采樣偏差大、三次諧波電壓采樣大幅增加，導致三次諧波比率定子接地保護發信。

2.2? ? 技術原因

在此次事件中，在機端電壓互感器一次繞組星形接線不完整且未接地的前提下，從純電路理論分析，一次繞組未形成勵磁回路，二次側不應有電壓輸出，但實際情況下，機端電壓互感器二次有電壓輸出且三相基本平衡。通過現場實際情況分析提供其中一種可能的原因并進行驗證：機端每相2YH、3YH、4YH三個電壓互感器一次繞組中性點雖未直接接地，但電壓互感器外殼接地，電壓互感器一次繞組與外殼之間存在寄生分布電容，電壓互感器通過與外殼的分布電容構成勵磁回路，可以形成微小的勵磁電流回路，具體如圖3所示。

圖3中，C1、C2、C3為A、B、C相電壓互感器對地分布電容，假設C1、C2、C3容抗相等，則電壓互感器二次電壓也應基本平衡。通過現場錄波圖來看，前兩次啟動試驗實際二次側輸出電壓基本平衡，反過來印證了起初的推論。同時也是由于該大容抗的存在，使二次回路的輸出電壓較正常值低，也與現場實際試驗結果一致。

通過比對5號機主變低壓側開口三角形三次諧波電壓值，機端開口三角形三次諧波大是自身中性點缺失造成的，并非實際系統中的諧波。理論上電壓互感器中性點缺失，會在二次回路上測量到一定含量的三次諧波電壓。補充說明，由于三次諧波的零序特性，在主變低壓側三角形、發電機中性點經高阻接地方式下不具備三次諧波電流通路，三次諧波電壓通過繞組對地分布電容及機端負載對地導納的大小進行分布，此次5號機機端電壓互感器中性點缺失，將會對發電機機端及中性點三次諧波電勢的分布造成一定的影響。

3? ? 結論

本文詳細地介紹了一起發電機零起升壓過程中三次諧波比率定子接地保護誤發信事件的背景、原因及現場分析處理步驟。通過對此次事件的分析、總結、思考，得出以下技術及管理方面的經驗教訓：

（1）發電機三次諧波比率定子接地保護信號出現，不能簡單地認定發電機中性點出現了單相接地故障，如同本文所述事件一樣，機端電壓互感器一次繞組星形接線不完整，直接影響其開口三角形三次諧波電壓值的大小，進而導致發電機三次諧波定子接地保護誤發信。還有其他與本文類似的故障，如機端電壓互感器一次保險接觸不良、互感器小車推入不到位動靜觸頭接觸不良，均可能造成三次諧波定子接地誤發信。在以后的檢修中遇到發電機三次諧波比率定子接地保護發信情況，可以先從這些簡單容易的部分入手檢查，大大提高設備消缺的速率。

（2）電壓互感器單相試驗不能驗證整組接線的正確性。此次5號機更換機端電壓互感器后也完成了互感器極性及變比等常規要求試驗，但現場試驗是對單個互感器逐個進行的，沒有對整組互感器進行系統試驗，單體設備正常不能保證整個系統的完好。在單體校驗合格后，必須對整組互感器進行試驗，以保證整個系統的完整性，這也是其他系統、設備定期檢修的基本原則。

（3）更換過電壓互感器后必須進行零起升壓試驗，試驗合格后方可在勵磁系統自動方式下起勵及并網。發電機零起升壓的主要目的也是為了驗證檢修過的一、二次設備電壓回路是否完好，更換過電壓互感器設備必須進行，類似于本文所述5號機事件，如不進行零起升壓試驗，將有可能造成發電機過電壓，危害性極大。另外，零起升壓試驗過程中不能以變更過的電壓互感器測量數據為參考，需選擇其他參考點，如以主變低壓側或者主變高壓側電壓作為參考點。

[參考文獻]

[1] 南京南瑞繼保電氣有限公司.PCS-985G發電機保護裝置說明書[Z].

收稿日期：2020-01-06

作者簡介：張彬（1986—），男，甘肅定西人，工程師，主要從事火力發電廠電氣二次檢修工作。