基于Matlab建立仿真分析確認定子接地故障點

劉 瑞

(上海上電漕涇發電有限公司，上海 201102)

某發電集團一臺電機額定裝機容量為600 MW，該發電機機端出口額定電壓等級為20 kV。發電機機端電壓通過變壓器升壓，經變壓器升壓后高壓側電壓等級為500 kV，這里變壓器與發電機的連接使用常見的單元接線方式。2019年3月20日該電廠發定子接地故障，保護裝置發信后30 min內跳開發電機出口斷路器。發電機定子繞組接地時產生的電容電流將會流過定子鐵心嚴重時會燒毀鐵心，當電容電流足夠大時會造成定子繞組匝間甚至相間短路，損壞發電機，因此定子接地保護是發電機保護中極為重要的保護[1-7]。

本文通過發電機機端開關GCB跳開后根據發電機機端輸出電壓和主變低壓側電壓幅值大及相位判斷接地短路點，通過Matlab仿真模擬發電機出口電壓與過渡電阻之間的關系，根據接地時的零序電流得出接地等效阻值，從而可以推算出故障點過渡電阻大小，可以快速找到故障點位置，也為以后相似故障提供快速處理方法。

1 定子接地事故現象以及保護配置

該發電機中性點通過接地變壓器接地，保護設備為雙重化，其中定子接地第一套采用外加電源注入式保護[8-10]，第二套采用基波與三次諧波電壓共同組成100%定子接地保護[3]，實現對發電機定子繞組100%接地保護。該廠發電機，變壓器構成的一次接線見圖1。

2019年3月20日故障前該機組負荷為500 MW，綜合自動化系統(NCS)報警：18:30:55，發電機A屏定子接地跳閘；18:30:58，發電機B屏定子接地跳閘。報警后就地檢查發現該繼電保護裝置定子接地保護動作。保護動作報文和發變組故障錄波器記錄的波形中得知，產生接地時機端A，B，C三相電壓大小分別為76.58,42.88,60.62 V，其中零序3U0大小為34.1 V，因此初步判斷為B相或者與其連接的回路產生接地。

2 機端電壓大小對應過渡電阻大小情況分析

2.1 電壓變化分析

由于機端電壓幅值不再相同且各電壓均不為零，而且有零序電壓，因此判斷為接地故障且故障點經過渡電阻接地。定子接地故障電壓波形如圖1所示。從故障錄波中的電壓變化，可以看出在發電機出口GCB斷開但還沒有完全滅磁時，發電機端部電壓為三相對稱正序電壓。從錄波器相關波形中可以看出，在故障出現但保護未動作前發電機出口電壓分別為UA=76 V,UB=43 V,UC=61 V,其零序3U0=35 V，主變低壓側與發電機出口側電壓波形幾乎一致。發電機出口GCB分開沒滅磁前發電機機端和發電機出口電壓UA=59.6 V、UB=59.5 V、UC=59.4 V,零序電壓3U0=0.1 V，主變低壓側電壓分別為UA=88.6 V，UB=41.4 V，UC=59.4 V,零序電壓3U0=59.1 V。因此，可以判斷故障點應該在發電機出口GCB與變壓器低壓側之間。

圖1 定子接地故障電壓波形

在定子發生單相接地時，對發電機機端三相不平衡電壓進行分析。對于中性點經變壓器接地的發電機，在通過過渡電阻接地時，發電機出口三相電勢如圖2所示，電勢分別是EA、EB、EC，求發電機中性點電壓3U0和三相出口對地電壓EAd、EBd、ECd。

圖2 定子接地等效圖

圖2中，中性點到故障點位置的繞組與整個繞組比值為α。因為可判斷本次產生的接地點應該是在發電機GCB與主變低壓側之間且為B相[4]，所以根據基爾霍夫定理可知：

(1)

式中ω——發電機運行角速度。

可得：

(2)

發電機三相對地點壓分別為

(3)

(4)

(5)

依據表1相關電氣參數，結合式(2)，通過Matlab對短路點接不同過渡電阻接地情況進行仿真。

表1 發電機設備電氣參數

仿真結果如圖3所示。從圖3中可以看出，各相對地點位的變化軌跡是以一段圓弧根據故障相模值變化而變化，過渡電阻大小的改變使其軌跡沿著圓弧改變。在故障點通過過渡電阻接地時接地相電壓最小，由于B相發生故障，其中A相電壓最大，C相次之。

圖3 各電位變化軌跡

2.2 過渡電阻計算與Matlab仿真計算電壓

在定子單相接地時，圖4是對零序網絡圖簡化。

圖4 定子繞組接地故障零序回路

各電流計算：

(6)

通過Matlab仿真發電機出口接地過渡電阻不同時對應的電壓關系，仿真圖如圖5所示。在圖5中，通過Matlab模擬B相接地，當過渡電阻大小為600 Ω時，故障相B相電壓大小為8.5 kV(二次側大小為42.6 V)，A相的大小為15 kV(二次側大小為75 V)，C相的大小為12 kV(二次側大小為60 V)。這里發生短路的該相電壓最小，A相電壓最大，C相次之，符合前文圖4中的規律。

圖5 發電機端口電壓幅值與故障點電阻大小變化關系

2.3 故障調查分析

經檢修人員排查發現，在發電機對應變壓器低壓側B相電壓互感器柜的第二組絕緣子出現裂痕，導致在工作時接地故障使絕緣子進一步損壞，最后完全損壞掉落。

3 故障處理和經驗總結

3.1 故障處理過程

在事故初步分析了可能的故障位置后，在申請主變停役事故檢修期間，對發變組測量絕緣，最終確定故障位置是在發電機出口斷路器外側。檢修人員對主變低壓側著重檢查，相關操作如下：①拆解B相封閉母線20 kV側、發電廠升壓變低壓側、廠用變高壓側的電壓互感器連接及GCB出口處的對地電容；②對B相進行打耐壓，當電壓升到42.5 kV時，出現放電擊穿現象，并伴有聲響，從異響確認發生短路區域；③在B相封閉母線內部，探查到主變低壓側電壓互感器第二組絕緣子中有一支絕緣子爆裂；④清理封閉母線套管，更換破損絕緣子；⑤對檢修后的故障封閉母線進行絕緣測試和打耐壓試驗，打耐壓(51 kV，1 min)合格。

3.2 經驗總結

購買設備及驗收嚴格把控，確保安裝的裝置合格。排查其他封閉母線內的絕緣子，確保其他絕緣子沒有隱含缺陷，防止相似事故再次發生。嚴格按照標準定期對設備進行檢測，并嚴格按照相關行業標準，禁止設備帶病服役。研究分析錄波器記錄的數據以及保護動作報文，進行理論分析確認故障位置增強故障排查分析能力。檢查保護裝置和錄波器等對一次設備保護和監測的裝置，確保一次設備在任何時刻都在保護與檢測狀態下。

4 結語

對于發電機中性點采用不同類型的接地[6]，在單相接地時它們的故障現象也會有所不同，但對比接地前后發電機電壓與零序電流幅值，以及計算出過渡電阻大小，通過Matlab仿真不同故障相電壓與過渡電阻關系，快速推斷出接地點并及時給出處理。