大型水電站機組定子一點接地保護動作故障分析

張樹忠

（雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610051）

0 前言

某水電站監控系統報機組發變組保護定子接地報警、發電機定子接地保護動作等報警信號。機組分閘，甩負荷90 MW，全廠AGC 退出，系統頻率、電壓無異常。現場檢查原因為一根電焊條從位于發電機出口離相封閉母線（B 相中段）內的導體（中空）伸縮縫連接片之間的縫隙處掉落出來，焊條搭接在封閉母線通流導體與封閉母線外殼之間，造成通流導體與外殼接地，觸發機組發電機定子一點接地保護動作，機組分閘。

1 定子一點接地保護配置

該水電站發電機定子一點接地保護為雙重化配置，分別是發電機100% 定子一點接地保護64G-A 和發電機基波零序電壓定子一點接地保護64G-B。

1.1 發電機定子一點接地保護

RCS-985U 定子接地保護注入電源裝置提供約25 V-20 Hz 的低頻方波，該方波加在發電機接地變負載電阻上，并采集負載回路電壓、電流信號，計算出接地故障的過渡電阻值，實現檢測定子繞組100% 范圍內的接地故障。保護設置兩段定值，高定值延時5 s 報警，低定值延時0.5 s 跳閘、滅磁、停機。保護裝置接線示意如圖1。

圖1 定子接地機端電壓波形圖

正常情況下，由于發電機對地存在分布電容，因此檢測到的低頻電流應是發電機定子繞組對地電流，為容性電流；而當發電機定子繞組出現接地故障時，低頻電流將會出現阻性分量。根據此原理，并通過發電機靜態補償試驗，調整保護參數來消除接地變、二次回路以及元器件的影響，保護裝置就能基于檢測到的低頻電壓、電流信號計算出定子繞組接地電阻值。顯然，保護不會受接地位置的影響，因此可以構成發電機100% 范圍的定子繞組單相接地故障保護；同時，20 Hz 低頻信號區別于工頻及其各次諧波頻率，因此不管發電機處于何種工況，保護均能正常工作。

1.2 基波零序電壓定子一點接地保護

保護由基波零序電壓和3 次諧波電壓比率定子接地保護組成。基波零序電壓保護發電機85%～95%的定子繞組單相接地，在中性點附近存在保護死區。3 次諧波電壓定子接地保護對于中性點附近的單相接地短路有很高的靈敏度，它與基波零序電壓保護正好有互補性，所以可用這兩個保護聯合構成100% 的定子繞組接地短路保護。

1.2.1 基波零序電壓定子接地保護

基波零序電壓保護反映發電機零序電壓大小。保護采用了頻率跟蹤、數字濾波及全周傅氏算法，使零序電壓對3 次諧波的濾除比達100以上，保護只反映基波分量。保護設兩段定值，靈敏段延時0.5s 報警，高定值段延時0.3s 跳閘、滅磁、停機。

以A 相繞組的F 點發生接地短路為例，F點到中性點的匝數占該相繞組總匝數的百分比為α。此時機端T 點各相的對地(對A 相的F 點)電壓為：

所以，機端T 點對地零序電壓為：

可以得到，在發電機端出口單相接地時零序電壓最大，在中性點處接地時零序電壓為零，可以準確判別發電機中性點以外，85%～95%的定子繞組單相接地故障。

1.2.2 3次諧波電壓比率定子接地保護

3 次諧波電壓比率定子接地保護采用3 次諧波電壓比率判據，只保護發電機中性點25%左右的定子接地，保護動作于報警。保護原理如下分析：

正常運行時機端與中性點處的3 次諧波電壓的特征，發電機每相對地電容Cg各一半分接在機端和中性點處。發電機外接元件的每相對地電容Ct接于機端。發電機3 次諧波的相電勢為E3。由于正常運行時三相的3 次諧波電壓的幅值和相位相同，所以在3 次諧波等值電路圖中機端T 處三相可連在一起，中性點N 處三相本來就連在一起，構成三相3 次諧波等值電路圖。各處的電容是單相電容的3 倍。發電機的電阻、電抗、電導相對于電納來說很小，可忽略不計。

可以得到發電機正常運行時機端和中性點3次諧波電壓之比：

以A 相繞組F 點發生接地短路為例，F 點到中性點的匝數占該相繞組總匝數的百分比為α，得到三相3 次諧波等值電路圖。

可以得到發電機定子繞組一點接地時機端和中性點3 次諧波電壓之比：

2 故障分析

由于與發電機直連的一次設備（發電機出口離相封閉母線、發電機勵磁變高壓側、發電機出口PT 一次側、廠高變高壓側、主變低壓側、主變低壓側PT 一次側）在電氣參數上與發電機定子無異，且定子接地故障電氣特征與鐵磁諧振相似[1-3]，因此目前的保護裝置均不具備故障點定位的功能，故障點的定位依賴于專業人員的故障分析。

故障發生后，應先判斷定子接地保護是否正確，然后根據故障后的相關參數計算出故障的大致位置：在發電機內部發生故障，根據發電機定子線棒接線圖，確定故障線棒；在發電機外部發生故障，應根據GCB 跳開后的發電機機端電壓波形和主變低壓側電壓波形判斷故障發生在GCB 至發電機側或GCB 至主變側。

2.1 故障點在GCB至主變低壓側

故障發生后，發電機A 相電壓升高至78 V，發電機B 相電壓降低至42 V，發電機C相電壓升高至60 V，主變低壓側零序電壓變為34 V。發電機定子繞組采用三相6 分支Y 形接線，此接線方式下發生接地故障后，明顯特征是故障相電壓降低，非故障相電壓升高，由于B 相電壓并未降至接近0 V，可以判斷，故障類型為B 相非金屬性單相接地。

從圖5 中可以看出，在GCB 跳開后發電機出口電壓已滅磁，三相電壓已對稱，而主變低壓側電壓仍為故障電壓波形，此時注意區分鐵磁諧振和接地故障波形即可以判斷故障點發生在GCB 出口外側至主變低壓側范圍內，包含主變低壓側、封閉母線，與封閉母線直連的廠高變高壓側、主變低壓側PT 一次側，發生瞬時性非金屬接地一次故障。

2.2 故障點在GCB至發電機

故障發生后，發電機A 相電壓升高至100.12 V，發電機B 相電壓降低至0.235 V，發電機C 相電壓升高至100.06 V，機端零序電壓突變為98.744 V。由于B 相電壓降至接近0 V及機端零序電壓與A、C 相電壓接近，由此可以判斷，故障類型為B 相金屬性單相接地。

從圖1 中可以看出，T1 時刻( 即0 ms) 為接地故障開始時刻，經過500 ms 延時，在T2時刻(即500 ms)保護出口跳滅磁開關FCB，轉子繞組通過非線性電阻滅磁后，此時GCB 還未跳閘，而發電機出口電壓三相恢復平衡，機端零序電壓3Uo 立即消失，說明在滅磁開關FCB跳閘滅磁后從發電機中性點至GCB 內側的故障電氣量消失，從而斷定故障位置在GCB 到發電機范圍內，見圖2。

圖2 6F定子一點接地故障錄波圖

通過分析故障錄波圖，可以看到，故障發生后，發電機A 相電壓升高至18.105 kV，發電機B 相電壓降低至0.047 kV，發電機C 相電壓升高至18.046 kV，機端零序電壓突變為16.849 kV（二次值84.35V）。由于B 相電壓降至接近0 V，機端零序電壓與A、C 相電壓上升接近線電壓，由此可以判斷，故障類型為B相金屬性單相接地[4-5]。

從圖2 中可以看出，T1時刻(即0 ms)為接地故障開始時刻，經過320 ms，發電機第二套定子接地保護動作，在T2時刻（即402 ms）保護出口先后跳開GCB、FCB，轉子繞組通過非線性電阻滅磁后，主變低壓側電壓三相逐步恢復平衡，發電機出口B 相電壓仍為0，機端零序電壓3Uo未消失，說明故障位置在GCB 到發電機范圍內。

檢修人員通過對6 號發電機出口B 相軟連接及發電機3 個中性點斷引后，測試發電機B相6 分支絕緣電阻值合格，排除了故障位置在發電機內部的可能。

將勵磁變高壓側斷引后，測試發電機出口B 相至勵磁變、GCB 斷口處絕緣，絕緣不合格，判斷故障位置為封閉母線區域，重點檢查GCB電容器及封閉母線支撐絕緣子。

對GCB B 相本體開蓋后，檢查GCB 靠發電機側電容器及GCB 鄰近的幾個絕緣子，均未發現異常。使用強光探照燈發現距離GCB 約十米處有疑似接地物搭接至外殼。因疑似接地物距離絕緣子孔洞距離較遠，使用絕緣加長桿將疑似接地物拆除，確認為一根遺留焊條導致定子一點接地。

3 解決方法

1）在工程建設時期，封閉母線安裝過程中，對設備封閉部位物品進出管理不嚴，驗收不到位，導致有物品遺留在封閉母線內部，埋下安全隱患。在許可相關工作票時，在變壓器、封閉母線、發電機等狹窄空間、封閉空間或轉動部件上方工作時，嚴格履行物品登記手續，從源頭防范風險，避免物品遺留在設備內部。

2）對于新設計、新改造、新安裝設備，在其投運前應進行全面檢查，并在投運后加強關注，增加巡檢頻次。在進行方案編寫時，運行專業需要提前介入，盡量在設備封閉或隱蔽部位設置觀察窗，便于巡檢時重點關注。

4 結束語

綜上所述，機組檢修、技改過程中，可以考慮將業內最新的發變組保護配置添加到現有配置中，更全面地保護主設備運行，更精確、快速定位故障點，縮短機組強停時間，為機組在最短時間內恢復運行提供有力保障。