TV故障引起的发电机定子接地保护动作分析

2011-01-18张兵海苏艳宾马彦河焦国强张建忠张志猛

河北电力技术 2011年4期

张兵海，苏艳宾，马彦河，焦国强，张建忠，张志猛，刘辉

(1.河北省电力研究院，石家庄 050021；2.国电河北龙山发电有限责任公司，河北邯郸 056400；3.华能上安电厂，石家庄 050081)

1 概述

发电机机端TV一次绕组的匝间短路故障并不多见，但故障发生时的故障现象与发电机定子绕组接地故障现象类似，将引起发电机中性点及机端电压偏移，导致发电机定子接地保护动作跳机。虽然故障形式是匝间短路而非接地故障，分析认为定子接地保护动作仍属于正确动作。

近两年河北省南部电网曾发生2起因TV一次绕组匝间短路故障引起的发电机定子接地保护动作跳机故障，故障现象非常相似，下面以其中一起故障数据为例，从故障分析、甄别的角度进行侧重于故障现象的分析，验正由于TV一次绕组匝间短路引发的定子接地保护动作的正确性，对于故障影响、故障排查、TV工艺质量等内容不在讨论范围内。

2 发电机定子接地保护原理

大型机组的发电机定子接地保护配置原理主要有以下2种：

a.3U0基波过电压原理，保护取用机端TV开口角零序电压或发电机中性点接地变压器(或TV)二次电压，当发生接地故障时，基波电压升高、三次谐波电压降低，当零序基波电压高过一定值时保护动作跳闸，保护的动作盲区为发电机定子绕组中性点部位的10%或5%。

b.三次谐波差动原理，保护取用机端TV开口角零序电压与中性点接地变压器(或TV)二次电压，进行2处电压中三次谐波电压的比较。当发生接地故障时2处电压的三次谐波电压幅值、相位均会发生变化。理论上说这种原理的定子接地保护没有盲区，而且这种原理的保护可以反应定子绕组线棒松动、移位等异常形式，故而此保护一般投信号而不投跳闸。

前面提到的2起故障中，动作跳机的3U0定子接地保护取用的均是发电机中性点接地变压器二次电压，取用此处电压不用考虑TV一次熔断器熔断引起的保护误动，但是因为机端TV一次绕组匝间短路故障仍可引起三相电压的不平衡，因此机端TV一次绕组的匝间短路故障仍可启动取用发电机中性点接地变二次电压的定子接地3U0保护。

图1 发电机发生U相接地故障后三相电压向量示意

当接地阻抗为rf时，零序电压

(1)[1]

当rf=0～∞时，U0=-EU～0，设K0=U0Eph，0≤K0≤1，发电机三相对地电压分别为：

(2)

(3)

(4)

式中：rf为接地阻抗；U0为零序电压；EU为U相电压；EV为V相电压；EW为W相电压；Eph为相额定电压；ω为计算因子，ω=2πf；Cg为相对地电容；UUd为故障后U相对地电压；UVd为故障后V相对地电压；UWd为故障后W相对地电压。

随着rf的改变，由图1及式(2)-(4)可以推算出：

a.当K0在0～1.0变化时，故障相对地电压不可能高于额定相电压；

b.0

c.0.756

d.当U相机端发生经一定阻抗接地故障时，不管K0值多大，健全相W相对地电压恒大于V相对地电压。

以上论及的电厂机组在发生接地故障时，发电机U、V、W相对地电压分别为63.81 V、57.10 V、55.16 V，(取自发电机变压器组保护装置的动作报告数据，为保护动作时刻的机端TV二次相电压)，说明故障相为V相，而非W相，故障性质为经过阻抗接地。

3 TV一次绕组匝间短路故障数据分析

TV正常运行状态相当于无穷大感抗，其一次绕组发生匝间短路后，感抗随短路匝数的增多而减小。通过实例中故障机组事后的TV空载变比试验数据可知，一次阻抗已变为516.5 kΩ。由前面的零序电压计算公式(1)可以计算出发电机中性点零序电压为16.9 V(中性点接地变压器变比为22 kV/0.1 kV、发电机每相对地电容为281 000 pF)。

某电厂发电机故障录波器录波波形见图2。

图2 发电机故障录波器波形

TV一次绕组匝间短路后，故障相对地感抗已非无穷大，该相对地阻抗已变为经过阻抗接地，TV一次绕组短路匝数的多少直接影响接地阻抗的大小，因此认为TV一次绕组匝间短路应当看做发电机定子绕组经过渡阻抗的接地短路，此种故障时的定子接地保护动作属于正确动作。

对于当前3U0接地保护原理中已采取的三次谐波滤波和防止TV一次断线的闭锁防误动措施，因为TV一次绕组的匝间短路不会导致3U0的三次谐波电压异常、不会导致相电压与零序电压失去对应，因此防误动措施在这种情况下不起作用。

4 定子接地故障与TV一次绕组匝间短路故障的辨识

发生故障后，故障的快速分析定位对故障的消除和运行恢复起着重要的作用。

大型发电机系统均设计为小电流接地系统，当前采用的接地方式多为发电机中性点经接地变压器的高阻接地。接地故障发生后，因为接地电流高于GB/T 14285-2006《继电保护和安全自动装置技术规程规程》规定的2.5 A，为了防止接地故障电流引起的暂态过电压对发电机定子设备绝缘造成破坏，接地故障时继电保护需动作跳闸。

发电机绕组故障接地和定子接地保护试验时的机端人为接地是2种不同形式的接地现象。试验时的人为接地，因为接地可靠，接地后不存在弧光电流，进而不存在由燃弧熄弧引起的暂态过电压，对设备绝缘不构成影响，按空载额定发电机机端电压所需励磁电流升高定子电压时，非接地相相电压升高为线电压。实际在发电机运行过程中发生接地故障时，在故障发生的初期不可能是直接接地。因为弧光电流的存在，小电流接地系统接地故障后，暂态过电压的理论认为，某相发生接地故障后，健全相因燃弧和熄弧将产生超过额定定子电压多倍的暂态过电压[2]；暂态过电压值的高低取决于电容电流的限制措施，此暂态过电压对设备绝缘将产生严重影响甚至影响设备修复。

从实例故障的录波波形及数据可以看出，三相电压波形均没有发生暂态过电压，故障相的波形畸变是电压跌落，由此可分析认为发电机定子系统发生的不是真实的接地故障。因为发电机变压器组保护、励磁调节器等装置均为双配置，另外DCS的事故追忆(扫描时间需精确到ms)、故障录波器等装置均有电压采样，通过不同装置、不同位置、不同组别的电压波形比较后，就可以定位到故障的具体设备。通过理论分析得知故障部位后，仍需要进行一定的设备绝缘排查、特性试验来最终确定故障设备。

以上讨论分析的故障形式与真正的接地故障是有区别的，从故障波形中可以看出，故障后机端TV零序电压与发电机中性点接地二次电压的波形在相位上没有规律可作参考，机端TV开口角零序电压直接反应的是故障相电压的波形反相。对于配置三次谐波差动原理定子接地保护的此类故障，故障发生后此原理定子接地保护可能启动；根据已有的公开发表的文献说明，机端发生接地后发电机中性点与机端零序电压的三次谐波是反相的[3]，此观点可使故障分析时侧重于机端故障，有助于故障的快速分析定位。