一起发电机定子接地事故的分析处理

樊兵团 杨 睿 孙钢虎 兀鹏越

（1.华能铜川电厂，陕西 铜川 727100；2.西安热工研究院有限责任公司，西安 710043）

按照规程要求，大型发电机均配置有定子接地保护。其中反映基波零序电压的定子接地保护，其零序电压一般取自发电机中性点接地变压器的副边负载电阻抽头。由于发电机正常运行时几乎没有零序电压，因此无法通过检测零序电压的办法确认该电压回路的正确性，导致部分机组零序电压回路接线错误情况下投入运行而无法发觉。

华能铜川电厂发变组保护系统采用南瑞继保电气公司生产的 RCS－985B型微机成套保护装置。2010年6月15日，该厂1号机组发电机定子接地保护动作，机组跳闸。在对该次事故的分析处理过程中，发现了发电机机端零序电压与中性点零序电压不一致，深入分析后发现发电机中性点接地变压器的副边负载电阻抽头接错，并且另一台机组也有类似问题。

1 铜川电厂发电机定子接地保护的简介

1.1 铜川电厂机组简介及其定子接地保护的构成

华能铜川电厂一期工程为 2×600MW 亚临界空冷机组，两台机组均采用发电机－主变压器组单元接线，发电机出口封母上连接主变压器、高压厂用工作变压器、高压厂用公用变压器、励磁变压器，主变压器经 330kV GIS组合断路器接入 330kV电网。发电机中性点采用经接地变压器高阻接地方式，发变组保护采用南京南瑞继保公司的 RCS-985B发变组成套保护装置。主变、厂变、公用变、励磁变等主设备保护按全面双重化配置，每台机组设三面保护屏，分别为发变组保护A屏、发变组保护B屏和发变组保护C屏，其中发变组保护A、B屏为电量保护，发变组保护C屏为非电量保护。单元主接线和保护配置情况如图1所示。

图1 发电机变压器主接线

其中发电机100%定子接地保护由两部分组成，第一部分为反应发电机基波零序电压的定子接地保护，它的保护区为发电机从机端至机内85%～95%；第二部分为反应发电机三次谐波电压的定子接地保护，它的保护区为发电机从中性点至机内25%。其中，基波零序电压U0取自发电机中性点接地变压器的副边负载电阻抽头。

1.2 铜川电厂定子接地保护定值设置（见表1）

表1 发电机定子接地保护定值

跳闸控制字193B含义为：跳主表高压侧开关，跳灭磁开关，起动厂高工作变分支切换,跳厂高工作变分支开关，起动主变高压侧开关失灵,跳厂高公用变分子开关，关闭主汽门。

2 铜川电厂发电机定子接地保护动作分析

2.1 故障现象

2010年6月15日10：28，#1机组运行，负荷400MW，协调方式，A、B、C、E磨煤机运行，A、B汽泵运行。

10：29：02（#1发变组保护A柜记录时间），#1发变组保护A柜、B柜保护起动，相对1000ms，A、B柜“定子零序电压”保护动作，动作出口：TJ1（跳高压侧）、TJ3（关主气门）、TJ4（跳灭磁开关）、TJ5（起动主变高压侧开关失灵）、TJ8（跳公用变分支）、TJ11（启动A分支切换，跳A分支）、TJ12（起动B分支切换，跳B分支）。保护动作后22.7ms主变断路器跳开，31.7ms灭磁开关跳开，42.7ms厂用A分支跳开，45.2ms厂用B分支跳开。保护动作后快切及备自投起动正常，备用电源正常投入。

保护起动后一个周波内的有效值为：发电机 A相电压94.49V；发电机B相电压4.8377V；发电机C相电压92.989V；发电机机端零序电压88.956V；发电机中性点零序电压 34.334V；发电机中性点电流1.41A;机端三次谐波电压14.58V；中性点三次谐波电压 6.16V；三次谐波电压差值 23.36V。波形如图2所示。

图2 发电机电压波形

2.2 故障分析

1）故障类型判断[1-3]

由于本厂发电机中性点不直接接地，因此具有一般不接地系统单相短路的共性。即当定子单相为金属性接地时，接地相对地电压为零，非接地相对地电压为线电压，定子绝缘电阻为零，开口三角零序电压为100V；当定子单相接地发生在定子绕组的内部或发电机出口，且为电阻性（通过高电阻接地或电弧接地），或接地发生在发变组主变压器低压绕组内，接地相对地电压大于零而小于相电压，非接地相对地电压大于相电压而小于线电压，开口三角零序电压小于100V。

因此，由故障波形数据及以上分析可见，本次故障与发电机B相非金属性接地故障现象相吻合。

2）故障检查

故障发生后，用2500V摇表测量发电机定子绝缘见表2，可知发电机定子绝缘合格，由此判断发电机定子无金属性接地。

表2 故障后发电机定子绝缘数据

在继续对#1号机组励磁变压器进行检查中，发现励磁变压器C相二次电流回路电缆下垂，与励磁变高压侧B相裸露母线接触，并且电缆橡胶外皮及母线裸露出均有放电烧灼痕迹，如图3所示。因此可以判定，本次定子接地是因为励磁变高压侧B相母线经电流回路二次电缆接地所致。

图3 故障点实物照片

电流互感器二次电缆为屏蔽电缆，根据有关规定，电气二次屏蔽电缆的屏蔽层必须两点接地。而本次故障中，也未见保护电流回路有所异常，因此可以判断出励磁变B相母线经电流回路二次电缆屏蔽层接地，而未对电流二次回路造成影响。

仔细观察电缆放电烧灼处，电缆绝缘层并未完全被破坏。将该二次电缆两侧端子解开，测量该电缆各芯对地及相间绝缘，结果见表3和表4。

表3 各电缆芯对地绝缘（单位/MΩ）

表4 各电缆芯相间绝缘（单位/MΩ）

由测量结果可见，二次电缆绝缘良好，所以可以肯定本次定子接地故障是由励磁变高压侧B相母线对电流二次电缆屏蔽层电弧放电所导致的发电机B相非金属性接地，接地点在定子接地保护的保护范围以内，保护正确动作。

2.3 故障处理

由故障现场情况可见，故障原因是电路回路二次电缆安装走线路径不合理，距离一次母线太近，而且电缆固定不牢靠。

处理办法是用绝缘胶带将电缆烧灼处多层缠绕，并重新对励磁变高压侧各相电流互感器电缆重新固定，使其远离励磁变高压侧母线。

3 零序电压不一致问题的分析处理

3.1 问题提出

按照基波零序定子接地保护原理，本次事故中接地点位于发电机机端，零序电压理论数值应该为100V。但在发变组保护的动作报告中，记录本次保护动作时，发电机机端开口三角电压为 88.956V，而发电机中性点零序电压仅为 34.334V，虽然也大于保护定值，保护正确动作，但是其数值显然不对。

而从录波器录取的波形来看（见图2），发电机机端零序电压与发电机中性点电压也有较大差异。

3.2 发电机单相接地零序电压分析[4-6]

当距发电机中性点α处发生B相单相接地故障时（图4，图5），则各相机端对地电压为

图4 发电机B相接地示意图

图5 发电机B相接地时电压向量图

所以，故障点的零序电压为

对于金属性接地，假设三相电源电势和三相对地电容完全对称，并设故障点位于定子绕组B相距中性点α (α为中性点到故障点的匝数占一相总数的百分数)处。由于接地电流非常小，定子绕组感抗又远小于对地容抗，所完全可以忽略定子绕组感抗压降，这样零序电压 U0既是发电机中性点的位移电压，也是定子绕组任一相任一点的零序电压，即：

当在机端接地时，α=1.0，U0=EB；当在中性点接地时，α=0，U0=0。

当故障发生在定子绕组任一相的任一点a时，零序电压U0= aEB，U0与α成线性关系。

由图 5可见，单相接地时中性点电压升高为aEB，故发电机任一点发生单相接地故障，发电机机端零序与中性点零序电压一致。

如果发电机单相接地经过渡电阻，即非金属性接地，经过推导，发电机机端零序与中性点零序电压也一致。

但在本次故障中，发电机机端零序与中性点零序有较大差异。因此，需要进一步分析差异的原因。

3.3 零序电压差异问题分析

华能铜川电厂#1号机组发变组保护中，机端零序电压3U0取自发电机机端PT开口三角，中性点零序电压 U0取自发电机中性点接地变压器的副边负载电阻抽头ab。如图6所示。

图6 接地变二次电阻抽头示意图

表5 相关参数

本次故障中发电机机端零序电压二次值为 88.956V时，则发电机机端零序一次电压3U0为

则U0为11299V。

由3.2分析可知此时发电机中性点零序电压一次值也为11299V，折算到二次侧为

本次故障中，中性点零序二次电压为 34.334V时，计算该电压所接抽头电阻阻值（计算所用参数见表5）。设抽头电阻值为x，则有

计算得x=0.1198Ω。

当发生发电机机端定子接地时，发电机中性点电压上升为相电压22kV/1.732，则接地变压器副边电压为 240V/1.732=139V。按照基波零序电压的定子接地保护原理，此时对应的基波零序电压应该为100V，所以接地电阻抽头应该为0.43Ω×100V/139V=0.31Ω。

故障前若将抽头接到电阻为0.31Ω处，则故障时中性点零序电压二次值为：与故障时机端零序电压二次值88.956V相吻合。由此判断本厂发电机中性点零序电压抽头接错位置。

这种分接头接线错误的情况下，如果过渡电阻较大或距离中性点侧较近处发生接地时，保护会拒动，具体分析如下：

本厂定子接地保护零序电压灵敏段定值为15V，并且动作于跳闸（见表1）。折算到一次侧为根据此值和3.2分析的结论（当故障发生在定子绕组任一相的任一点 α时，零序电压U0=αEB，U0与α成线性关系。α为中性点到故障点的匝数占一相总数的百分数。）计算临界故障点。当故障点位于0～38.8%区间，定子接地保护零序电压元件可能会拒动。当过度电阻较大时拒动范围可能更大。

对发电机中性点接地变二次抽头接线进行检查，发现1号机组发电机中性点接地变二次电阻抽头接到阻值为0.12Ω电阻两端，即ab两端（见图6）。也即发电机中性点零序电压抽头接错位置，实际需要抽头为0.31Ω，而现场接线为0.12Ω。

由此可见，发电机中性点零序电压抽头接错位置是导致本次机端零序电压与中性点零序电压始终不一致的根本原因。

3.4 问题处理及思考

为了准确验证负载电阻抽头大小，拆除接地变二次侧接线，在负载电阻ac两端加入240V电压，测 bc两端电压为 174V。则 0.43Ω×174V/240V=0.31Ω，因此确认抽头位置与铭牌参数一致。

将中性点零序电压接线位置纠正后，再次起动发电机，在保护装置上观察发电机机端零序电压和中性点零序电压采样，幅值大小相等，正常工况下为0.3V左右。

值得思考的是，经检查该厂2号机组也存在接地变负载分接头位置接错的问题，由于机组投运以来未发生接地故障，因此该问题也被隐藏，长期运行未能发现。

由于发电机正常运行时不产生零序电压，而发电机启动试验中，一般也不要求做定子接地试验，因此对于零序电压回路的正确性无法观察到实际的电压，因此零序回路的错误很难发现。该厂两台机组分别由不同的单位进行启动调试，均未检查出此问题。

因此，建议相关人员除了对电压回路的原理深入理解以外，还应该在发电机启动时进行定子接地试验，比如在10%额定电压下进行定子接地试验，以实际检验零序电压回路的正确性。

4 结论

发电机正常运行时不产生零序电压，因此无法用检测实际零序电压的方法来确认零序电压回路的正确性，容易导致零序电压回路的错误被长期掩盖，对机组安全运行留下隐患。本文描述的一起的发电机定子接地事故充分说明了这一问题的客观存在，而这种错误在常规试验过程中很难发现，建议在条件允许的情况下进行定子接地试验，以实际零序电压来检验零序电压接线的正确性。

[1] 郑一凡.关于发电机定子接地问题的探讨[J].山西电力技术,2001,2(97)：21-22.

[2] 庄洪波.发电机定子单相接地保护[J].湖南电力,2005,25(5)：20-21.

[3] 吴建福,周移华.发电机定子接地保护动作分析及防范措施[J].电力系统保护与控制,2010,5(38)：113.

[4] 李晋民.100%定子接地保护改进方案的研究[J].电网技术,1998,22(9)：48-50.

[5] 王维俭.发电机变压器继电保护应用[M].北京：中国电力出版,1998.

[6] 贺家李,宋从矩.电力系统继电保护原理(增订版)[M].北京：中国电力出版社,2004.