一起发电机内部转换性故障的分析及启示

李军保，陈俊

（1．浙江省能源集团有限公司，杭州310007；2．南京南瑞继保电气有限公司，南京211102）

一起发电机内部转换性故障的分析及启示

李军保1，陈俊2

（1．浙江省能源集团有限公司，杭州310007；2．南京南瑞继保电气有限公司，南京211102）

以一起发电机内部转换性故障为例，分析保护装置记录的相关电气量波形及故障报告，确认故障过程为定子匝间短路故障转相间短路故障，由发电机差动保护和发变组差动保护动作于跳闸。该机组未配置匝间专用TV和定子匝间保护，无法快速切除定子匝间故障，最终发展成相间短路故障，建议各种类型的大型机组均应配置定子匝间保护。

发电机；定子；匝间保护；分析

0 引言

GB/T 14285－2006《继电保护和安全自动装置技术规程》4．2．1节要求大型发电机组应装设定子绕组匝间短路保护。由于一般发电机中性点侧只能引出3个端子，一般配置纵向零序电压定子匝间保护或负序功率方向定子匝间保护。

目前还有一些机组，尤其是一些大型燃气轮发电机组，未配置专用TV（电压互感器）和定子匝间保护，存在一定的安全隐患。近年来，已多次发生定子匝间短路故障或定子绕组分支开焊故障，应引起重视。

以下分析一起发电机定子匝间短路转相间短路故障的案例，由于未配置定子匝间保护，不能及时切除定子匝间短路故障，最终转化成相间短路故障，造成了巨大的经济损失，这也充分说明配置定子匝间保护的必要性。同时，以案例的录波数据验证了一种定子匝间保护新原理的正确性，为没有装设专用TV的发电机提供了实现定子匝间保护的一种途径。

1 发电机组保护动作情况

2012－10－16 T 11∶44，某300 MW机组突然跳闸，光字牌大片报警，主变压器（简称主变）220 kV开关、磁场开关跳闸，发电机定子电压、定子电流、励磁电压、励磁电流均到零；汽轮机跳闸，各主汽门、调门关闭；锅炉MFT（主燃料跳闸）动作，锅炉熄火。

发电机变压器组（简称发变组）保护A与B柜面板有跳闸信号“差动保护动作”，保护C柜无跳闸信号，C柜操作箱有2路跳闸出口灯亮。保护装置跳闸报告显示，11∶44∶51．547，发电机组保护启动，2 124 ms后发电机差动速断动作，2 125 ms后发变组差动速断保护动作，2 131 ms发电机比率差动，2 133 ms发变组比率差动，2 134 ms发电机工频变化量差动保护动作，A与B柜2套保护动作结果相同。保护装置变位报告显示，11∶44∶51．552，主变后备保护启动；11∶44∶51．578，主变差动保护和发变组差动保护启动；11∶44∶53．654，发电机差动保护启动；11∶44∶53．703，主变高压侧开关跳闸，11∶44∶54．117，主汽门关闭。变位报告和跳闸报告由不同的CPU板处理，由于采样和计算误差，2个CPU板的启动时刻相差5 ms。

综合以上跳闸报告和变位报告可判断，首先是主变后备保护启动，随后是发电机内部故障启动、发变组差动保护启动，最后由发电机差动保护、发变组差动保护跳闸，跳开主变高压侧断路器，关主汽门并灭磁，直至电流衰减，差动保护和后备保护返回。

2 保护装置录波数据分析

由于2套保护动作行为一致，分析以A套保护录波数据为例，录波图中前半部分是保护启动时刻的波形（启动前2个周波，启动后6个周波），后半部分是保护跳闸时刻的波形（跳闸前2个周波，跳闸6个周波）。

主变高压侧三相电压和零序电压的波形如图1所示。

图1 主变高压侧电压波形

主变高压侧三相电流和外接零序电流波形如图2所示。

可见，故障过程中主变高压侧三相电压没有明显降低，高压侧零序电压和零序电流均为0，说明主变高压侧未发生故障。

图2 主变高压侧电流波形

从图2可见，保护启动时刻，主变高压侧A与C相电流增大，B相电流无变化，B与C相电流同相位且与A相电流相位相反。故障跳闸时刻主变高压侧B与C相电流增大，A相电流无显著变化。

主变高压侧相间后备保护采用阻抗保护，正向阻抗定值为5．3 Ω，反向阻抗定值为0．26 Ω，阻抗保护Ⅰ时限为1．2 s，阻抗保护Ⅱ时限为1．5 s。从图2可见，故障时刻主变高压侧A与C相电流明显增大，经计算满足了阻抗保护的相电流突变量启动判据，但主变高压侧相间阻抗计算值未落入阻抗特性圆内，因此，主变后备保护只是启动，不满足动作条件。

发电机差动保护定值为：比率差动启动定值0．2Ie（Ie为额定电流），起始斜率0．05，最大斜率0．5，差动速断定值4Ie。发电机差动电流波形及两侧电流波形如图3和图4所示。

从图3和图4可见，保护启动时刻，发电机机端和中性点电流均增大，但发电机差动电流很小，说明故障初期不是定子绕组内部相间短路故障。

发电机机端三相电压、机端和中性点零序电压波形如图5所示。

从图5可见，保护启动时刻发电机机端C相电压降为0 V，而A与B相电压不但没有升高，反而略有降低，中性点零序电压很小，而且发电机相电流明显增大，不符合定子单相接地故障的特性。

图3 发电机差动电流波形

图4 发电机机端电流（Ifa-Ifc）及中性点电流（Ina-Inc）波形

图5 发电机机端电压波形

根据以上分析，排除了发电机内部相间短路和单相接地故障的可能，推测为定子绕组C相首尾大匝间短路故障。为了验证以上推测，采用机端电压和中性点电流计算负序功率，通过负序功率方向来判别是否发生了定子匝间故障，负序电压、负序电流和负序功率计算结果如图6所示。

图6 负序电压、负序电流和负序功率

从图6可见，保护启动时刻，出现较大的负序电压和负序电流，以机端负序电压和中性点负序电流计算的负序功率为较大的正值，负序电流滞后负序电压约10°左右，符合发电机定子匝间故障的电气特征，验证了前面的推测。

从图3—5的后半部分波形可见，保护跳闸时，发电机机端和中性点B与C相电流增大，且方向相反，A相电流变化不明显，此时B相电压也降低到0 V，发电机B与C相差流较大，说明此时已转化成B与C相间短路故障，约2个周波后，A相电流也增大，A相电压也降低至很小值，发电机三相均产生了较大的差流，说明此时已转化成三相短路故障，故障过程中发电机差动电流与制动电流的关系如图7所示。

图7 发电机差动电流与制动电流的关系

由图7可见，在故障转化成相间短路故障后，发电机差动电流满足比率制动动作条件，差流最大值超过了差动速断定值4Ie，差动速断保护也满足动作条件，发电机差动保护正确动作。从图4发电机机端B相电流可见，从故障转化成相间短路到发电机差动保护动作跳开主变高压侧开关不到60 ms（后半部分波形中机端B相电流突然增加到变为0的时间，不超过3个周波）。

发电机内部相间短路故障属于发变组差动保护的保护范围，发变组差动保护定值为：比率差动启动定值0.4Ie，起始斜率0.1，最大斜率0.7，二次谐波制动系数0.15，差动速断定值5Ie。故障过程中发变组差动电流波形如图8所示。

图8 发变组差动电流波形

发变组差动电流、制动电流以及比率制动特性曲线如图9所示。

图9 发变组差动电流与制动电流的关系

由图9可见，定子匝间故障转为相间短路故障后，发变组三相差流均满足比率制动动作条件，差流最大值超过了差动速断定值5Ie，满足差动速断动作条件，发变组差动保护动作正确。

综合以上分析，本次故障的大致发展过程如下：首先发生定子绕组C相匝间故障（C相首末端短路），造成发电机电流和主变高压侧电流增大，发变组后备保护启动，发电机差动和发变组差动保护启动，由于该机组未配置定子匝间保护专用TV，匝间故障不能被快速切除，故障持续了约2 s后转变成发电机内部B与C相短路故障，随即转变成内部三相短路故障，最后由发电机差动保护和发变组差动保护动作跳闸。故障过程中，发电机差动保护和发变组差动保护之所以在保护启动后2 s多才动作，是因为第1个启动元件是主变高压侧阻抗保护，不是差动保护启动元件，等到定子匝间故障转化成相间短路故障后，才由差动保护快速动作跳闸。

3 发电机解体检查及启示

拆除发电机出线软连接及中心点连接铜排，测量三相绕组对地绝缘为零，随后拆卸发电机汽励两侧人孔门及底部人孔门，检查发电机端部线圈及引线，检查发现C相出线及中性点引线烧熔，B相出线烧损，故障现象与上述故障录波分析结果相吻合。

某大型水电站也发生过类似故障，由于配置了能够灵敏反映定子匝间故障的多重主保护，由裂相横差保护和不完全差动保护快速跳闸，避免了发展为相间短路故障，大大减小了对设备的损伤。可见，大型机组配置定子匝间保护是很有好处的。

有些人认为大型机组的定子同槽上下层线棒同属一相的很少，理论上发生定子匝间短路的可能性很小，认为没有必要配置定子匝间保护。事实上，定子匝间故障不仅仅包括定子匝间短路故障，还包括定子绕组分支开焊故障，并且已多次发生分支开焊故障，因此，从该角度出发，配置定子匝间保护也是必要的。

4 定子匝间保护新原理验证

国内有学者提出了一种由机端对地零序电压和中性点对地零序电压计算纵向零序电压（称为复合零序电压或自产纵向零序电压）的方法，如式（1）所示：

采用以上自产纵向零序电压即可实现不依赖于匝间专用TV的定子匝间保护。

根据该机组相关参数，可求得该机组的自产纵向零序电压调整系数k1和调整系数k2分别为0．852 5和0．258 3。

利用图5所示的机端零序电压和中性点零序电压波形，将以上2个调整系数代入自产纵向零序电压计算式，求得的自产纵向零序电压基波幅值如图10所示。

图10 自产纵向零序电压基波幅值

可见，在本次定子匝间故障过程中，自产纵向零序电压基波幅值可达30 V以上。

1台具有n个并联分支的发电机，当1路分支的α部分发生匝间短路时，假设非故障相电压未发生明显变化，则此时的纵向零序电压为[5]：

式中：xf0为发电机零序阻抗；I0为零序电流。

本案例中该发电机为3个并联分支，当C相1路分支首末端短路时，A与B相电压只是略有降低，并且相角没有发生变化，基本符合式（2）的前提条件，因此，故障时的纵向零序电压理论值（有名值）应为：

纵向零序电压理论值与图10所示的自产纵向零序电压计算值基本吻合。

可见，在此次定子绕组大匝数匝间短路故障中，自产纵向零序电压保护能够可靠动作，可避免匝间短路故障转化成相间短路故障。

5 结语

分析了一起发电机定子匝间短路转相间短路故障的案例，并且得到了一些有益的启示：

（1）定子匝间故障若不能及时切除，可能转化成相间短路故障，对机组造成严重损伤，发电机组应装设定子匝间保护。

（2）对于水轮发电机组，应充分利用发电机中性点侧引出方式灵活的优势，配置单元件横差保护、裂相横差保护和不完全纵差保护等可灵敏反映定子匝间故障的快速保护。

（3）对于火电、核电和燃气轮机组，建议采取以下技术措施：配置匝间专用TV，投入纵向零序电压匝间保护功能；如果专用TV没有安装空间，则可采用自产纵向零序电压保护。

[1]王维俭．电气主设备继电保护原理与应用[M]．北京：中国电力出版社，1996．

[2]邰能灵，朱佳杰．大型超临界汽轮发电机匝间短路故障分析及主保护研究[J]．电力系统自动化，2006，30（20）∶54－58．

[3]俞胜，仇新宏，李哲，等．基于负序电压分布的发电机定子匝间短路保护[J]．电力自动化设备，2010，30（9）∶72－74．

[4]王大鹏，王涛，周宏斌，等．一起定子接地故障及匝间故障引发的继电保护动作行为分析[J]．电力系统保护与控制，2008，36（22）∶82－87．

[5]王维俭，侯炳蕴．大型机组继电保护理论基础[M]．2版．北京：水利电力出版社，1989．

（本文编辑：杨勇）

Analysis on a Internal Translating Fault of Generators and the Enlightenment

LI Jun-bao1，CHEN Jun2
（1．Zhejiang Provincial Energy Group Co．，Ltd．，Hangzhou 310007，China；2．Nanjing Nari-Relays Electric Co．，Ltd．，Nanjing 211102，China）

By taking an internal translating fault of the generator for instance,the paper analyzes waveform of power system and fault report recorded by protective devices．It is determined that the inter-phase short circuit fault comes from inter-turn fault of the stator and the differential protection of the generator and generator transformer unit's action on trip-out．The unit is not configured with special inter-turn TV and stator inter-turn protection and is unable to fast cut off the inter-turn fault of stator，which ultimately develops into inter-phase short circuit．It is suggested that large units of all sorts should be configured with inter-turn fault protection．

generator；stator；inter-turn protection；analysis

TM311

：B

：1007－1881（2013）05－0057－05

2013－01－29

李军保（1965-），男，浙江仙居人，高级工程师，主要从事发电厂电气专业技术管理工作。