发电机定子绕组单相接地保护动作的分析

郝润涛

(山东新龙集团有限公司，山东 潍坊 262700)

发电机定子绕组单相接地保护动作的分析

郝润涛

(山东新龙集团有限公司，山东 潍坊 262700)

介绍了一起发电机基波3 U0定子接地保护动作跳闸的事故，阐述了发电机基波零序电压与三次谐波电压共同构成的100%定子接地保护原理，详细分析了事故发生的原因，并提出了相应的预防措施。

定子绕组；单相接地；接地保护；开口三角电压

0 引言

发电机定子接地故障是最常见的发电机故障。发电机定子接地后，接地电流经故障点三相对地电容、三相定子绕组构成通路。当接地电流较大时，能在故障点引起电弧，造成定子绕组和定子铁芯烧伤，甚至可能造成相间或匝间短路。当电厂发电机定子接地保护动作时，现场运行及检修人员应及时掌握发电机一、二次设备及保护动作信息，并立即进行分析、判断和处理，确保机组安全稳定运行。

1 事件经过

2011-03-24T13:30，某电厂7号发电机组运行时突发“基波3U0动作信号”，发电机保护动作跳闸，造成厂用电系统瓦解。发电机跳闸后，检查为发电机定子绕组单相接地基波零序保护动作。随即对发电机一、二次设备，发电机本体，母线，TV(电压互感器)，TA(电流互感器)，避雷器，主变及其附属设备进行检查，均未发现明显异常，测量发电机定子绕组对地绝缘电阻合格。在确认发电机无异常的情况下，重新将其并入系统后发现，发电机机端TV开口三角电压值异常并存在波动。

2 发电机定子单相接地保护原理

该电厂的7号发电机经中性点TV接地，采用基波零序电压与三次谐波电压共同构成的100%定子接地保护，其接线示意如图1所示。

图1 发电机的一次接线

当发电机定子绕组单相接地时，同中性点非直接接地电网发生单相接地故障一样，故障点将出现零序电压，且零序电压与故障点距中性点的距离成正比。当中性点附近发生单相接地故障时，故障点零序电压为0；当故障点越靠近中性点时，其零序电压越小，甚至可小于微机保护的整定值而出现保护的“死区”。这时发电机的三次谐波电压构成的定子接地保护，可消除零序电压保护的“死区”。其原理是：利用正常运行时发电机中性点的三次谐波电压值比发电机机端的三次谐波电压大，而发生发电机内部定子绕组单相接地故障时，发电机机端的三次谐波电压却比中性点的三次谐波电压大的特点，设定发电机机端的三次谐波电压为动作量，中性点的三次谐波电压为制动量，当动作量大于制动量时，保护动作，正常时保护制动。

某公司生产的PA300-G型发电机综合保护装置，其定子接地保护有以下2种方式。

(1) 基波3U0或U0定子接地保护。基波3U0或U0定子接地保护反应85%～95%的定子绕组单相接地故障。保护装置采集2个零序电压，即发电机机端TV开口三角绕组零序电压3 U0和中性点TV二次侧零序电压U0，此保护可滤除三次谐波分量，只反应基波分量。3U0和U0以躲过正常运行时机端TV开口三角绕组或中性点单相TV二次侧可能出现的最大基波零序电压来整定，动作定值为12 V，其保护逻辑如图2所示。

图2 基波3 U0或U0定子接地保护

(2) 三次谐波定子接地保护。三次谐波电压定子接地保护反应发电机中性点20%～30%的定子绕组单相接地故障。机端侧三次谐波电压取自机端TV开口三角零序电压，中性点三次谐波电压取自发电机中性点TV二次电压，以保护装置测取的三次谐波电压作为保护判据。

该装置谐波制动系数分为2种：K1为并网前谐波制动系数，K2为并网后谐波制动系数。整定原则是，躲开正常运行时机端三次谐波电压与中性点三次谐波电压的比值为最大值，即U0T(三次)/U0N(三次)为最大值。其保护逻辑如图3所示。

图3 并网前后的三次谐波定子接地保护逻辑

图3中:K1U0N(三次)为并网前制动量；K2U0N(三次)为并网后制动量；U0T(三次)为动作量。

3 基波3 U0定子接地保护动作分析

根据发电机定子单相接地保护原理，7号发电机组定子接地保护的基波零序电压3U0，取自机端TV的开口三角形绕组，动作定值为12 V。正常运行时，机端TV开口三角不平衡电压有基波和三次谐波2种。当高压侧发生单相接地故障时，高压系统通过变压器高、低压绕组间的电容耦合传给发电机机端的零序电压，可能超过定子接地保护的动作电压。检修人员对系统进行详细检查后排除了高压侧接地故障的可能。通过查阅保护事件记录可知，定子接地保护动作报告显示，基波零序电压3U0为12.34 V，已超过了定子接地保护定值12 V，因而保护动作跳闸解列发电机。而在此次事件中，三次谐波保护未动作，即排除了中性点附近接地故障的可能。测量发电机对地绝缘电阻为10MΩ，则排除了定子绕组接地的可能。并列后，测量机端TV开口三角电压为6 V，且数值不稳定，随着负荷的增加而不断升高，但机端TV三相对地电压值无变化，发电机三相电压值正常。

由此可判断发电机定子绕组并没有发生接地故障，而是由于机端TV开口三角电压3U0异常波动并超过保护整定值而导致了保护动作跳闸事故。

4 开口三角电压异常原因分析

停机后，检修人员对机端TV开口三角电压异常波动原因进行排查。首先对机端TV一、二次接线，高、低压熔断器进行了详细的检查，未发现明显异常。此次事故中，TV三相对地电压值正常，排除了谐振过电压造成开口三角电压升高的可能。其次，对机端TV进行了相应的试验测试，发现TV泄漏电流严重超标，主要原因是机端TV非全绝缘型，且安装在发电机0m层，该层环境潮湿，TV受潮引发对地闪络而导致开口三角电压异常波动。

为消除设备隐患，可将机端TV更换为全绝缘型TV，并加强对TV的巡检工作，定期测量发电机0m层的湿度、TV温度及二次电压值，并将保护装置检测到的3 U0基波零序电压传送至运行人员值班的监视电脑界面，以方便运行人员观察并记录机组不同运行工况下数值的变化情况，一旦发现异常及时处理。同时，将保护定值提高为15 V，确保躲过机组运行时产生的不平衡电压。自实施上述措施以来，机组运行至今未发现异常。

5 结束语

当发电机系统设备发生故障，并伴随继电保护动作报警和跳闸时，应根据当时的报警信号和保护动作情况，对发电机一、二次相关设备分别进行排查，迅速判断设备故障点及保护动作是否正确，以便确定故障原因并及时处理。应加强对发电机组相关设备的检查和测试，改善设备运行环境，采取防止设备运行异常的措施，及时消除设备隐患，全面提高机组的安全运行水平。

2013-11-16。

郝润涛(1981-)，男，技师，主要从事热电厂电气运行工作，email：haoruntao0526@163.com。