大型发电机谐振引起的定子接地保护误动原因分析

高鹏，梁基重，董乃芬

（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原030001）

大型发电机谐振引起的定子接地保护误动原因分析

高鹏，梁基重，董乃芬

（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原030001）

针对山西省内多起大型发电机谐振引起定子接地保护误动的故障，介绍了故障发生时的情况，从发电机中性点消弧线圈挡位选择、发电机出口电压互感器等方面入手，分析了导致发电机定子接地保护误动的原因，最后提出避免大型发电机定子接地保护误动的措施和建议。

发电机；定子接地保护；误动

0 引言

近年来，山西省电力系统发生多起大型发电机谐振引起定子接地保护误动故障，导致发电机停运，影响电网稳定运行，带来重大经济损失。保护动作后，对发电机进行相关电气试验，结果显示发电机定子绝缘正常。对保护进行校验，其二次回路定值、动作逻辑均符合要求。本文对多起发电机定子接地保护误动故障进行分析，找出引起保护误动的原因，并提出相关措施建议，避免大型发电机定子接地保护误动作，保障电力系统安全稳定运行。

1 发电机中性点消弧线圈位置不当引起保护误动

1.1 故障现象

某电厂1台捷克产500MW发电机A，在电机正常运行过程中，带负荷480MW。发电机接地保护突然动作、发电机退出电网运行。故障指示，发电机A定子单相接地。系统出线电压互感器PT（Potential Transformer）的开口三角变电压为14 V，达到单相接地保护动作电压，保护动作。停机后，对发电机A本体做各种电气试验，包括定子线棒交直流耐压试验，全部试验顺利通过，没有发现任何绝缘问题，判定发电机A不存在定子接地问题。

本机组曾更换1台单相主变压器。更换以后，发电机出线PT的开口三角变出现8 V电压。此电压低于继电保护系统的动作电压，但是，此电压已接近保护动作电压（12 V）。在没有调整此电压的情况下，发电机长期运行。事故当天天气为雨天，发电机对地电容受空气湿度影响，介电常数发生改变，三相不平衡度更加严重，发电机中性点电压偏移更加严重，致使保护动作。

1.2 原因分析

现代电力系统中的大型发电机中性点接地方式，大多采用谐振接地方式或高电阻接地方式[1,2]。谐振接地方式时，中性点接入的消弧线圈L与发电机对地电容3 C0处于串联谐振状态，其等效电路图如图1所示。

发电机系统出线PT的3 U0为三相相电压之和，当三相相电压幅值相等时，3U0为零。实际运行中，发电机系统三相电容量不会完全相同，发电机系统的不平衡会造成发电机中性点电压产生偏移，造成三相相电压幅值不相同，导致在PT开口三角处产生零序电压，引起零序电压保护误动。图2为发电机相电压变化矢量图。

图1 发电机中性点经消弧线圈接地的等效电路

图2 发电机相电压变化矢量图

图3 发电机A的PT开口三角变电压与消弧线圈档位特性曲线

1.3 采取措施

在空载情况下，对发电机A做试验，改变发电机中性点消弧线圈挡位，测量发电机出线PT的开口三角变电压，其特性曲线如图3所示。此发电机中性点电抗器为连续可调式、调整铁芯间隙式电抗器。按照试验曲线，调整中性点消弧线圈挡位，降低中性点电压，发电机重新启动、并网，恢复正常发电。

2 发电机出口PT引起铁磁谐振

2.1 故障现象

某国产300MW发电机B大修后，在并网时，三相相电压严重不平衡，导致保护动作，无法并网发电。经过多次并网都无法成功。并网过程中出现一种现象，每次并网发电机出线避雷器都有一相动作，但有时另一相也有动作情况，但大多数只是其中一相动作，无法完成发电机并网运行。

2.2 原因分析

在电力系统中，铁磁谐振是一个常见的故障。当产生某种冲击扰动时，如断路器的突然合闸、电网产生瞬时接地等，都可能使一相或两相对地电压瞬间升高，致使电压互感器的铁芯饱和，激磁电感下降。在某些情况下，电压互感器的非线性电感和系统的对地电容产生铁磁谐振。系统发生PT谐振时产生的过电压并不高，不会危及系统设备的正常绝缘，但谐振具有稳定性，若不采取措施消除就会持续存在[3]。

在含有铁芯的电感元件的回路中，由于铁芯会出现饱和现象，这时电感不再是常数，它是电流或磁通的非线性函数。在满足一定条件时就会产生铁磁谐振现象，这是一种非线性谐振。简单地说，铁磁谐振是电路由于铁芯饱和而引起的一种跃变，这一跃变使得电路由原来的电感性工作状态转变为电容性工作状态，在跃变过程中电流激增，电压也随着增加，从而产生了过电压。

为了分析铁磁谐振过电压，先讨论最简单的有铁磁元件的振荡电路，如图4所示。图4中非线性电感及线性电容元件的伏安特性分别为图5中UL曲线及UC直线。

图4 串联铁磁谐振电路

由图5可见，当ωL＞1/ωC时，电流为感性的，ΔU=UL-UC；随着回路电流增大，铁芯饱和，电感降低；当ωL＜1/ωC时，电流为容性的，此时ΔU=UC-UL。由回路的电势平衡关系ΔU=|UC-UL|可知，回路的工作点为ΔU曲线与外加电压E水平线的交点，在图示的参数条件下，有a、b、c 3个交点，这3点都可决定回路的工作状态，但其性能是不一样的。

首先要分析的是各点的电气性能。图5中a点是稳定工作点。假定由于偶然的因素使电流稍许上升一点，相应的UL和UC都要上升，而UL上升比UC快，ΔU=|UC-UL|值也要上升。这时E低于电流上升后的ΔU值，维持不了这个电流，于是电流逐渐下降，直到a点才恢复平衡。假定由于偶然的因素使电流稍许下降。UL和UC都要下降，UL下降比UC快，|UC-UL|=ΔU＜E，电源电压高于这时的ΔU值，迫使电流逐渐上升，回到a点才恢复平衡。用同样的方法分析b、c点，对应于图5中的b是不稳定工作点，c是稳定工作点。

图5 串联铁磁谐振电路伏安特性

如果外加电压从零上升，电流相应地从零上升，可以断定一定会在a点稳定下来，因为不可能出现越过a相应的电流而达到c的电流这种情况。而当电感经受了巨大的电流冲击（如突然合闸的巨大涌流，或巨大的短路电流），使得达到不稳定的b点，这时就可能转到c点（这就取决于过渡过程的激烈程度），此时UL和UC的值都较大（过电压），电路便发生了铁磁谐振，c点即为谐振点。由于c点的稳定性谐振状态可以“自保持”，能维持很长时间而不衰减。

由于发电机三相对地电容的不平衡，铁磁谐振一般发生在三相中的一相或者两相。

2.3 采取措施

通过试验，在开口三角PT串接一电阻，改变PT中的电流，使PT的电感量改变，改变了谐振点，使发电机不产生谐振，这时可以并网发电，但是接一电阻会使发电机保护受到一定影响。最后采用调整发电机中性点电抗器和更换发电机出口PT的方法，使故障得到解决。

3 防止发电机定子接地保护误动的措施和建议

a）大型发电机中性点接地消弧线圈作用是补偿对地电容电流，降低发电机短路电流容量。其挡位位置的选择会直接影响发电机中性点电压偏移程度，甚至影响发电机单相接地保护。通过对发电机单相接地试验，消除理论值与实际需要补偿值之间的误差，选择合适的消弧线圈的补偿位置及补偿配置，可以有效解决由于发电机相电压不平衡引起的单相接地保护动作误动现象。

b）发电机出口处选用励磁特性饱和点较高的电磁式电压互感器[4]。

c）减少同一系统中电压互感器中性点接地的数量，除电源侧电压互感器高压绕组中性点接地外，其他电压互感器中性点尽可能不接地。

［1］吴湘黔，高尚政，马晓红.发电机消弧线圈挡位的选取［J］.高电压技术，2007，3（12）：211-213.

［2］汪雁，王晓瑜，钱冠军，等.发电机中性点经消弧线圈接地的位移电压［J］.高电压技术，1999，25（3）：84-85.

［3］贺秋丽，余奎，李如琦，等.铁磁谐振及其消除原理分析［J］.广西大学学报：自然科学版，2011，36（2）：320-324.

［4］中华人民共和国电力工业部.DL/T 620—1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合［S］.北京：中国电力出版社，1997.

Analysis of Resonance-caused Stator Ground Protection M al-operation of Large Capacity Generator

GAO Peng，LIANG Ji-chong，DONG Nai-fen
（State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

Focusing on the faults of some large capacity generator stator ground protectionmal-operation in Shanxiprovince，this paper briefly introduces the situations when the faults occurred.It analyses the causes leading to generator stator grounding protection mal-operation from the the aspects including gear selection of arc suppression coil at generator neutral point and voltage transformer at generator outlet.At last，themeasures and suggestions for avoiding large capacity generator stator grounding protection mal-operation are put forward.

generator；statorgrounding protection；mal-operation

TM307

B

1671-0320（2014）04-0006-03

2014-03-18，

2014-06-02

高鹏（1985-），男，山西祁县人，2010年毕业于清华大学电力系统及其自动化专业，工程师，从事高压电气设备技术监督工作；

梁基重（1985-），男，山西平遥人，2010年毕业于西安交通大学高电压与绝缘技术专业，工程师，从事高压电气设备技术监督工作；

董乃芬（1954-），男，山西太原人，1978年毕业于山西大学光电子专业，高级工程师，从事发电机绝缘监督工作。