一起断路器机械故障电压异常事件分析

李家汉，梁 刚，浦 通，刘远飞

（1.中国长江电力股份有限公司白鹤滩电厂筹建处，四川 凉山615400； 2.云南电网有限责任公司昆明供电局，云南 昆明650000； 3.云南送变电工程有限公司，云南 昆明650000）

1 引言

发电机在正常解列或并网早期机端电流极小，甚至无电流，在此过程中若发生非全相或单相接地故障，通过电流量很难反映或判别故障类型，在故障判别和诊断过程中电压量就起到关键作用，而非全相运行时故障电压会呈现出和单相接地故障类似的特征，很难通过现象定性判别出故障类型，给故障排查带来一定困难。大型发电机为满足电网安全稳定运行要求，出口断路器一般采用三相联动操作机构，常规非全相保护由三相不一致辅助接点和负序电流判据构成，不适用于三相联动断路器，而发电机出口断路器因为机械故障导致非全相事故在国内时有发生。对未设置非全相保护的GCB，从保护一次系统角度考虑，维护人员熟练掌握故障分析方法，迅速根据保护装置报警信号判别出故障类型对及早发现设备异常状态、防止安全生产事故尤为重要。

2 事故简介

2019 年01 月24 日22：27，某电厂1FB 减功率到零正常停机断开发电机出口断路器，启动逆变灭磁过程中，监控系统显示变压器A、B 套保护装置零序电压（低压侧）报警动作，发电机A 套保护装置注入式定子接地灵敏段报警动作，报警信号一直持续，直至断开隔离刀闸，切断与系统侧联系，投入消谐装置消除谐振后，装置报警信号才复归，随即维护人员分专业展开现场检查工作，事件详细过程见表1。

表1 事件过程记录时序

3 保护装置动作分析

3.1 变压器保护动作情况分析

3.1.1 主变低压侧零序电压报警分析

分析故障录波波形可知，22：27：28，主变低压侧零序电压3U0达到10 V，并持续增大，此时零序电压3U0大于低压侧零序电压报警定值10 V，满足主变低压侧零序电压报警条件，延时4.5 s 后，报“主变低压侧零序电压报警”；22：29：37，拉开隔离刀闸导致系统参数发生变化引发主变低压侧谐振，零序电压3U0大于报警定值，“主变低压侧零序电压报警”持续报出，直至22：38：57，投入消谐装置消除谐振后，主变低压侧零序电压3U0降低至报警定值以下，“主变低压侧零序电压报警”信号才复归，以上时刻与变压器保护装置报警动作时刻基本相符。

3.1.2 主变低压侧TV 断线报警分析

分析故障录波波形可知，22：29：37，拉开隔离刀闸后，系统参数发生变化引发主变低压侧谐振，主变低压侧负序电压值U2达到2.668 V，负序电压3U2大于8 V，满足TV 断线判据，延时10 s 后，报“主变低压侧TV 断线”；22：38：57，投入消谐装置消除谐振后，主变低压侧负序电压U2降至2.667 V 以下，负序电压3U2小于8 V，延时10 s 后，“主变低压侧TV 断线”信号复归，以上时刻与变压器保护装置报警动作时刻基本相符。

3.2 发电机保护动作情况分析

查看发电机保护装置动作报文，22：27：34，发电机A 套保护装置报“注入式接地灵敏信号”，发电机B 套保护装置无报警信号。查看保护装置定值单，发电机定子绕组高定值：报警定值5 kΩ，延时定值5 s；发电机定子绕组低定值：跳闸定值1 kΩ，延时定值0.5 s。查看发电机A 套保护装置定子接地保护装置报文显示，定子接地电阻为2.04 kΩ，低于定子绕组高定值，高于定子绕组低定值，发电机A 套保护装置报警动作正确。22：28：58，制动开关投入后闭锁定子接地保护，发电机A 套保护注入式定子接地报警信号复归。

4 事故原因分析

该电厂发电机机端额定电压为20 kV，中性点经接地变接地，发电机出口经封闭母线与GCB 连接，变压器与无穷大系统连接，发电机与变压器低压侧之间组成了局部不接地系统。主变低压侧零序电压一般由接地、断相或谐振引起，根据事件过程及故障录波记录，发电机中性点接地变零序电流互感器（ZCT1）在报警期间有零序电流约为0.36 A，由此可判断发电机定子绕组至GCB 段未发生接地故障（若此段发生接地故障，中性点接地变零序回路无法形成），主变低压侧零序电压产生可初步定性为两种情况：①如图1 所示，GCB 未断开C 相导致局部不接地系统非全相运行；②如图2 所示，局部不接地系统发生单相接地故障，且由录波分析可知故障时最高相电压高于1.5 倍的额定电压，判定电压最低相C相为接地相[1]。下文通过具体计算来分析两种情形产生异常电压情况。

图1 假设GCB 的C 相未断开导致系统非全相运行示意

在对电压进行定量分析计算时，若系统对地绝缘电压很高，可忽略系统对地电导，仅考虑系统对地电容[1]。设局部不接地系统故障时三相对地电容分别为CA、CB、CC，故障相对地电阻为R，主变低压侧三相电压分别为

图2 假设局部不接地系统发生C 相接地故障示意

根据基尔霍夫电流定律列节点电压方程：

得中性点对地电压：

该电厂局部不接地系统对地电容及接地变电阻参数见表2，其中PT 变比为20 kV/0.1 kV/（0.1 kV/3），代入相关数值进行计算分析。

表2 局部不接地系统对地电容及接地变电阻参数

（1）假设此局部不接地系统发生C 相接地故障，则A、B、C 三相对地电容均为GCB 靠主变侧电容，即：CA=CB=CC=Ct，中性点对地电压为：

式中R为假设C 相发生接地故障时的实际接地电阻值，根据实际录波数据，取零序电压二次有效值U0为92～95 V，额定电压Un为，带入上式计算得接地电阻一次值R为1.342 9～1.738 9 Ω，此接地阻值偏小，接近等于零，C 相近似为金属性接地故障。根据电力系统运行经验，当发生金属性接地故障且该故障持续时间较长时，一次设备会出现不同程度的烧伤点，而现场检查并未发现明显的接地故障点，现场对局部不接地系统做绝缘试验，各处绝缘测试均合格，缺乏有力的证据证明发生了单相接地故障。

（2）假设此局部不接地系统GCB C 相未断开造成非全相运行，则A、B 两相对地电容均为GCB 靠主变侧电容，即：CA=CB=Ct，C 相对地电容为GCB 靠主变侧电容加上3 倍的定子电容与GCB 发电机侧电容之和，即：CC=Ct+3（Cg+Cd），C 相对地电阻为接地变电阻，即：R=Rn，则中性点对地电压为：

将各项参数代入数值计算，中性点对地电压，A、B、C 三相电压一次值分别为：

将一次值折算到二次侧，中性点对地电压，A、B、C 三相电压二次有效值分别为：

通过上述非全相运行计算推导出的A 相电压96.96 V，B 相电压96.96 V，C 相电压3.52 V，零序电压93.89 V 分布特征与故障录波数据记录的主变低压侧各项电压差值浮动在合理区间内，考虑故障录波数据采样率低和系统参数计算误差的影响，计算的故障电压与实际的故障电压基本吻合。

结合以上两种假设的计算分析，综合考虑实际故障时C 相故障电压波形平滑，无尖峰脉冲，一次设备绝缘正常，未有明显的接地烧伤点，推断此局部不接地系统未发生单相接地故障，而是由于GCB 本体偶发性的机械故障导致非全相运行，造成主变低压侧对地三相电容极度不对称，中性点发生偏移，三相电压和零序电压呈现和单相接地类似的故障特征，属于虚假单相接地现象。而对于发电机注入式定子接地保护动作情况，维护人员对相关回路及元器件进行检查未见异常，进行发电机零起升压、发变组零起升压试验未发生异常报警信号，初步推断注入式定子接地保护受到20 Hz 相角偏移的影响，导致测量电阻低于定值报警。

5 结论

本文分析了一起大型发电机减功率到零正常停机过程中，GCB 分闸时因开关本体偶发性的机械故障导致C 相未断开，引起局部不接地系统非全相运行，电压呈现虚假单相接地现象的典型案列，通过对比GCB 单相接地故障和C 相未断开非全相运行的定量计算分析，结合继电保护装置动作报文、故障录波波形和现场检查结果推断出了故障类型，分析了继电保护装置的动作结果正确性，针对此类电压异常现象给电站维护人员提供了一种故障分析及排查思路。