樊兵團(tuán) 楊 睿 孫鋼虎 兀鵬越

（1.華能銅川電廠，陜西 銅川 727100；2.西安熱工研究院有限責(zé)任公司，西安 710043）

按照規(guī)程要求，大型發(fā)電機(jī)均配置有定子接地保護(hù)。其中反映基波零序電壓的定子接地保護(hù)，其零序電壓一般取自發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器的副邊負(fù)載電阻抽頭。由于發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)幾乎沒(méi)有零序電壓，因此無(wú)法通過(guò)檢測(cè)零序電壓的辦法確認(rèn)該電壓回路的正確性，導(dǎo)致部分機(jī)組零序電壓回路接線錯(cuò)誤情況下投入運(yùn)行而無(wú)法發(fā)覺(jué)。

華能銅川電廠發(fā)變組保護(hù)系統(tǒng)采用南瑞繼保電氣公司生產(chǎn)的 RCS－985B型微機(jī)成套保護(hù)裝置。2010年6月15日，該廠1號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作，機(jī)組跳閘。在對(duì)該次事故的分析處理過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電壓與中性點(diǎn)零序電壓不一致，深入分析后發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器的副邊負(fù)載電阻抽頭接錯(cuò)，并且另一臺(tái)機(jī)組也有類似問(wèn)題。

1 銅川電廠發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)的簡(jiǎn)介

1.1 銅川電廠機(jī)組簡(jiǎn)介及其定子接地保護(hù)的構(gòu)成

華能銅川電廠一期工程為 2×600MW 亞臨界空冷機(jī)組，兩臺(tái)機(jī)組均采用發(fā)電機(jī)－主變壓器組單元接線，發(fā)電機(jī)出口封母上連接主變壓器、高壓廠用工作變壓器、高壓廠用公用變壓器、勵(lì)磁變壓器，主變壓器經(jīng) 330kV GIS組合斷路器接入 330kV電網(wǎng)。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)采用經(jīng)接地變壓器高阻接地方式，發(fā)變組保護(hù)采用南京南瑞繼保公司的 RCS-985B發(fā)變組成套保護(hù)裝置。主變、廠變、公用變、勵(lì)磁變等主設(shè)備保護(hù)按全面雙重化配置，每臺(tái)機(jī)組設(shè)三面保護(hù)屏，分別為發(fā)變組保護(hù)A屏、發(fā)變組保護(hù)B屏和發(fā)變組保護(hù)C屏，其中發(fā)變組保護(hù)A、B屏為電量保護(hù)，發(fā)變組保護(hù)C屏為非電量保護(hù)。單元主接線和保護(hù)配置情況如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)變壓器主接線

其中發(fā)電機(jī)100%定子接地保護(hù)由兩部分組成，第一部分為反應(yīng)發(fā)電機(jī)基波零序電壓的定子接地保護(hù)，它的保護(hù)區(qū)為發(fā)電機(jī)從機(jī)端至機(jī)內(nèi)85%～95%；第二部分為反應(yīng)發(fā)電機(jī)三次諧波電壓的定子接地保護(hù)，它的保護(hù)區(qū)為發(fā)電機(jī)從中性點(diǎn)至機(jī)內(nèi)25%。其中，基波零序電壓U0取自發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器的副邊負(fù)載電阻抽頭。

1.2 銅川電廠定子接地保護(hù)定值設(shè)置（見(jiàn)表1）

表1 發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)定值

跳閘控制字193B含義為：跳主表高壓側(cè)開(kāi)關(guān)，跳滅磁開(kāi)關(guān)，起動(dòng)廠高工作變分支切換,跳廠高工作變分支開(kāi)關(guān)，起動(dòng)主變高壓側(cè)開(kāi)關(guān)失靈,跳廠高公用變分子開(kāi)關(guān)，關(guān)閉主汽門(mén)。

2 銅川電廠發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作分析

2.1 故障現(xiàn)象

2010年6月15日10：28，#1機(jī)組運(yùn)行，負(fù)荷400MW，協(xié)調(diào)方式，A、B、C、E磨煤機(jī)運(yùn)行，A、B汽泵運(yùn)行。

10：29：02（#1發(fā)變組保護(hù)A柜記錄時(shí)間），#1發(fā)變組保護(hù)A柜、B柜保護(hù)起動(dòng)，相對(duì)1000ms，A、B柜“定子零序電壓”保護(hù)動(dòng)作，動(dòng)作出口：TJ1（跳高壓側(cè)）、TJ3（關(guān)主氣門(mén)）、TJ4（跳滅磁開(kāi)關(guān)）、TJ5（起動(dòng)主變高壓側(cè)開(kāi)關(guān)失靈）、TJ8（跳公用變分支）、TJ11（啟動(dòng)A分支切換，跳A分支）、TJ12（起動(dòng)B分支切換，跳B(niǎo)分支）。保護(hù)動(dòng)作后22.7ms主變斷路器跳開(kāi)，31.7ms滅磁開(kāi)關(guān)跳開(kāi)，42.7ms廠用A分支跳開(kāi)，45.2ms廠用B分支跳開(kāi)。保護(hù)動(dòng)作后快切及備自投起動(dòng)正常，備用電源正常投入。

保護(hù)起動(dòng)后一個(gè)周波內(nèi)的有效值為：發(fā)電機(jī) A相電壓94.49V；發(fā)電機(jī)B相電壓4.8377V；發(fā)電機(jī)C相電壓92.989V；發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電壓88.956V；發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)零序電壓 34.334V；發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電流1.41A;機(jī)端三次諧波電壓14.58V；中性點(diǎn)三次諧波電壓 6.16V；三次諧波電壓差值 23.36V。波形如圖2所示。

圖2 發(fā)電機(jī)電壓波形

2.2 故障分析

1）故障類型判斷[1-3]

由于本廠發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)不直接接地，因此具有一般不接地系統(tǒng)單相短路的共性。即當(dāng)定子單相為金屬性接地時(shí)，接地相對(duì)地電壓為零，非接地相對(duì)地電壓為線電壓，定子絕緣電阻為零，開(kāi)口三角零序電壓為100V；當(dāng)定子單相接地發(fā)生在定子繞組的內(nèi)部或發(fā)電機(jī)出口，且為電阻性（通過(guò)高電阻接地或電弧接地），或接地發(fā)生在發(fā)變組主變壓器低壓繞組內(nèi)，接地相對(duì)地電壓大于零而小于相電壓，非接地相對(duì)地電壓大于相電壓而小于線電壓，開(kāi)口三角零序電壓小于100V。

因此，由故障波形數(shù)據(jù)及以上分析可見(jiàn)，本次故障與發(fā)電機(jī)B相非金屬性接地故障現(xiàn)象相吻合。

2）故障檢查

故障發(fā)生后，用2500V搖表測(cè)量發(fā)電機(jī)定子絕緣見(jiàn)表2，可知發(fā)電機(jī)定子絕緣合格，由此判斷發(fā)電機(jī)定子無(wú)金屬性接地。

表2 故障后發(fā)電機(jī)定子絕緣數(shù)據(jù)

在繼續(xù)對(duì)#1號(hào)機(jī)組勵(lì)磁變壓器進(jìn)行檢查中，發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁變壓器C相二次電流回路電纜下垂，與勵(lì)磁變高壓側(cè)B相裸露母線接觸，并且電纜橡膠外皮及母線裸露出均有放電燒灼痕跡，如圖3所示。因此可以判定，本次定子接地是因?yàn)閯?lì)磁變高壓側(cè)B相母線經(jīng)電流回路二次電纜接地所致。

圖3 故障點(diǎn)實(shí)物照片

電流互感器二次電纜為屏蔽電纜，根據(jù)有關(guān)規(guī)定，電氣二次屏蔽電纜的屏蔽層必須兩點(diǎn)接地。而本次故障中，也未見(jiàn)保護(hù)電流回路有所異常，因此可以判斷出勵(lì)磁變B相母線經(jīng)電流回路二次電纜屏蔽層接地，而未對(duì)電流二次回路造成影響。

仔細(xì)觀察電纜放電燒灼處，電纜絕緣層并未完全被破壞。將該二次電纜兩側(cè)端子解開(kāi)，測(cè)量該電纜各芯對(duì)地及相間絕緣，結(jié)果見(jiàn)表3和表4。

表3 各電纜芯對(duì)地絕緣（單位/MΩ）

表4 各電纜芯相間絕緣（單位/MΩ）

由測(cè)量結(jié)果可見(jiàn)，二次電纜絕緣良好，所以可以肯定本次定子接地故障是由勵(lì)磁變高壓側(cè)B相母線對(duì)電流二次電纜屏蔽層電弧放電所導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)B相非金屬性接地，接地點(diǎn)在定子接地保護(hù)的保護(hù)范圍以內(nèi)，保護(hù)正確動(dòng)作。

2.3 故障處理

由故障現(xiàn)場(chǎng)情況可見(jiàn)，故障原因是電路回路二次電纜安裝走線路徑不合理，距離一次母線太近，而且電纜固定不牢靠。

處理辦法是用絕緣膠帶將電纜燒灼處多層纏繞，并重新對(duì)勵(lì)磁變高壓側(cè)各相電流互感器電纜重新固定，使其遠(yuǎn)離勵(lì)磁變高壓側(cè)母線。

3 零序電壓不一致問(wèn)題的分析處理

3.1 問(wèn)題提出

按照基波零序定子接地保護(hù)原理，本次事故中接地點(diǎn)位于發(fā)電機(jī)機(jī)端，零序電壓理論數(shù)值應(yīng)該為100V。但在發(fā)變組保護(hù)的動(dòng)作報(bào)告中，記錄本次保護(hù)動(dòng)作時(shí)，發(fā)電機(jī)機(jī)端開(kāi)口三角電壓為 88.956V，而發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)零序電壓僅為 34.334V，雖然也大于保護(hù)定值，保護(hù)正確動(dòng)作，但是其數(shù)值顯然不對(duì)。

而從錄波器錄取的波形來(lái)看（見(jiàn)圖2），發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電壓與發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電壓也有較大差異。

3.2 發(fā)電機(jī)單相接地零序電壓分析[4-6]

當(dāng)距發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)α處發(fā)生B相單相接地故障時(shí)（圖4，圖5），則各相機(jī)端對(duì)地電壓為

圖4 發(fā)電機(jī)B相接地示意圖

圖5 發(fā)電機(jī)B相接地時(shí)電壓向量圖

所以，故障點(diǎn)的零序電壓為

對(duì)于金屬性接地，假設(shè)三相電源電勢(shì)和三相對(duì)地電容完全對(duì)稱，并設(shè)故障點(diǎn)位于定子繞組B相距中性點(diǎn)α (α為中性點(diǎn)到故障點(diǎn)的匝數(shù)占一相總數(shù)的百分?jǐn)?shù))處。由于接地電流非常小，定子繞組感抗又遠(yuǎn)小于對(duì)地容抗，所完全可以忽略定子繞組感抗壓降，這樣零序電壓 U0既是發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的位移電壓，也是定子繞組任一相任一點(diǎn)的零序電壓，即：

當(dāng)在機(jī)端接地時(shí)，α=1.0，U0=EB；當(dāng)在中性點(diǎn)接地時(shí)，α=0，U0=0。

當(dāng)故障發(fā)生在定子繞組任一相的任一點(diǎn)a時(shí)，零序電壓U0= aEB，U0與α成線性關(guān)系。

由圖 5可見(jiàn)，單相接地時(shí)中性點(diǎn)電壓升高為aEB，故發(fā)電機(jī)任一點(diǎn)發(fā)生單相接地故障，發(fā)電機(jī)機(jī)端零序與中性點(diǎn)零序電壓一致。

如果發(fā)電機(jī)單相接地經(jīng)過(guò)渡電阻，即非金屬性接地，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)，發(fā)電機(jī)機(jī)端零序與中性點(diǎn)零序電壓也一致。

但在本次故障中，發(fā)電機(jī)機(jī)端零序與中性點(diǎn)零序有較大差異。因此，需要進(jìn)一步分析差異的原因。

3.3 零序電壓差異問(wèn)題分析

華能銅川電廠#1號(hào)機(jī)組發(fā)變組保護(hù)中，機(jī)端零序電壓3U0取自發(fā)電機(jī)機(jī)端PT開(kāi)口三角，中性點(diǎn)零序電壓 U0取自發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器的副邊負(fù)載電阻抽頭ab。如圖6所示。

圖6 接地變二次電阻抽頭示意圖

表5 相關(guān)參數(shù)

本次故障中發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電壓二次值為 88.956V時(shí)，則發(fā)電機(jī)機(jī)端零序一次電壓3U0為

則U0為11299V。

由3.2分析可知此時(shí)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)零序電壓一次值也為11299V，折算到二次側(cè)為

本次故障中，中性點(diǎn)零序二次電壓為 34.334V時(shí)，計(jì)算該電壓所接抽頭電阻阻值（計(jì)算所用參數(shù)見(jiàn)表5）。設(shè)抽頭電阻值為x，則有

計(jì)算得x=0.1198Ω。

當(dāng)發(fā)生發(fā)電機(jī)機(jī)端定子接地時(shí)，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電壓上升為相電壓22kV/1.732，則接地變壓器副邊電壓為 240V/1.732=139V。按照基波零序電壓的定子接地保護(hù)原理，此時(shí)對(duì)應(yīng)的基波零序電壓應(yīng)該為100V，所以接地電阻抽頭應(yīng)該為0.43Ω×100V/139V=0.31Ω。

故障前若將抽頭接到電阻為0.31Ω處，則故障時(shí)中性點(diǎn)零序電壓二次值為：與故障時(shí)機(jī)端零序電壓二次值88.956V相吻合。由此判斷本廠發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)零序電壓抽頭接錯(cuò)位置。

這種分接頭接線錯(cuò)誤的情況下，如果過(guò)渡電阻較大或距離中性點(diǎn)側(cè)較近處發(fā)生接地時(shí)，保護(hù)會(huì)拒動(dòng)，具體分析如下：

本廠定子接地保護(hù)零序電壓靈敏段定值為15V，并且動(dòng)作于跳閘（見(jiàn)表1）。折算到一次側(cè)為根據(jù)此值和3.2分析的結(jié)論（當(dāng)故障發(fā)生在定子繞組任一相的任一點(diǎn) α?xí)r，零序電壓U0=αEB，U0與α成線性關(guān)系。α為中性點(diǎn)到故障點(diǎn)的匝數(shù)占一相總數(shù)的百分?jǐn)?shù)。）計(jì)算臨界故障點(diǎn)。當(dāng)故障點(diǎn)位于0～38.8%區(qū)間，定子接地保護(hù)零序電壓元件可能會(huì)拒動(dòng)。當(dāng)過(guò)度電阻較大時(shí)拒動(dòng)范圍可能更大。

對(duì)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變二次抽頭接線進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)1號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變二次電阻抽頭接到阻值為0.12Ω電阻兩端，即ab兩端（見(jiàn)圖6）。也即發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)零序電壓抽頭接錯(cuò)位置，實(shí)際需要抽頭為0.31Ω，而現(xiàn)場(chǎng)接線為0.12Ω。

由此可見(jiàn)，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)零序電壓抽頭接錯(cuò)位置是導(dǎo)致本次機(jī)端零序電壓與中性點(diǎn)零序電壓始終不一致的根本原因。

3.4 問(wèn)題處理及思考

為了準(zhǔn)確驗(yàn)證負(fù)載電阻抽頭大小，拆除接地變二次側(cè)接線，在負(fù)載電阻ac兩端加入240V電壓，測(cè) bc兩端電壓為 174V。則 0.43Ω×174V/240V=0.31Ω，因此確認(rèn)抽頭位置與銘牌參數(shù)一致。

將中性點(diǎn)零序電壓接線位置糾正后，再次起動(dòng)發(fā)電機(jī)，在保護(hù)裝置上觀察發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電壓和中性點(diǎn)零序電壓采樣，幅值大小相等，正常工況下為0.3V左右。

值得思考的是，經(jīng)檢查該廠2號(hào)機(jī)組也存在接地變負(fù)載分接頭位置接錯(cuò)的問(wèn)題，由于機(jī)組投運(yùn)以來(lái)未發(fā)生接地故障，因此該問(wèn)題也被隱藏，長(zhǎng)期運(yùn)行未能發(fā)現(xiàn)。

由于發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生零序電壓，而發(fā)電機(jī)啟動(dòng)試驗(yàn)中，一般也不要求做定子接地試驗(yàn)，因此對(duì)于零序電壓回路的正確性無(wú)法觀察到實(shí)際的電壓，因此零序回路的錯(cuò)誤很難發(fā)現(xiàn)。該廠兩臺(tái)機(jī)組分別由不同的單位進(jìn)行啟動(dòng)調(diào)試，均未檢查出此問(wèn)題。

因此，建議相關(guān)人員除了對(duì)電壓回路的原理深入理解以外，還應(yīng)該在發(fā)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行定子接地試驗(yàn)，比如在10%額定電壓下進(jìn)行定子接地試驗(yàn)，以實(shí)際檢驗(yàn)零序電壓回路的正確性。

4 結(jié)論

發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生零序電壓，因此無(wú)法用檢測(cè)實(shí)際零序電壓的方法來(lái)確認(rèn)零序電壓回路的正確性，容易導(dǎo)致零序電壓回路的錯(cuò)誤被長(zhǎng)期掩蓋，對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行留下隱患。本文描述的一起的發(fā)電機(jī)定子接地事故充分說(shuō)明了這一問(wèn)題的客觀存在，而這種錯(cuò)誤在常規(guī)試驗(yàn)過(guò)程中很難發(fā)現(xiàn)，建議在條件允許的情況下進(jìn)行定子接地試驗(yàn)，以實(shí)際零序電壓來(lái)檢驗(yàn)零序電壓接線的正確性。

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