高鵬，梁基重，董乃芬

（國網(wǎng)山西省電力公司電力科學研究院，山西太原030001）

大型發(fā)電機諧振引起的定子接地保護誤動原因分析

高鵬，梁基重，董乃芬

（國網(wǎng)山西省電力公司電力科學研究院，山西太原030001）

針對山西省內(nèi)多起大型發(fā)電機諧振引起定子接地保護誤動的故障，介紹了故障發(fā)生時的情況，從發(fā)電機中性點消弧線圈擋位選擇、發(fā)電機出口電壓互感器等方面入手，分析了導致發(fā)電機定子接地保護誤動的原因，最后提出避免大型發(fā)電機定子接地保護誤動的措施和建議。

發(fā)電機；定子接地保護；誤動

0 引言

近年來，山西省電力系統(tǒng)發(fā)生多起大型發(fā)電機諧振引起定子接地保護誤動故障，導致發(fā)電機停運，影響電網(wǎng)穩(wěn)定運行，帶來重大經(jīng)濟損失。保護動作后，對發(fā)電機進行相關電氣試驗，結(jié)果顯示發(fā)電機定子絕緣正常。對保護進行校驗，其二次回路定值、動作邏輯均符合要求。本文對多起發(fā)電機定子接地保護誤動故障進行分析，找出引起保護誤動的原因，并提出相關措施建議，避免大型發(fā)電機定子接地保護誤動作，保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

1 發(fā)電機中性點消弧線圈位置不當引起保護誤動

1.1 故障現(xiàn)象

某電廠1臺捷克產(chǎn)500MW發(fā)電機A，在電機正常運行過程中，帶負荷480MW。發(fā)電機接地保護突然動作、發(fā)電機退出電網(wǎng)運行。故障指示，發(fā)電機A定子單相接地。系統(tǒng)出線電壓互感器PT（Potential Transformer）的開口三角變電壓為14 V，達到單相接地保護動作電壓，保護動作。停機后，對發(fā)電機A本體做各種電氣試驗，包括定子線棒交直流耐壓試驗，全部試驗順利通過，沒有發(fā)現(xiàn)任何絕緣問題，判定發(fā)電機A不存在定子接地問題。

本機組曾更換1臺單相主變壓器。更換以后，發(fā)電機出線PT的開口三角變出現(xiàn)8 V電壓。此電壓低于繼電保護系統(tǒng)的動作電壓，但是，此電壓已接近保護動作電壓（12 V）。在沒有調(diào)整此電壓的情況下，發(fā)電機長期運行。事故當天天氣為雨天，發(fā)電機對地電容受空氣濕度影響，介電常數(shù)發(fā)生改變，三相不平衡度更加嚴重，發(fā)電機中性點電壓偏移更加嚴重，致使保護動作。

1.2 原因分析

現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的大型發(fā)電機中性點接地方式，大多采用諧振接地方式或高電阻接地方式[1,2]。諧振接地方式時，中性點接入的消弧線圈L與發(fā)電機對地電容3 C0處于串聯(lián)諧振狀態(tài)，其等效電路圖如圖1所示。

發(fā)電機系統(tǒng)出線PT的3 U0為三相相電壓之和，當三相相電壓幅值相等時，3U0為零。實際運行中，發(fā)電機系統(tǒng)三相電容量不會完全相同，發(fā)電機系統(tǒng)的不平衡會造成發(fā)電機中性點電壓產(chǎn)生偏移，造成三相相電壓幅值不相同，導致在PT開口三角處產(chǎn)生零序電壓，引起零序電壓保護誤動。圖2為發(fā)電機相電壓變化矢量圖。

圖1 發(fā)電機中性點經(jīng)消弧線圈接地的等效電路

圖2 發(fā)電機相電壓變化矢量圖

圖3 發(fā)電機A的PT開口三角變電壓與消弧線圈檔位特性曲線

1.3 采取措施

在空載情況下，對發(fā)電機A做試驗，改變發(fā)電機中性點消弧線圈擋位，測量發(fā)電機出線PT的開口三角變電壓，其特性曲線如圖3所示。此發(fā)電機中性點電抗器為連續(xù)可調(diào)式、調(diào)整鐵芯間隙式電抗器。按照試驗曲線，調(diào)整中性點消弧線圈擋位，降低中性點電壓，發(fā)電機重新啟動、并網(wǎng)，恢復正常發(fā)電。

2 發(fā)電機出口PT引起鐵磁諧振

2.1 故障現(xiàn)象

某國產(chǎn)300MW發(fā)電機B大修后，在并網(wǎng)時，三相相電壓嚴重不平衡，導致保護動作，無法并網(wǎng)發(fā)電。經(jīng)過多次并網(wǎng)都無法成功。并網(wǎng)過程中出現(xiàn)一種現(xiàn)象，每次并網(wǎng)發(fā)電機出線避雷器都有一相動作，但有時另一相也有動作情況，但大多數(shù)只是其中一相動作，無法完成發(fā)電機并網(wǎng)運行。

2.2 原因分析

在電力系統(tǒng)中，鐵磁諧振是一個常見的故障。當產(chǎn)生某種沖擊擾動時，如斷路器的突然合閘、電網(wǎng)產(chǎn)生瞬時接地等，都可能使一相或兩相對地電壓瞬間升高，致使電壓互感器的鐵芯飽和，激磁電感下降。在某些情況下，電壓互感器的非線性電感和系統(tǒng)的對地電容產(chǎn)生鐵磁諧振。系統(tǒng)發(fā)生PT諧振時產(chǎn)生的過電壓并不高，不會危及系統(tǒng)設備的正常絕緣，但諧振具有穩(wěn)定性，若不采取措施消除就會持續(xù)存在[3]。

在含有鐵芯的電感元件的回路中，由于鐵芯會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，這時電感不再是常數(shù)，它是電流或磁通的非線性函數(shù)。在滿足一定條件時就會產(chǎn)生鐵磁諧振現(xiàn)象，這是一種非線性諧振。簡單地說，鐵磁諧振是電路由于鐵芯飽和而引起的一種躍變，這一躍變使得電路由原來的電感性工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙菪怨ぷ鳡顟B(tài)，在躍變過程中電流激增，電壓也隨著增加，從而產(chǎn)生了過電壓。

為了分析鐵磁諧振過電壓，先討論最簡單的有鐵磁元件的振蕩電路，如圖4所示。圖4中非線性電感及線性電容元件的伏安特性分別為圖5中UL曲線及UC直線。

圖4 串聯(lián)鐵磁諧振電路

由圖5可見，當ωL＞1/ωC時，電流為感性的，ΔU=UL-UC；隨著回路電流增大，鐵芯飽和，電感降低；當ωL＜1/ωC時，電流為容性的，此時ΔU=UC-UL。由回路的電勢平衡關系ΔU=|UC-UL|可知，回路的工作點為ΔU曲線與外加電壓E水平線的交點，在圖示的參數(shù)條件下，有a、b、c 3個交點，這3點都可決定回路的工作狀態(tài)，但其性能是不一樣的。

首先要分析的是各點的電氣性能。圖5中a點是穩(wěn)定工作點。假定由于偶然的因素使電流稍許上升一點，相應的UL和UC都要上升，而UL上升比UC快，ΔU=|UC-UL|值也要上升。這時E低于電流上升后的ΔU值，維持不了這個電流，于是電流逐漸下降，直到a點才恢復平衡。假定由于偶然的因素使電流稍許下降。UL和UC都要下降，UL下降比UC快，|UC-UL|=ΔU＜E，電源電壓高于這時的ΔU值，迫使電流逐漸上升，回到a點才恢復平衡。用同樣的方法分析b、c點，對應于圖5中的b是不穩(wěn)定工作點，c是穩(wěn)定工作點。

圖5 串聯(lián)鐵磁諧振電路伏安特性

如果外加電壓從零上升，電流相應地從零上升，可以斷定一定會在a點穩(wěn)定下來，因為不可能出現(xiàn)越過a相應的電流而達到c的電流這種情況。而當電感經(jīng)受了巨大的電流沖擊（如突然合閘的巨大涌流，或巨大的短路電流），使得達到不穩(wěn)定的b點，這時就可能轉(zhuǎn)到c點（這就取決于過渡過程的激烈程度），此時UL和UC的值都較大（過電壓），電路便發(fā)生了鐵磁諧振，c點即為諧振點。由于c點的穩(wěn)定性諧振狀態(tài)可以“自保持”，能維持很長時間而不衰減。

由于發(fā)電機三相對地電容的不平衡，鐵磁諧振一般發(fā)生在三相中的一相或者兩相。

2.3 采取措施

通過試驗，在開口三角PT串接一電阻，改變PT中的電流，使PT的電感量改變，改變了諧振點，使發(fā)電機不產(chǎn)生諧振，這時可以并網(wǎng)發(fā)電，但是接一電阻會使發(fā)電機保護受到一定影響。最后采用調(diào)整發(fā)電機中性點電抗器和更換發(fā)電機出口PT的方法，使故障得到解決。

3 防止發(fā)電機定子接地保護誤動的措施和建議

a）大型發(fā)電機中性點接地消弧線圈作用是補償對地電容電流，降低發(fā)電機短路電流容量。其擋位位置的選擇會直接影響發(fā)電機中性點電壓偏移程度，甚至影響發(fā)電機單相接地保護。通過對發(fā)電機單相接地試驗，消除理論值與實際需要補償值之間的誤差，選擇合適的消弧線圈的補償位置及補償配置，可以有效解決由于發(fā)電機相電壓不平衡引起的單相接地保護動作誤動現(xiàn)象。

b）發(fā)電機出口處選用勵磁特性飽和點較高的電磁式電壓互感器[4]。

c）減少同一系統(tǒng)中電壓互感器中性點接地的數(shù)量，除電源側(cè)電壓互感器高壓繞組中性點接地外，其他電壓互感器中性點盡可能不接地。

［1］吳湘黔，高尚政，馬曉紅.發(fā)電機消弧線圈擋位的選?。跩］.高電壓技術，2007，3（12）：211-213.

［2］汪雁，王曉瑜，錢冠軍，等.發(fā)電機中性點經(jīng)消弧線圈接地的位移電壓［J］.高電壓技術，1999，25（3）：84-85.

［3］賀秋麗，余奎，李如琦，等.鐵磁諧振及其消除原理分析［J］.廣西大學學報：自然科學版，2011，36（2）：320-324.

［4］中華人民共和國電力工業(yè)部.DL/T 620—1997交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合［S］.北京：中國電力出版社，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

高鵬（1985-），男，山西祁縣人，2010年畢業(yè)于清華大學電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，工程師，從事高壓電氣設備技術監(jiān)督工作；

梁基重（1985-），男，山西平遙人，2010年畢業(yè)于西安交通大學高電壓與絕緣技術專業(yè)，工程師，從事高壓電氣設備技術監(jiān)督工作；

董乃芬（1954-），男，山西太原人，1978年畢業(yè)于山西大學光電子專業(yè)，高級工程師，從事發(fā)電機絕緣監(jiān)督工作。