陳凱

(徐州華鑫發(fā)電有限公司，江蘇徐州221000)

發(fā)電機(jī)三次諧波定子接地保護(hù)動(dòng)作原因分析

陳凱

(徐州華鑫發(fā)電有限公司，江蘇徐州221000)

以某電廠一起發(fā)電機(jī)組三次諧波定子接地保護(hù)動(dòng)作為例，介紹了三次諧波定子接地保護(hù)的邏輯原理，描述了發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障時(shí)的現(xiàn)象，通過(guò)分析故障前后的運(yùn)行數(shù)據(jù)，判斷了故障點(diǎn)，并及時(shí)消除了機(jī)組隱患。

三次諧波；定子接地保護(hù)；故障分析；發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)通常采用中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式，而定子繞組接地是發(fā)電機(jī)運(yùn)行中常見(jiàn)的一種故障形式。在正常運(yùn)行時(shí)，機(jī)組定子上的三相電勢(shì)以中性點(diǎn)為0 V，沿定子繞組向機(jī)端逐漸升高，在向量圖上三相電壓以中性點(diǎn)電壓為中心平衡分布。但當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部定子繞組絕緣破損、異物等故障原因引起接地，將造成對(duì)地電壓發(fā)生變化，故障點(diǎn)處的電壓將降低，機(jī)組定子上的電勢(shì)平衡發(fā)生改變。若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除，當(dāng)再在機(jī)組另一點(diǎn)發(fā)生接地點(diǎn)，構(gòu)成兩點(diǎn)接地故障，定子繞組將受到嚴(yán)重?fù)p傷，構(gòu)成重大安全事故。

為及時(shí)發(fā)現(xiàn)定子接地故障，發(fā)電機(jī)保護(hù)中設(shè)置了定子接地保護(hù)。該保護(hù)通常由兩個(gè)保護(hù)構(gòu)成:采用機(jī)端零序電壓原理的定子接地保護(hù)，可保護(hù)從機(jī)端到中性點(diǎn)85%～95%區(qū)間；和采用機(jī)端和中性點(diǎn)三次諧波電壓比較原理的三次諧波定子接地保護(hù)，可保護(hù)從中性點(diǎn)到機(jī)端5%～15%區(qū)間。上述兩個(gè)保護(hù)區(qū)間疊加，可構(gòu)成100%定子接地保護(hù)，從而保護(hù)發(fā)電機(jī)定子繞組全區(qū)間。

1 故障現(xiàn)象

某電廠1號(hào)發(fā)電機(jī)組保護(hù)雙套在運(yùn)行期間多次發(fā)出三次諧波電壓定子接地報(bào)警，每次動(dòng)作后均可復(fù)歸，復(fù)歸后過(guò)10 min左右再次動(dòng)作，該狀態(tài)持續(xù)了4 h左右；一周之后，三次諧波電壓定子接地保護(hù) (以下簡(jiǎn)稱(chēng)3ω接地保護(hù))再次報(bào)警。

該機(jī)組電氣原理圖如圖1所示，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)接地變壓器接地。其中機(jī)端TV變比為中性點(diǎn)TV變比為20/0.1 kV。

表1為保護(hù)裝置在發(fā)電機(jī)某時(shí)正常運(yùn)行和當(dāng)時(shí)故障情況下顯示的相關(guān)通道采樣值，其中通道CH25為機(jī)端開(kāi)口三角電壓三次諧波值，通道CH27為發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電壓三次諧波值。在保護(hù)動(dòng)作期間，機(jī)端三次諧波值向上波動(dòng)，上升至5 V左右，中性點(diǎn)三次諧波值向下波動(dòng)。初步判斷為發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)附近發(fā)生接地故障。

圖1 機(jī)組及TV電氣原理圖

表1 保護(hù)采集運(yùn)行電壓值 V

2 保護(hù)原理

該發(fā)變組3ω接地保護(hù)對(duì)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)零序電壓中的三次諧波分量，與發(fā)電機(jī)機(jī)端側(cè)的開(kāi)口三角零序電壓通道中的三次諧波分量的幅值與相位進(jìn)行比較〔1〕。其動(dòng)作方程為:

式中 K1為幅值調(diào)整系數(shù)；K2為相位調(diào)整系數(shù)；K3為制動(dòng)系數(shù)。

發(fā)電機(jī)的制造是調(diào)整定子、轉(zhuǎn)子氣隙關(guān)系，使磁通感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)盡量擬合為基波正弦波，因此在定子繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電壓除含有基波外，還有少量的奇次諧波分量，其中以三次諧波電壓較為明顯，幅值上約占基波電壓的5%左右。三次諧波關(guān)系呈零序特征，表現(xiàn)在線電壓中互相抵消而不存在，只在相電動(dòng)勢(shì)中體現(xiàn)出來(lái)〔2－3〕，可表示為E3。

根據(jù)分析，可得出下列結(jié)論〔2〕:

當(dāng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)不接地，正常運(yùn)行時(shí)有:

式中 CG為發(fā)電機(jī)各相繞組對(duì)地電容；CS為機(jī)端設(shè)備各相對(duì)地電容；US3為機(jī)端三次諧波電壓；UN3為中性點(diǎn)三次諧波電壓。

當(dāng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，設(shè)基波電容電流視作完全補(bǔ)償，正常運(yùn)行時(shí)有:

假如在距發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)α處發(fā)生一點(diǎn)定子繞組金屬性單相接地，有

其中，α為中性點(diǎn)到故障點(diǎn)的匝數(shù)占每相分支總匝數(shù)的百分比，如圖2所示。

圖2 故障時(shí)機(jī)端、中性點(diǎn)三次諧波電壓關(guān)系

從圖2中可以看出，UN3＝f(α)，US3＝f(α)皆為線性關(guān)系，兩條曲線相交于α＝0.5處，可得出的關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 故障點(diǎn)不同位置電氣特征表

由于TV變比相等，一次側(cè)電壓可以直接等比例折算到二次側(cè)采樣值。將表1的采樣值與表2電氣特征值相比較可知，當(dāng)US3＞UN3，且機(jī)端零序電壓定子接地保護(hù)對(duì)開(kāi)口三角電壓基波采樣值沒(méi)有明顯變化，則保護(hù)可靈敏的感知到，在定子繞組靠近中性點(diǎn)側(cè)發(fā)生了對(duì)地絕緣間斷性下降。

3 檢查過(guò)程

當(dāng)發(fā)電機(jī)定子發(fā)生一點(diǎn)接地，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電位發(fā)生偏移，中性點(diǎn)基波電壓應(yīng)當(dāng)有所升高。但查看廠內(nèi)SIS系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)1號(hào)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)絕緣電壓，即發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)基波電壓 (如圖3所示)，在保護(hù)動(dòng)作時(shí)，中性點(diǎn)三次諧波電壓降低，機(jī)端三次諧波電壓升高，且中性點(diǎn)基波電壓在中性點(diǎn)三次諧波電壓下降時(shí)也存在下降現(xiàn)象。

由此認(rèn)為，若回路沒(méi)有問(wèn)題，則發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)之后至中性點(diǎn)接地變壓器之間很有可能會(huì)存在接地點(diǎn)，并就此觀點(diǎn)進(jìn)行排查。

圖3 電廠SIS系統(tǒng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)絕緣電壓波形

3.1 二次回路檢查

1號(hào)發(fā)電機(jī)組回路上，兩套保護(hù)電壓回路相對(duì)獨(dú)立，中性點(diǎn)側(cè)的三次諧波電壓取自同一接地變壓器，3ω定子接地保護(hù)報(bào)警后，對(duì)發(fā)變組保護(hù)進(jìn)行檢查。首先對(duì)內(nèi)部端子排進(jìn)行檢查，端子排并無(wú)松動(dòng)，兩套保護(hù)報(bào)文內(nèi)容基本一致，由此基本排除了回路原因?qū)е卤Ｗo(hù)裝置誤動(dòng)的可能。因雙套保護(hù)均發(fā)出故障告警信號(hào)，認(rèn)為發(fā)電機(jī)在一次上發(fā)生了接地故障。

3.2 接地變壓器檢查

根據(jù)保護(hù)動(dòng)作原理，故障點(diǎn)應(yīng)發(fā)生在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)附近。由于該故障信號(hào)非持續(xù)，且中性點(diǎn)TV采樣仍有一定的三次諧波電壓，這表明發(fā)生非金屬性接地故障可能性較大〔4〕。懷疑變壓器一次接地保險(xiǎn)松動(dòng)導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作，對(duì)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)專(zhuān)用接地變壓器進(jìn)行檢查，但檢查后發(fā)現(xiàn)并無(wú)松動(dòng)。將定冷水指標(biāo)與故障前進(jìn)行比較，也無(wú)明顯變化。

3.3 中性點(diǎn)附屬設(shè)備檢查

機(jī)組解列后，解開(kāi)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)銅連接，測(cè)得中性點(diǎn)銅排對(duì)地絕緣為0.3 MΩ，由此排除了發(fā)電機(jī)定子繞組接地的可能性。接著拆除匝間保護(hù)專(zhuān)用TV至中性點(diǎn)電纜，測(cè)得中性點(diǎn)銅排對(duì)地絕緣仍為0.3 MΩ，由此排除了匝間保護(hù)專(zhuān)用TV接地的可能性。

繼續(xù)檢查發(fā)現(xiàn)，中性點(diǎn)銅排上還掛有發(fā)電機(jī)射頻檢測(cè)儀專(zhuān)用TA。取下TA后，再次檢測(cè)中性點(diǎn)銅排對(duì)地絕緣恢復(fù)正常。進(jìn)一步檢查拆下的TA，發(fā)現(xiàn)其本體絕緣層存在破損現(xiàn)象，見(jiàn)圖4。由此推斷，發(fā)電機(jī)射頻檢測(cè)儀專(zhuān)用TA鐵芯因磨損與中性點(diǎn)銅排產(chǎn)生接觸，而該TA二次側(cè)由同軸電纜與發(fā)電機(jī)射頻檢測(cè)儀連接，而該同軸電纜屏蔽層一端與鐵芯連接，另一端通過(guò)控制箱接地，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)銅排接地。

發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)后，及時(shí)更換TA，并采取了相應(yīng)防護(hù)措施，防止由于發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)處震動(dòng)引起接觸磨損。1號(hào)發(fā)電機(jī)組投入運(yùn)行后，再未出現(xiàn)三次諧波定子接地保護(hù)報(bào)警，由此確認(rèn)故障排除。

圖4 中性點(diǎn)銅排故障點(diǎn)

4 結(jié)語(yǔ)

發(fā)電機(jī)定子接地概率大、因素多，準(zhǔn)確及時(shí)分析和發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，對(duì)保障發(fā)電機(jī)的安全可靠運(yùn)行有積極意義。文中的某廠1號(hào)發(fā)電機(jī)組定子接地故障案例，通過(guò)在發(fā)電機(jī)發(fā)生3ω接地保護(hù)報(bào)警后，對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的正確分析，對(duì)可能發(fā)生故障部位的準(zhǔn)確判定，及時(shí)消除了故障點(diǎn)，為今后類(lèi)似問(wèn)題的解決提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

〔1〕高春如.大型發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)整定計(jì)算與運(yùn)行技術(shù) (第2版)〔M〕.北京:中國(guó)電力出版社，2010.

〔2〕張保會(huì)，尹項(xiàng)根.電力系統(tǒng)繼電保護(hù) (第2版) 〔M〕.北京:中國(guó)電力出版社，2009.

〔3〕于永源，楊綺雯.電力系統(tǒng)分析 (第3版)〔M〕.北京:中國(guó)電力出版社，2007.

〔4〕郗常驥.汽輪發(fā)電機(jī)故障實(shí)例與分析 〔M〕.北京:中國(guó)電力出版社，2002.

Cause analysis on three-harmonic stator grounding protection action of generator

CHEN Kai

(Xuzhou Huaxin Power Generation Co.，Ltd.，Xuzhou 221000，China)

In this article，it is introduced that a case of three-harmonic stator grounding protection action in a power plant.The logic principle of three-harmonic stator grounding prection is introduced，the generator failure phenomenon is described，and the three-harmonic stator grounding protection logic principles are given.Through the analysis of the fault data，the failure place is determined and eliminated.

three-Harmonic voltage；stator grounding protection；fault analysis；generator

TM772

B

1008－0198(2016)06－0084－03

10.3969/j.issn.1008－0198.2016.06.024

陳凱(1990)，男，江蘇徐州人，工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)專(zhuān)業(yè)工作。

2016－08－09 改回日期:2016－10－08