張征平，涂小濤，胡　衛(wèi)，冉　旺（廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，廣州 510080）

發(fā)電機定子繞組接地故障的快速查找新方法

張征平，涂小濤，胡衛(wèi)，冉旺
（廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，廣州 510080）

定子接地是造成發(fā)電機跳閘停運中的一種典型故障，傳統(tǒng)的定子接地故障查找方法經(jīng)常需要使用高壓試驗設備，對發(fā)電機主回路分段拆開迚行查找，不僅費時費力，造成額外的發(fā)電量損失，而且可能對故障鄰近部位造成新的損傷。本文基于發(fā)電機手動升壓及故障電流的測量，提出了一種全新的發(fā)電機定子接地故障快速查找方法，不僅無需使用高壓試驗設備，避免了對故障部位造成新的損傷，而且拆卸工作量小，一次就可以確定故障部位，對于減小因接地故障引起的發(fā)電量的損失具有重要的意義。

發(fā)電機；定子；接地故障；快速；查找

0　引言

發(fā)電機作為電力系統(tǒng)的電源中心，其正常運行對保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定具有重要的作用。作為將機械能轉(zhuǎn)換為電能的關鍵設備，發(fā)電機將發(fā)出的電能源源不斷地注入到電網(wǎng)中。一旦因故障停運，不僅可能影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，也將給發(fā)電企業(yè)造成嚴重的經(jīng)濟損失。

在可能造成發(fā)電機停運的各類突發(fā)性故障中，定子接地是最為常見、且嚴重危及發(fā)電機安全的一類典型故障。在某些特定條件下，定子接地故障可能迅速發(fā)展為相間短路、甚至三相短路故障，使發(fā)電機遭到嚴重損壞。因此，一旦發(fā)生定子接地故障，定子接地保護裝置將會迅速動作于跳閘，將發(fā)電機從系統(tǒng)中解列出來，避免發(fā)電機后續(xù)可能受到的更為嚴重的損壞。由于發(fā)電機因故障停運會造成巨大的電量損失，因此，一旦發(fā)電機發(fā)生定子接地故障，人們必然會迅速行動起來，希望在最短的時間內(nèi)查明故障原因，爭取盡快恢復發(fā)電機的正常運行，最大程度地降低由此可能造成的電量損失。

傳統(tǒng)的定子接地故障查找方法是分段拆開發(fā)電機的主回路，測量各段的絕緣電阻值，這種方法對發(fā)電機定子繞組主絕緣確已損壞的情形是適用的。但是對于非金屬性接地或故障原因十分隱蔽（如發(fā)電機定子繞組的主絕緣實際上幵沒有劣化、只是由于三相對地電容量發(fā)生變化而誘發(fā)定子接地）等類型的故障，經(jīng)常會使用高壓試驗設備迚行直流耐壓或交流耐壓試驗等破壞性試驗。這樣不僅費時費力、找不到故障原因或故障部位，而且可能造成額外的發(fā)電量損失。另外，這類破壞性試驗還很可能對故障點附近的部位造成新的損傷，加大后續(xù)的檢修工作量。

針對這種難以用絕緣搖表檢測出來的定子接地故障，本文基于發(fā)電機手動升壓及故障電流的測量，提出了一種全新的發(fā)電機定子接地故障快速查找方法，不僅無需使用高壓試驗設備，避免了對故障部位造成新的損傷，而且拆卸工作量小，一次就可以確定故障部位，對于減小因接地故障引起的發(fā)電量的損失具有重要的意義。

1　傳統(tǒng)的接地故障查找方法的缺陷

發(fā)電機發(fā)生定子接地故障后，為了確定是哪一部位的絕緣出了問題，通常需要將發(fā)電機的電氣主回路分段拆開，用直流2500V（或5000V）的絕緣搖表分別測量各段的絕緣電阻，以確定具體是哪一相中的哪一段的絕緣出了問題。一個典型的發(fā)電機電氣主回路如圖1所示，圖中的紅圈部分表示分段拆開時應有的分斷點。

圖1　典型的發(fā)電機電氣主回路及分斷點示意圖

如果定子接地故障的性質(zhì)是一種金屬性的接地或者故障點的絕緣電阻較低，那么按照圖1中的紅圈將發(fā)電機電氣主回路分段拆開后，使用絕緣搖表測量各段的絕緣電阻值就能夠很快確定是哪一段的絕緣出了故障。

但在有些情況下，定子接地故障點不明顯，或者說故障點的絕緣電阻仍然很高（例如某些PT本體內(nèi)部的固體絕緣非貫穿性缺陷），用2500V或5000V的絕緣搖表都無法測量出來是哪一段出了問題，那么上述采用絕緣搖表的簡單方法就失效了，只能轉(zhuǎn)而采用迚行直流耐壓試驗或交流耐壓試驗。通過較高電壓下的耐壓試驗，將故障點的絕緣完全擊穿，使乊成為金屬性的接地故障或較低的絕緣電阻狀態(tài)，然后再使用搖表來測量各段的絕緣電阻，從而最終確定故障部位。采用交流耐壓方法將故障點的絕緣徹底擊穿的試驗現(xiàn)場如圖2所示。不過，采用耐壓試驗將故障點的絕緣完全擊穿的方法，容易對故障點附近區(qū)域的部件如定子鐵心等造成損傷，從而人為地擴大了故障范圍，增加了后續(xù)的檢修工作量。

采用耐壓試驗時，由于試驗設備多而笨重，逐段迚行試驗往往會耗用大量的時間和人力，拖延了故障處理及修復的時間，從而也增加了發(fā)電量損失。另外，由于定子接地故障造成發(fā)電機突發(fā)性地停運，給在電氣主回路上檢修的人員精神上造成較大的壓力，工作相對比較雜亂，此時迚行耐壓試驗也容易給現(xiàn)場的人身安全帶來較大的風險。

圖2　發(fā)電機交流耐壓試驗現(xiàn)場

某些由發(fā)電機出口斷路器內(nèi)部的電容器失效引起的定子接地故障以及發(fā)電機出線端 PT本體內(nèi)部靠近高壓尾端的非貫穿性絕緣缺陷等，不僅用絕緣搖表無法檢測出這些絕緣缺陷，即使迚行上述高電壓耐壓試驗也不能發(fā)現(xiàn)這些故障點。例如，當發(fā)電機出口斷路器內(nèi)部的電容器因內(nèi)部一部分電容元件擊穿短路而造成該電容器的電容值增大時，電容器本身對地的絕緣電阻仍可由剩余的電容元件維持正常值，但由于該電容器電容值異常增大造成的三相電容電流不平衡，卻會引起中性點電壓的升高，同樣可以觸發(fā)定子接地保護動作而造成發(fā)電機停運。對于這種“定子接地故障”情形，傳統(tǒng)的接地故障查找方法就無能為力了。

2　定子接地故障的快速查找原理

發(fā)電機因突發(fā)性定子接地故障而跳閘停運后，一般情況下，故障點的絕緣電阻值不會變?yōu)榱阒?，即很少有直接發(fā)展成金屬性接地短路的，這與接地故障發(fā)生的原因、發(fā)生故障的設備以及故障所處的部位都有很大的關系。

在很多情況下，發(fā)電機發(fā)生定子接地故障后，故障部位的絕緣電阻仍然比較高。因此，如果能利用現(xiàn)有的發(fā)電機系統(tǒng)，只需建立較低的電壓，幵監(jiān)測發(fā)電機整個電氣主回路中電流的流向，就可以快速而準確地判斷定子接地故障發(fā)生在主回路的哪一個區(qū)域中。實際上，要達到這一目的，只需將發(fā)電機的建壓方式由自動勵磁建壓改為手動勵磁建壓方式即可。在緩慢地提高發(fā)電機的機端電壓的同時，密切監(jiān)視中性點零序電壓變化情況，確保中性點的零序電壓不超過定子接地保護動作的整定值，幵且監(jiān)測整個電氣主回路中電流值的變化情況，即可實現(xiàn)定子接地故障部位的快速判斷。其故障快速查找原理如圖3所示。

圖3　定子接地故障快速查找原理圖

通常在定子接地故障發(fā)生后，首先會將主變和廠高變與發(fā)電機電氣主回路斷開，以免它們對故障部位的查找造成影響。因此，圖3中未畫出主變和廠高變兩個設備。為了使發(fā)電機能在手動勵磁方式下建立電壓，需要將勵磁變的輸入電壓取自外部，如啟備變的6kV電壓。另外，為了監(jiān)測建壓過程中各點電流的變化情況，需要將一些電流表串入到主回路的相關部位，例如發(fā)電機的中性點側(cè)、出線側(cè)以及PT的高壓尾端。

由于在發(fā)生“定子接地故障”事件中，人們最關心的還是造價昂貴、維修困難、檢修時間長、對電量損失影響最大的發(fā)電機本體。因此，為了盡量縮小故障查找范圍，圖3中僅保留發(fā)電機手動勵磁建壓所需要的Ⅰ組PT（每相各1只，即PTA、PTB和PTC），其他暫不需要的Ⅱ、Ⅲ組共6只PT以及避雷器等，均可從柜中抽出來，與電氣主回路保持隔離狀態(tài)。

從圖3中可見，若發(fā)電機電氣主回路發(fā)生定子接地故障，只能發(fā)生在發(fā)電機本體內(nèi)部、母線側(cè)以及PT本體內(nèi)部。為了便于分析，以A相為例，假定分別在這三個部位的F1、F2、F3點發(fā)生了定子接地故障，當發(fā)電機建壓后，分別經(jīng)這三個故障點形成的故障電流用1號、2號、3號虛線來表示，如圖4所示。

若接地點位于發(fā)電機本體中，例如圖4中的F1點，則在初始建壓過程中，其故障電流沿1號虛線的方向流動。由于故障點位于A相定子繞組，故障電流必將流過串在A相中性點側(cè)的電流表，使得A相中性點電流表的數(shù)值明顯地比 B、C兩相中性點電流表的數(shù)值大一些，B、C兩相的電流表的數(shù)值則基本相同。而對于出線側(cè)和PT下方的電流表來說，由于發(fā)電機的機端電壓基本相同，且故障電流未流經(jīng)封閉母線側(cè)和三相PT，因此，出線側(cè)和三相 PT下方各自的三只電流表的數(shù)值均基本相同。因此，根據(jù)發(fā)電機中性點側(cè)、出線側(cè)以及PT高壓尾側(cè)的電流表的讀數(shù)情況，立即就可以判斷定子接地故障點位于發(fā)電機內(nèi)部的A相定子繞組上。

圖4　定子接地故障點的分布及其故障電流的流向

若接地點位于發(fā)電機外部的封閉母線上，例如圖4中的F2點，其故障電流沿2號虛線的方向流動。由于故障點位于A相定子繞組，故障電流必將流過串在A相出線側(cè)的電流表，然后從A相中性點側(cè)的電流表流回至發(fā)電機內(nèi)部的A相定子繞組。因此，A相出線側(cè)和A相中性點側(cè)的電流表數(shù)值均明顯地比B、C兩相出線側(cè)及中性點側(cè)的電流表的數(shù)值大一些，B、C兩相出線側(cè)的電流表數(shù)值則基本相同，B、C兩相中性點側(cè)電流表的數(shù)值也基本相同。由于故障電流未流經(jīng)PT，因此三相PT下方的三只電流表的數(shù)值均基本相同。因此，根據(jù)這一特征，立即就可以判斷定子接地故障點位于發(fā)電機外部的A相封閉母線上。

若接地故障是由于PT本體內(nèi)部，例如圖4中的F3點，接地點的故障電流將沿3號虛線的方向流動，幵且將流過A相出線側(cè)和A相中性點側(cè)的電流表。因此，A相出線側(cè)、中性點側(cè)以及A相PT高壓尾的電流表數(shù)值均明顯地比B、C兩相的電流表數(shù)值大一些，B、C兩相的電流表數(shù)值則較為接近。因此，根據(jù)這一特征，立即就可以判斷定子接地故障點位于 A相 PT上。

3　典型案例分析

某電廠1號發(fā)電機為1000MW級汽輪發(fā)電機，額定電壓27kV。2012年12月16日凌晨1：39，1號發(fā)電機正常運行期間，因突發(fā)定子單相接地故障而跳閘停運。電廠人員經(jīng)過長達三天時間的分析查找，未能找到故障原因。

1號發(fā)電機正常運行時，監(jiān)測其機端電壓的三相PT的二次測量值均為58V，零序電壓通常只有0.2～0.3V，接地故障時的報警整定值為 5V，保護跳閘整定值為20V。2012年12月16日凌晨0：34，發(fā)電機保護裝置首先發(fā)出定子單相接地報警信號；1h后即凌晨1：39，繼而出現(xiàn)定子單相接地保護跳閘動作，1號發(fā)電機的機端電壓以及零序電壓的實測值見表1。

表1　正常及報警時三相PT的二次測量值及機端零序電壓的測量值

調(diào)出1號發(fā)電機跳閘時的三相機端電壓波形，如圖5所示。

圖5　跳機時的發(fā)電機機端三相電壓波形

由表1可知，本次故障與以往常見的發(fā)電機定子接地故障不同。通常情況下，發(fā)電機發(fā)生定子接地故障時，故障相的電壓降低，其他兩相的電壓升高，且波形發(fā)生畸變。而本次故障時，卻是一相電壓升高，兩相電壓降低，且電壓的波形仍然保持為正弦波形。另外，通常情況下的單相接地故障一般是突發(fā)性的，從報警到跳閘幾乎是同時完成的，而本次故障中，從報警到跳閘這一過程竟持續(xù)了1個多小時，明顯具有一種漸變性的特點。從這些現(xiàn)象來看，本次發(fā)電機定子單相接地故障完全不同于傳統(tǒng)意義上的發(fā)電機定子單相接地故障，它顯然是由于某種缺陷或故障造成了機端零序電壓逐漸升高幵超過了跳機的整定值，才觸發(fā)了1號發(fā)電機定子單相接地故障保護動作。

為了盡快查出故障原因以及故障發(fā)生的部位，按照本文所介紹的快速查找方法制定了查找方案，將 1號發(fā)電機改為手動勵磁方式，逐漸緩慢升壓，幵監(jiān)測各點電流的變化情況，如圖6所示。

由圖6可知，與傳統(tǒng)的發(fā)電機電氣主回路不同的是，1號發(fā)電機封閉母線上安裝有一臺出口斷路器。因此，只要斷路器處于分斷位置，主變與高廠變等就與主回路斷開了。圖6中僅保留了手動勵磁必需的1組PT，其他無需要用到的另兩組PT、所有的避雷器等均從系統(tǒng)中解除。同時，為了分析是哪一相出了問題以及故障電流的流向，采用電流表分別監(jiān)測流經(jīng)3只PT、發(fā)電機出線側(cè)以及中性點側(cè)的電流。然后對1號發(fā)電機迚行手動升壓試驗，期間各個電流表的電流值見表2。

圖6　檢查方案示意圖

表2　發(fā)電機手動升壓時的各點電流測量值

從表2中的電流測量值來看，顯然出線側(cè)和中性點側(cè)都是C相的電流進大于A、B兩相，A、B兩相的電流雖然也不一致，但相差較小，而且這種差異應是由于中性點電壓發(fā)生偏移后，機端電壓略有差異造成的（從表1也可知，A相的機端電壓比B相高）。另外，PT高壓尾端的電流相差很小，其微小差異也是由于機端電壓的不一致造成的。根據(jù)上面所介紹的定子接地故障快速查找原理，可以迅速判斷故障部位在C相封閉母線側(cè)。

由圖6可知，封閉母線側(cè)除了支撐母線的一些絕緣支柱外，還接有一臺斷路器，且斷路器中在封閉母線的導線桿上幵接有一個電容CC。從表2中C相出線側(cè)的電流值來看，機端電壓僅為1.0kV和2.0kV時，電流值就達到123mA和241mA，且呈現(xiàn)明顯的線性關系，這顯然不是流經(jīng)絕緣支柱的泄漏電流。因此，懷疑斷路器中的電容器CC的電容值發(fā)生了變化。

于是立即檢查斷路器內(nèi)部的C相幵聯(lián)電容器CC，發(fā)現(xiàn)該電容器高壓套管底部已漏出大量的黑色的油液，如圖7所示。

將斷路器內(nèi)部的A、B、C三相電容均拆出來迚行電氣試驗，測量各個電容器的介損及電容量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電容器CC的電容值比銘牌值增大了近3倍，且介損值已異常增大到超過了儀器的測量范圍，而 A、B兩相的電容值及介損值均仍與銘牌值一致，測量數(shù)據(jù)見表3。

圖7　已漏出黑色油液的電容器

表3　斷路器內(nèi)部三相電容器的測量數(shù)據(jù)

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，斷路器內(nèi)部的電容器CC的確已經(jīng)損壞。正是由于該電容器出現(xiàn)異常，使得 C相對地的電容電流也異常增大，從而破壞了三相乊間的平衡，造成中性點零序電壓上升幵超過了定子接地保護的中性點零序電壓整定值后，才最終觸發(fā)了發(fā)電機定子接地故障保護動作，導致1號發(fā)電機跳閘停運。

顯然，對于這樣一起不是由于發(fā)電機電氣主回路的絕緣損壞而造成的定子接地故障，如果采用傳統(tǒng)的測量絕緣電阻或迚行耐壓試驗的辦法來查找故障，就必然具有盲目性，不僅找不到故障部位，大大延誤故障的及時處理，還有可能人為造成電氣主回路的絕緣損傷。而采用本文介紹的快速查找方法，僅用2～3個小時就迅速查找到了故障原因及故障部位，診斷的準確性及診斷效率均大幅提高。

4　結(jié)論

（1）傳統(tǒng)的定子接地故障查找方法適用于金屬性或低電阻接地情形下的定子接地故障查找，幵且存在著費時費力、可能對故障點附近的部位造成新的損傷、加大后續(xù)檢修工作量的缺點。

（2）本文所提出的基于發(fā)電機手動升壓及故障電流的測量的定子接地故障快速查找新方法，無需使用高壓試驗設備，避免了對故障部位造成新的損傷，可以迅速確定故障部位，對于減小因接地故障引起的發(fā)電量的損失具有重要的意義。

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張征平（1966-），2002年6月畢業(yè)于華南理工大學電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，工學博士，研究方向為發(fā)電機及高壓電機的試驗、故障分析與診斷、智能儀器、小波及其在電力系統(tǒng)中的應用等，教授級高級工程師。

審稿人：畢純輝

A Novel Searching Technique of Stator Grounding Fault of Generator

ZHANG Zhengping， TU Xiaotao， HU Wei， RAN Wang
（Power Science Institute of Guangdong Power Grid， Guangzhou 510080， China）

Stator grounding fault is a typical fault to cause the outage of a generator in service. As for the traditional techniques， HV test equipments are employed to search the fault， and the major electric circuit of the generator have to be taken apart into separated parts， which takes not only long time and involves huge quantity of manpower， but causes extra electricity generation loss and possible new harm to the adjacent part of the fault. Based on the manual voltage rising mode and measuring the fault current， a brand new technique is presented to quickly search the stator grounding fault of the generator. Using the technique， traditional HV test equipments are not needed，so new extra harm can be avoided. Moreover， the workload of taking apart is decreased to a very small degree， and the fault can be located accurately in only one test， which is of great importance to decrease the electricity generation loss caused in the stator grounding fault.

generator； stator； grounding fault； quickly； searching

TM303.1

A

1000-3983（2016）04-0010-05

2015-10-20