王國(guó)仁，郝建成

（晉能控股山西電力股份有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

目前大容量發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)一般采用經(jīng)單相變壓器高阻接地方式，這種接地方式下發(fā)電機(jī)單相接地故障電流一般被限制在15 A以下，但當(dāng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)由經(jīng)單相變壓器高阻接地方式變?yōu)橹行渣c(diǎn)直接接地方式后，接地電流將是發(fā)電機(jī)額定電流的數(shù)倍，如此大的電流將會(huì)給發(fā)電機(jī)及其附屬系統(tǒng)帶來(lái)相當(dāng)大的危害[1]。本文通過(guò)介紹一起典型的發(fā)電機(jī)單相接地短路案例來(lái)說(shuō)明發(fā)電機(jī)檢修管理的重要性，為大家提供借鑒。

1 發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地的方式

一是中性點(diǎn)不接地。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，其故障電流就是發(fā)電機(jī)三相對(duì)地電容電流，當(dāng)此電流足夠小，單相接地故障處不產(chǎn)生電弧或者接地電弧瞬間熄滅，這個(gè)不產(chǎn)生電弧的最大接地電流被定義為發(fā)電機(jī)單相接地的安全電流，該電流并沒(méi)有燒毀鐵芯的危險(xiǎn)。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)不接地方式，一般適用于小容量的發(fā)電機(jī)。

二是中性點(diǎn)經(jīng)單相電壓互感器接地。實(shí)際上這也是一種中性點(diǎn)不接地方式，單相電壓互感器僅僅用來(lái)測(cè)量發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的基波和三次諧波電壓。對(duì)于單相接地電容電流小于安全電流的發(fā)電機(jī)可采用這種接地方式，這種接地方式能實(shí)現(xiàn)無(wú)死區(qū)的定子接地保護(hù)。

三是中性點(diǎn)經(jīng)單相變壓器高阻接地。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)通過(guò)二次側(cè)接有電阻的接地變壓器接地，實(shí)際上就是經(jīng)大電阻接地，變壓器的作用就是使低壓小電阻起高壓大電阻的作用，這樣可以簡(jiǎn)化電阻器結(jié)構(gòu)，降低造價(jià)。大電阻為故障點(diǎn)提供純阻性的電流，同時(shí)大電阻也起到了限制發(fā)生弧光接地時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓的作用。為了定子鐵芯的安全，接地故障電流一般被限制在15 A以下，一般認(rèn)為在此電流下持續(xù)5～10 min，定子鐵芯只受輕微損傷。

四是中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地。在發(fā)生單相接地故障時(shí)，消弧線圈將在零序電壓作用下產(chǎn)生感性電流，從而對(duì)單相接地時(shí)的電容電流起補(bǔ)償作用(采用過(guò)補(bǔ)償方式，以避免串聯(lián)諧振過(guò)電壓)。這種方式也可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度既無(wú)死區(qū)的定子接地保護(hù)。

五是中性點(diǎn)直接接地。在這種接地方式下，發(fā)生單相接地后的短路電流很大，需要立即跳開(kāi)發(fā)電機(jī)滅磁開(kāi)關(guān)和出口斷路器（或發(fā)變組出口斷路器）。

2 案例介紹

某發(fā)電廠2×600 MW機(jī)組，發(fā)變組單元接線，2臺(tái)主變壓器（以下簡(jiǎn)稱“主變”）分別經(jīng)“一個(gè)半”斷路器接線（3/2接線）與500 kV系統(tǒng)相連，系統(tǒng)接線與故障點(diǎn)情況如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)接線與故障點(diǎn)示意圖

2.1 設(shè)備型號(hào)及參數(shù)

發(fā)電機(jī)為三相交流隱極式同步發(fā)電機(jī)，型號(hào)QFSN-600-2YHG，額定定子電壓20 kV，額定定子電流19 245 A，水氫氫冷卻方式；勵(lì)磁變壓器（以下簡(jiǎn)稱“勵(lì)磁變”）型號(hào)為ZBDCR9-2000/20/ ，容量為2 300 kVA；接地變壓器型號(hào)為DDBC-60/20。

2.2 發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式

發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)單相變壓器高阻接地，變壓器容量60 kVA，二次電阻0.3 Ω。

2.3 事故經(jīng)過(guò)

1號(hào)600 MW汽輪發(fā)電機(jī)組帶270 MW負(fù)荷正常運(yùn)行，聽(tīng)到汽機(jī)房“嘭”的一聲巨響，負(fù)荷甩至0 MW，1號(hào)機(jī)發(fā)“勵(lì)磁系統(tǒng)故障”信號(hào)，發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，發(fā)電機(jī)解列，廠用電切換成功；2號(hào)發(fā)電機(jī)運(yùn)行正常。

檢查發(fā)變組保護(hù)裝置記錄，故障發(fā)生16 ms主變差動(dòng)速斷動(dòng)作，隨后發(fā)電機(jī)比率差動(dòng)、主變比率差動(dòng)、主變工頻變化量差動(dòng)相繼動(dòng)作，發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)、發(fā)電機(jī)滅磁開(kāi)關(guān)分別在52.6 ms和90.4 ms切除故障，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查故障點(diǎn)在勵(lì)磁變A相水平段管母第一組支持瓷瓶和發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)C相套管，故障點(diǎn)在差動(dòng)保護(hù)范圍內(nèi)，保護(hù)動(dòng)作行為正確；發(fā)電機(jī)接地零序電壓保護(hù)時(shí)限定值為2 s，動(dòng)作時(shí)限沒(méi)有達(dá)到動(dòng)作條件。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁變A相母線水平段靠近90°角側(cè)的第一組16點(diǎn)方向支持瓷瓶被電弧損傷，勵(lì)磁母線外殼有電流放電痕跡，母線內(nèi)部集落大量灰塵；發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)C相套管磁裙被電弧炸裂，套管法蘭螺栓被燒熔。

故障錄波裝置顯示，發(fā)電機(jī)電壓顯示故障后t2時(shí)刻發(fā)電機(jī)A相電壓降低至1.279 kV，B、C相電壓略有升高，C相電壓升高至13.43 kV；發(fā)電機(jī)A、B、C相電流均增大，A相電流134 kA，B相電流30.493 kA，C相電流22.072 kA。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電流在故障后半個(gè)周波內(nèi)才有電流，持續(xù)約10 ms后消失。

2.5 故障分析

正常情況下由于發(fā)電機(jī)是非直接接地系統(tǒng)，發(fā)生單相接地后故障相電壓降低為零，中性點(diǎn)電壓不再為零，上升為相電壓，非故障相升高倍，接地后的電壓向量如圖2所示。一點(diǎn)接地后接地點(diǎn)流入的是整個(gè)系統(tǒng)的電容電流，接地電流一般被限制在15 A以下。

圖2 非直接接地系統(tǒng)單相接地后的電壓向量圖

分析故障錄波信息，可以確定故障初始階段電氣特征與非直接接地系統(tǒng)單相接地后的電氣特征相符，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)零序電流故障前中性點(diǎn)零序電流有0.3 A，故障后半個(gè)周波內(nèi)電流才增大，說(shuō)明了故障前發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)是非直接接地系統(tǒng)，當(dāng)d1點(diǎn)接地后過(guò)電壓瞬間將d2點(diǎn)絕緣擊穿，隨后故障擴(kuò)大為發(fā)電機(jī)A相多點(diǎn)接地短路，d2點(diǎn)接地后中性點(diǎn)零序電流互感器CT（current transformer）有一部分分流被故障錄波裝置記錄了下來(lái)。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，分析為勵(lì)磁變A相母線水平段靠近90°角側(cè)的第一組16點(diǎn)方向支持瓷瓶存在絕緣缺陷，運(yùn)行中對(duì)封母外殼放電形成d1接地點(diǎn)，弧光接地產(chǎn)生過(guò)電壓，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)導(dǎo)體對(duì)C相套管法蘭放電形成d2接地點(diǎn)，d1、d2接地點(diǎn)共同造成發(fā)電機(jī)A相兩點(diǎn)接地短路。d2點(diǎn)接地情況如圖3所示。

2.6 故障造成的危害

故障電流形成了短路電動(dòng)力和弧光沖擊波，引起以下后果。

a）造成勵(lì)磁變A相及部分管母等設(shè)備損壞。短路電動(dòng)力和弧光沖擊波在d1點(diǎn)（勵(lì)磁變A相）沿封母管道向外沖擊，造成勵(lì)磁變A相封母外殼90°角處燒熔，管母在角焊縫處燒熔，再向下沖擊使A相勵(lì)磁變軟連接撕裂，線圈接線鼻子掉下，管母熔鋁掉落到A相勵(lì)磁變上。

b）造成封母A相、中性點(diǎn)CT套管及中性點(diǎn)匯流母線等設(shè)備損壞。短路電動(dòng)力和弧光沖擊波在d2點(diǎn)（中性點(diǎn)）沿中性點(diǎn)封閉外殼向中性點(diǎn)接地柜處沖擊，將發(fā)電機(jī)A相封母上的中性點(diǎn)引線外殼在直角彎處炸裂搭在發(fā)電機(jī)A相封母外殼上，中性點(diǎn)引線在母排處撅斷，此時(shí)，故障電流由勵(lì)磁變d1點(diǎn)通過(guò)發(fā)電機(jī)封母A 相外殼到中性點(diǎn)封閉外殼再到發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)A相形成閉合回路，燒熔了中性點(diǎn)引線外殼和發(fā)電機(jī)封母A相外殼。

c）造成發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)CT套管損壞。中性點(diǎn)導(dǎo)體對(duì)C相套管法蘭放電，放電電弧導(dǎo)致發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)C相套管的絕緣迅速下降，一部分故障電流通過(guò)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)C相CT流回中性點(diǎn)到達(dá)A相。

3 發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)發(fā)電機(jī)單相接地短路電流計(jì)算

3.1 基礎(chǔ)參數(shù)（已折算至SB=1 000 MVA）

系統(tǒng)阻抗標(biāo)幺值XS＝0.023 5；主變阻抗標(biāo)幺值X*T＝0.256 9；發(fā)電機(jī)阻抗標(biāo)幺值：正序X*G1＝0.305 7，負(fù)序X*G2＝0.301 7，零序X0＝0.143 5。

3.2 短路電流計(jì)算

正、負(fù)、零序網(wǎng)絡(luò)情況如圖4所示。

圖4 正、負(fù)、零序網(wǎng)絡(luò)圖

正序阻抗X1∑=｛［(0.305 7+0.256 9)//0.023 5］+0.256 9｝//0.305 7=0.145 995

負(fù)序阻抗X2∑=｛［(0.301 7+0.256 9)//0.023 5］+0.256 9｝//0.301 7=0.145 075

零序阻抗X0∑=0.143 5

20 kV等級(jí)基準(zhǔn)電流IB=28 867.51 A

發(fā)生A相單相接地短路時(shí)

流過(guò)發(fā)電機(jī)正序電流計(jì)算如下。

系統(tǒng)側(cè)正序阻抗：X1∑=［(0.305 7+0.256 9］//0.023 5)+0.256 9=0.279 458

發(fā)電機(jī)側(cè)正序阻抗：X*G1=0.305 7

流過(guò)發(fā)電機(jī)負(fù)序電流計(jì)算如下。

系統(tǒng)側(cè)負(fù)序阻抗：X2∑=［(0.301 7+0.256 9)//0.023 5］+0.256 9=0.279 451

發(fā)電機(jī)側(cè)負(fù)序阻抗：X*G2=0.301 7

流過(guò)發(fā)電機(jī)零序電流：I0=66 427.76A

發(fā)電機(jī)A相電流：IA=31 724.37+31 942.31+66 427.76=130 094.44 A

發(fā)電機(jī)B相電流：IB=a2I1+aI2+I0=34 354.74 A

發(fā)電機(jī)C相電流：IC=aI1+a2I2+I0=34 354.74 A

結(jié)論：計(jì)算電流與錄波器電流大概一致，說(shuō)明發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)由非有效接地系統(tǒng)變成了直接接地系統(tǒng)的推論正確。

4 原因分析

a）勵(lì)磁變A相水平段管母第一組支持瓷瓶存在絕緣缺陷，運(yùn)行中瓷瓶對(duì)管母外殼放電形成d1接地點(diǎn)，是造成本次事故的直接原因。

b）管母外殼放電形成d1接地點(diǎn)，并產(chǎn)生弧光過(guò)電壓[2]，瞬間將中性點(diǎn)C相套管絕緣擊穿，形成d2接地點(diǎn)，d1、d2接地點(diǎn)共同造成發(fā)電機(jī)A相接地短路故障（如圖5所示），故障電流形成了巨大的短路電動(dòng)力和弧光沖擊波，造成了設(shè)備損壞。發(fā)生中性點(diǎn)C相套管絕緣擊穿的原因是因?yàn)樵撎坠茉跈z修中造成損傷或運(yùn)行中留下污漬，造成該套管在過(guò)電壓情況下絕緣擊穿，中性點(diǎn)C相套管存在臟污或裂紋是造成本次事故擴(kuò)大的主要原因。

圖5 故障點(diǎn)示意圖

c）勵(lì)磁變A相水平段管母第一組支持瓷瓶與勵(lì)磁變之間沒(méi)有用盤(pán)式絕緣子封堵，長(zhǎng)期與空氣接觸集聚了大量粉塵，瓷瓶不干凈造成絕緣強(qiáng)度下降是本次事故的一個(gè)間接原因。

5 采取的措施

通過(guò)對(duì)這起典型的發(fā)電機(jī)單相接地短路案例的分析，總結(jié)了引起此次事故的3個(gè)原因，提出了以下幾方面的防范措施。

a）加強(qiáng)發(fā)電機(jī)檢修管理，檢修中對(duì)發(fā)電機(jī)支持瓷瓶的清掃、檢查應(yīng)作為重點(diǎn)。機(jī)組在等級(jí)檢修中應(yīng)在電氣瓷瓶的清掃過(guò)程中嚴(yán)格進(jìn)行監(jiān)護(hù)，避免損傷瓷瓶或留有污漬；檢修中對(duì)發(fā)電機(jī)封閉母線的支持瓷瓶逐個(gè)進(jìn)行清掃、檢查，不能僅靠整體耐壓試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。舉一反三，對(duì)發(fā)電機(jī)套管、盤(pán)式絕緣子、電壓互感器瓷瓶、主變瓷瓶、避雷器瓷瓶等均應(yīng)進(jìn)行認(rèn)真細(xì)致的檢查并應(yīng)設(shè)W/H點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證。

b）加強(qiáng)電氣設(shè)備的絕緣監(jiān)督，定期對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行絕緣分析和絕緣監(jiān)督檢查，依據(jù)《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》認(rèn)真開(kāi)展電氣設(shè)備的交接和預(yù)防性試驗(yàn)工作。

c）采取有效措施嚴(yán)防發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)由非有效接地系統(tǒng)變成直接接地系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)中性點(diǎn)引線加裝絕緣熱縮套，并采取對(duì)中性點(diǎn)外殼內(nèi)壁刷絕緣漆等有效措施，確保發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻柜等設(shè)備運(yùn)行可靠穩(wěn)定。