張樹忠

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051）

0 前言

某水電站監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)機(jī)組發(fā)變組保護(hù)定子接地報(bào)警、發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作等報(bào)警信號。機(jī)組分閘，甩負(fù)荷90 MW，全廠AGC 退出，系統(tǒng)頻率、電壓無異?！，F(xiàn)場檢查原因?yàn)橐桓姾笚l從位于發(fā)電機(jī)出口離相封閉母線（B 相中段）內(nèi)的導(dǎo)體（中空）伸縮縫連接片之間的縫隙處掉落出來，焊條搭接在封閉母線通流導(dǎo)體與封閉母線外殼之間，造成通流導(dǎo)體與外殼接地，觸發(fā)機(jī)組發(fā)電機(jī)定子一點(diǎn)接地保護(hù)動(dòng)作，機(jī)組分閘。

1 定子一點(diǎn)接地保護(hù)配置

該水電站發(fā)電機(jī)定子一點(diǎn)接地保護(hù)為雙重化配置，分別是發(fā)電機(jī)100% 定子一點(diǎn)接地保護(hù)64G-A 和發(fā)電機(jī)基波零序電壓定子一點(diǎn)接地保護(hù)64G-B。

1.1 發(fā)電機(jī)定子一點(diǎn)接地保護(hù)

RCS-985U 定子接地保護(hù)注入電源裝置提供約25 V-20 Hz 的低頻方波，該方波加在發(fā)電機(jī)接地變負(fù)載電阻上，并采集負(fù)載回路電壓、電流信號，計(jì)算出接地故障的過渡電阻值，實(shí)現(xiàn)檢測定子繞組100% 范圍內(nèi)的接地故障。保護(hù)設(shè)置兩段定值，高定值延時(shí)5 s 報(bào)警，低定值延時(shí)0.5 s 跳閘、滅磁、停機(jī)。保護(hù)裝置接線示意如圖1。

圖1 定子接地機(jī)端電壓波形圖

正常情況下，由于發(fā)電機(jī)對地存在分布電容，因此檢測到的低頻電流應(yīng)是發(fā)電機(jī)定子繞組對地電流，為容性電流；而當(dāng)發(fā)電機(jī)定子繞組出現(xiàn)接地故障時(shí)，低頻電流將會(huì)出現(xiàn)阻性分量。根據(jù)此原理，并通過發(fā)電機(jī)靜態(tài)補(bǔ)償試驗(yàn)，調(diào)整保護(hù)參數(shù)來消除接地變、二次回路以及元器件的影響，保護(hù)裝置就能基于檢測到的低頻電壓、電流信號計(jì)算出定子繞組接地電阻值。顯然，保護(hù)不會(huì)受接地位置的影響，因此可以構(gòu)成發(fā)電機(jī)100% 范圍的定子繞組單相接地故障保護(hù)；同時(shí)，20 Hz 低頻信號區(qū)別于工頻及其各次諧波頻率，因此不管發(fā)電機(jī)處于何種工況，保護(hù)均能正常工作。

1.2 基波零序電壓定子一點(diǎn)接地保護(hù)

保護(hù)由基波零序電壓和3 次諧波電壓比率定子接地保護(hù)組成。基波零序電壓保護(hù)發(fā)電機(jī)85%～95%的定子繞組單相接地，在中性點(diǎn)附近存在保護(hù)死區(qū)。3 次諧波電壓定子接地保護(hù)對于中性點(diǎn)附近的單相接地短路有很高的靈敏度，它與基波零序電壓保護(hù)正好有互補(bǔ)性，所以可用這兩個(gè)保護(hù)聯(lián)合構(gòu)成100% 的定子繞組接地短路保護(hù)。

1.2.1 基波零序電壓定子接地保護(hù)

基波零序電壓保護(hù)反映發(fā)電機(jī)零序電壓大小。保護(hù)采用了頻率跟蹤、數(shù)字濾波及全周傅氏算法，使零序電壓對3 次諧波的濾除比達(dá)100以上，保護(hù)只反映基波分量。保護(hù)設(shè)兩段定值，靈敏段延時(shí)0.5s 報(bào)警，高定值段延時(shí)0.3s 跳閘、滅磁、停機(jī)。

以A 相繞組的F 點(diǎn)發(fā)生接地短路為例，F(xiàn)點(diǎn)到中性點(diǎn)的匝數(shù)占該相繞組總匝數(shù)的百分比為α。此時(shí)機(jī)端T 點(diǎn)各相的對地(對A 相的F 點(diǎn))電壓為：

所以，機(jī)端T 點(diǎn)對地零序電壓為：

可以得到，在發(fā)電機(jī)端出口單相接地時(shí)零序電壓最大，在中性點(diǎn)處接地時(shí)零序電壓為零，可以準(zhǔn)確判別發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)以外，85%～95%的定子繞組單相接地故障。

1.2.2 3次諧波電壓比率定子接地保護(hù)

3 次諧波電壓比率定子接地保護(hù)采用3 次諧波電壓比率判據(jù)，只保護(hù)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)25%左右的定子接地，保護(hù)動(dòng)作于報(bào)警。保護(hù)原理如下分析：

正常運(yùn)行時(shí)機(jī)端與中性點(diǎn)處的3 次諧波電壓的特征，發(fā)電機(jī)每相對地電容Cg各一半分接在機(jī)端和中性點(diǎn)處。發(fā)電機(jī)外接元件的每相對地電容Ct接于機(jī)端。發(fā)電機(jī)3 次諧波的相電勢為E3。由于正常運(yùn)行時(shí)三相的3 次諧波電壓的幅值和相位相同，所以在3 次諧波等值電路圖中機(jī)端T 處三相可連在一起，中性點(diǎn)N 處三相本來就連在一起，構(gòu)成三相3 次諧波等值電路圖。各處的電容是單相電容的3 倍。發(fā)電機(jī)的電阻、電抗、電導(dǎo)相對于電納來說很小，可忽略不計(jì)。

可以得到發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)機(jī)端和中性點(diǎn)3次諧波電壓之比：

以A 相繞組F 點(diǎn)發(fā)生接地短路為例，F(xiàn) 點(diǎn)到中性點(diǎn)的匝數(shù)占該相繞組總匝數(shù)的百分比為α，得到三相3 次諧波等值電路圖。

可以得到發(fā)電機(jī)定子繞組一點(diǎn)接地時(shí)機(jī)端和中性點(diǎn)3 次諧波電壓之比：

2 故障分析

由于與發(fā)電機(jī)直連的一次設(shè)備（發(fā)電機(jī)出口離相封閉母線、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁變高壓側(cè)、發(fā)電機(jī)出口PT 一次側(cè)、廠高變高壓側(cè)、主變低壓側(cè)、主變低壓側(cè)PT 一次側(cè)）在電氣參數(shù)上與發(fā)電機(jī)定子無異，且定子接地故障電氣特征與鐵磁諧振相似[1-3]，因此目前的保護(hù)裝置均不具備故障點(diǎn)定位的功能，故障點(diǎn)的定位依賴于專業(yè)人員的故障分析。

故障發(fā)生后，應(yīng)先判斷定子接地保護(hù)是否正確，然后根據(jù)故障后的相關(guān)參數(shù)計(jì)算出故障的大致位置：在發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生故障，根據(jù)發(fā)電機(jī)定子線棒接線圖，確定故障線棒；在發(fā)電機(jī)外部發(fā)生故障，應(yīng)根據(jù)GCB 跳開后的發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓波形和主變低壓側(cè)電壓波形判斷故障發(fā)生在GCB 至發(fā)電機(jī)側(cè)或GCB 至主變側(cè)。

2.1 故障點(diǎn)在GCB至主變低壓側(cè)

故障發(fā)生后，發(fā)電機(jī)A 相電壓升高至78 V，發(fā)電機(jī)B 相電壓降低至42 V，發(fā)電機(jī)C相電壓升高至60 V，主變低壓側(cè)零序電壓變?yōu)?4 V。發(fā)電機(jī)定子繞組采用三相6 分支Y 形接線，此接線方式下發(fā)生接地故障后，明顯特征是故障相電壓降低，非故障相電壓升高，由于B 相電壓并未降至接近0 V，可以判斷，故障類型為B 相非金屬性單相接地。

從圖5 中可以看出，在GCB 跳開后發(fā)電機(jī)出口電壓已滅磁，三相電壓已對稱，而主變低壓側(cè)電壓仍為故障電壓波形，此時(shí)注意區(qū)分鐵磁諧振和接地故障波形即可以判斷故障點(diǎn)發(fā)生在GCB 出口外側(cè)至主變低壓側(cè)范圍內(nèi)，包含主變低壓側(cè)、封閉母線，與封閉母線直連的廠高變高壓側(cè)、主變低壓側(cè)PT 一次側(cè)，發(fā)生瞬時(shí)性非金屬接地一次故障。

2.2 故障點(diǎn)在GCB至發(fā)電機(jī)

故障發(fā)生后，發(fā)電機(jī)A 相電壓升高至100.12 V，發(fā)電機(jī)B 相電壓降低至0.235 V，發(fā)電機(jī)C 相電壓升高至100.06 V，機(jī)端零序電壓突變?yōu)?8.744 V。由于B 相電壓降至接近0 V及機(jī)端零序電壓與A、C 相電壓接近，由此可以判斷，故障類型為B 相金屬性單相接地。

從圖1 中可以看出，T1 時(shí)刻( 即0 ms) 為接地故障開始時(shí)刻，經(jīng)過500 ms 延時(shí)，在T2時(shí)刻(即500 ms)保護(hù)出口跳滅磁開關(guān)FCB，轉(zhuǎn)子繞組通過非線性電阻滅磁后，此時(shí)GCB 還未跳閘，而發(fā)電機(jī)出口電壓三相恢復(fù)平衡，機(jī)端零序電壓3Uo 立即消失，說明在滅磁開關(guān)FCB跳閘滅磁后從發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)至GCB 內(nèi)側(cè)的故障電氣量消失，從而斷定故障位置在GCB 到發(fā)電機(jī)范圍內(nèi)，見圖2。

圖2 6F定子一點(diǎn)接地故障錄波圖

通過分析故障錄波圖，可以看到，故障發(fā)生后，發(fā)電機(jī)A 相電壓升高至18.105 kV，發(fā)電機(jī)B 相電壓降低至0.047 kV，發(fā)電機(jī)C 相電壓升高至18.046 kV，機(jī)端零序電壓突變?yōu)?6.849 kV（二次值84.35V）。由于B 相電壓降至接近0 V，機(jī)端零序電壓與A、C 相電壓上升接近線電壓，由此可以判斷，故障類型為B相金屬性單相接地[4-5]。

從圖2 中可以看出，T1時(shí)刻(即0 ms)為接地故障開始時(shí)刻，經(jīng)過320 ms，發(fā)電機(jī)第二套定子接地保護(hù)動(dòng)作，在T2時(shí)刻（即402 ms）保護(hù)出口先后跳開GCB、FCB，轉(zhuǎn)子繞組通過非線性電阻滅磁后，主變低壓側(cè)電壓三相逐步恢復(fù)平衡，發(fā)電機(jī)出口B 相電壓仍為0，機(jī)端零序電壓3Uo未消失，說明故障位置在GCB 到發(fā)電機(jī)范圍內(nèi)。

檢修人員通過對6 號發(fā)電機(jī)出口B 相軟連接及發(fā)電機(jī)3 個(gè)中性點(diǎn)斷引后，測試發(fā)電機(jī)B相6 分支絕緣電阻值合格，排除了故障位置在發(fā)電機(jī)內(nèi)部的可能。

將勵(lì)磁變高壓側(cè)斷引后，測試發(fā)電機(jī)出口B 相至勵(lì)磁變、GCB 斷口處絕緣，絕緣不合格，判斷故障位置為封閉母線區(qū)域，重點(diǎn)檢查GCB電容器及封閉母線支撐絕緣子。

對GCB B 相本體開蓋后，檢查GCB 靠發(fā)電機(jī)側(cè)電容器及GCB 鄰近的幾個(gè)絕緣子，均未發(fā)現(xiàn)異常。使用強(qiáng)光探照燈發(fā)現(xiàn)距離GCB 約十米處有疑似接地物搭接至外殼。因疑似接地物距離絕緣子孔洞距離較遠(yuǎn)，使用絕緣加長桿將疑似接地物拆除，確認(rèn)為一根遺留焊條導(dǎo)致定子一點(diǎn)接地。

3 解決方法

1）在工程建設(shè)時(shí)期，封閉母線安裝過程中，對設(shè)備封閉部位物品進(jìn)出管理不嚴(yán)，驗(yàn)收不到位，導(dǎo)致有物品遺留在封閉母線內(nèi)部，埋下安全隱患。在許可相關(guān)工作票時(shí)，在變壓器、封閉母線、發(fā)電機(jī)等狹窄空間、封閉空間或轉(zhuǎn)動(dòng)部件上方工作時(shí)，嚴(yán)格履行物品登記手續(xù)，從源頭防范風(fēng)險(xiǎn)，避免物品遺留在設(shè)備內(nèi)部。

2）對于新設(shè)計(jì)、新改造、新安裝設(shè)備，在其投運(yùn)前應(yīng)進(jìn)行全面檢查，并在投運(yùn)后加強(qiáng)關(guān)注，增加巡檢頻次。在進(jìn)行方案編寫時(shí)，運(yùn)行專業(yè)需要提前介入，盡量在設(shè)備封閉或隱蔽部位設(shè)置觀察窗，便于巡檢時(shí)重點(diǎn)關(guān)注。

4 結(jié)束語

綜上所述，機(jī)組檢修、技改過程中，可以考慮將業(yè)內(nèi)最新的發(fā)變組保護(hù)配置添加到現(xiàn)有配置中，更全面地保護(hù)主設(shè)備運(yùn)行，更精確、快速定位故障點(diǎn)，縮短機(jī)組強(qiáng)停時(shí)間，為機(jī)組在最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)運(yùn)行提供有力保障。