基于故障录波数据的定子接地故障定位分析

王思良 任保瑞 卢 伟

(二滩水力发电厂，四川 攀枝花 617000)

基于故障录波数据的定子接地故障定位分析

王思良 任保瑞 卢 伟

(二滩水力发电厂，四川 攀枝花 617000)

对中性点经接地变压器接地的大型水轮发电机单相接地故障电气量的变化规律进行了理论分析，并结合接地故障录波波形进行了分析计算，验证了利用录波数据进行发电机单相接地故障相别判断及定位计算的正确性和有效性。

故障录波；定子接地故障；定位

0 引言

定子单相接地故障是大型发电机比较常见的故障，及时地发现定子接地故障是防止发生灾难性的短路故障、避免造成发电机严重损坏的必要措施。因此大型发电机组均装设发电机定子接地保护，通常由基波零序电压加3次谐波电压组成的双频式定子接地保护与注入式定子接地保护构成双套不同原理的定子单相接地保护。其中，基波零序电压加3次谐波电压保护依赖故障前后零序电压变化来判断定子单相接地，注入式定子接地保护通过注入低频电压实时计算定子绕组对地绝缘电阻来实现，二者均能实现100%范围定子接地保护，但是均不能实现定子接地故障定位功能。而保护动作后，查找故障点，特别是当故障点位于定子绕组时，将是一个耗时耗力的复杂过程。因此对于大型发电机组，快速准确地定位故障点对于及时处理故障，尽快恢复机组运行意义重大。

故障录波装置能提供完整的故障过程波形数据，为事故分析处理及保护动作评价提供帮助。因此，我们可以通过分析故障数据波形来判断定子接地保护动作情况，并利用波形数据尝试进行定子接地故障定位计算，为故障点的定位查找提供依据，方便快速进行故障处理。

1 定子接地故障定位分析

发电机A相经过渡电阻接地故障示意图如图1所示。

图1 发电机A相接地故障示意图

根据图1有：

(1)

解得：

(2)

发电机出口三相对地电压分别为：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

由上式可见，发电机出口三相对地电压大小关系为：A相经过渡电阻接地时，B相电压与A相电压的大小关系由K值决定，C相电压则不低于B相电压。当K>0时，A相即故障相电压最低，当K<0时则B相即故障相的下一相电压最低。而发电机的RN、Xc均为已知参数，因此可以根据定子接地故障时的录波数据，分析A、B、C相电压大小关系来准确判断故障相。

(9)

(10)

由以上分析可知，根据录波数据还可以通过计算M值的方法求出接地电阻Rg以及接地位置。

2 定子接地故障实例

2.1 事件概况

2010年1月2日11:30，2号发变组保护定子接地保护64G1、64G2均动作，2号机组跳闸。装置报文显示64G1跳闸，动作值0.1 kΩ；64G2跳闸，动作值0.306UN。

2号发变组保护为双套配置的ABB公司生产的REG216微机型发变组保护系统，定子一点接地保护64G1采用的是外加12.5 Hz交流电源的接地保护，64G2采用的是反应基波零序电压的保护，取中性点侧的电压，保护定子的95%。两套不同原理保护均动作，基本可以判定发电机确实发生了定子接地故障。

2.2 故障录波波形分析

根据现场取回的录波数据，故障过程中发电机定子电压、中性点零序电压波形以及保护动作过程如图2所示。

图2 定子接地故障过程波形图

由图2可以看出，在0时刻发生了定子接地故障，B相电压降低，A、C相电压升高，在故障540 ms后第二套定子接地保护64G2动作跳闸，保护动作出口后约73 ms GCB跳开，机组跳闸，而在故障发生后9 512 ms第一套定子接地保护64G1动作跳闸。

故障发生至发电机跳闸、灭磁过程为0～540 ms，在此过程中发电机定子电压和中性点零序电压波形如图3所示。

图3 定子接地故障电压录波图

由图3可以看出：B相电压降低为41.6 V，A相电压升高为67.2 V，C相电压升高为67.5 V，A、C相电压均升高且基本相等，中性点零序电压约为22 V。

2.3 故障定位计算

二滩发电机参数如下：发电机出口额定电压18 kV，发电机出口PT变比n=18/0.1，定子绕组每相对地电容Cg=1.687 μF，接地变压器变比nN=14.4/0.12，中性点接地变负载电阻RN=0.091 2 Ω，因此有发电机三相对地容抗：

中性点接地变负载电阻折算到一次侧：

RN=n2Rn=1 313.28 Ω

即当发电机单相接地电阻Rg不超过6.338 kΩ时K≥0，此时发电机出口电压最低的即为故障相。而根据故障录波波形可以看出B相电压为41.6 V，A、C相电压基本相等，M值趋于无穷大，因此接地电阻基本为0，可判断为金属性接地短路，B相为接地故障相。此时，由式(10)可以看出，接地位置可由中性点零序电压直接计算得出。

由图3可以看出，中性点零序电压二次值为22 V。同时，现场接入保护装置与故障录波的中性点零序电压还经过了120/100的分压电阻进行分压。机端电压与中性点零序电压相关系数为：

故将中性点零序电压折算到机端电压侧：

故接地位置为：

定子绕组每分支匝数为27，因此自中性点起故障位置所在导体匝数为：

X=27×30%=8.1

考虑到过渡电阻影响及计算误差，定位故障位置应为B相每个分支自中性点第7～9槽导体处。

根据故障后实际检查结果，故障点位于第462槽下端部齿压板转弯处，正是B相第六分支自中性点起第8槽导体，与定位分析结果吻合。因此上述基于故障录波数据的定子接地故障定位分析是合理有效的。

3 结论

(1) 对照定子接地保护动作跳闸定值设置，根据定子接地保护动作时的故障录波数据分析，可以迅速判断定子接地保护动作是否正确动作，并能通过以上计算验证接地电阻值大小。

(2) 通过对故障录波数据分析计算，可以对接地故障相作出准确判断，对接地位置作出近似的定量判断，对定子接地故障点的实际查找提供帮助。

(3) 对于定子单相金属性接地(接地电阻值较小时)，接地位置可由中性点零序电压与发电机相电压的相对大小快速近似确定。

[1] 毕大强，王祥珩，李德佳，等.发电机定子绕组单相接地故障的定位方法[J].电力系统自动化，2004，28(22)

[2] 王维俭.电气主设备继电保护原理与应用[M].第2版.北京：中国电力出版社，2001

[3] 王翔，张成，沈全荣.一次典型的定子接地故障分析与优化保护原理[J].电力系统自动化，2006，30(11)

2014-09-12

王思良(1986—)，男，湖北黄冈人，工程师，研究方向：水电厂继电保护运行维护管理。