发电机三次谐波定子接地保护动作原因分析

陈凯

(徐州华鑫发电有限公司，江苏徐州221000)

发电机三次谐波定子接地保护动作原因分析

陈凯

(徐州华鑫发电有限公司，江苏徐州221000)

以某电厂一起发电机组三次谐波定子接地保护动作为例，介绍了三次谐波定子接地保护的逻辑原理，描述了发电机组发生故障时的现象，通过分析故障前后的运行数据，判断了故障点，并及时消除了机组隐患。

三次谐波；定子接地保护；故障分析；发电机

发电机通常采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式，而定子绕组接地是发电机运行中常见的一种故障形式。在正常运行时，机组定子上的三相电势以中性点为0 V，沿定子绕组向机端逐渐升高，在向量图上三相电压以中性点电压为中心平衡分布。但当发电机内部定子绕组绝缘破损、异物等故障原因引起接地，将造成对地电压发生变化，故障点处的电压将降低，机组定子上的电势平衡发生改变。若不及时发现并消除，当再在机组另一点发生接地点，构成两点接地故障，定子绕组将受到严重损伤，构成重大安全事故。

为及时发现定子接地故障，发电机保护中设置了定子接地保护。该保护通常由两个保护构成:采用机端零序电压原理的定子接地保护，可保护从机端到中性点85%～95%区间；和采用机端和中性点三次谐波电压比较原理的三次谐波定子接地保护，可保护从中性点到机端5%～15%区间。上述两个保护区间叠加，可构成100%定子接地保护，从而保护发电机定子绕组全区间。

1 故障现象

某电厂1号发电机组保护双套在运行期间多次发出三次谐波电压定子接地报警，每次动作后均可复归，复归后过10 min左右再次动作，该状态持续了4 h左右；一周之后，三次谐波电压定子接地保护 (以下简称3ω接地保护)再次报警。

该机组电气原理图如图1所示，发电机中性点经接地变压器接地。其中机端TV变比为中性点TV变比为20/0.1 kV。

表1为保护装置在发电机某时正常运行和当时故障情况下显示的相关通道采样值，其中通道CH25为机端开口三角电压三次谐波值，通道CH27为发电机中性点电压三次谐波值。在保护动作期间，机端三次谐波值向上波动，上升至5 V左右，中性点三次谐波值向下波动。初步判断为发电机中性点附近发生接地故障。

图1 机组及TV电气原理图

表1 保护采集运行电压值 V

2 保护原理

该发变组3ω接地保护对发电机中性点侧零序电压中的三次谐波分量，与发电机机端侧的开口三角零序电压通道中的三次谐波分量的幅值与相位进行比较〔1〕。其动作方程为:

式中 K1为幅值调整系数；K2为相位调整系数；K3为制动系数。

发电机的制造是调整定子、转子气隙关系，使磁通感应出的电动势尽量拟合为基波正弦波，因此在定子绕组产生的感应电压除含有基波外，还有少量的奇次谐波分量，其中以三次谐波电压较为明显，幅值上约占基波电压的5%左右。三次谐波关系呈零序特征，表现在线电压中互相抵消而不存在，只在相电动势中体现出来〔2－3〕，可表示为E3。

根据分析，可得出下列结论〔2〕:

当发电机中性点不接地，正常运行时有:

式中 CG为发电机各相绕组对地电容；CS为机端设备各相对地电容；US3为机端三次谐波电压；UN3为中性点三次谐波电压。

当发电机中性点经消弧线圈接地，设基波电容电流视作完全补偿，正常运行时有:

假如在距发电机中性点α处发生一点定子绕组金属性单相接地，有

其中，α为中性点到故障点的匝数占每相分支总匝数的百分比，如图2所示。

图2 故障时机端、中性点三次谐波电压关系

从图2中可以看出，UN3＝f(α)，US3＝f(α)皆为线性关系，两条曲线相交于α＝0.5处，可得出的关系见表2。

表2 故障点不同位置电气特征表

由于TV变比相等，一次侧电压可以直接等比例折算到二次侧采样值。将表1的采样值与表2电气特征值相比较可知，当US3＞UN3，且机端零序电压定子接地保护对开口三角电压基波采样值没有明显变化，则保护可灵敏的感知到，在定子绕组靠近中性点侧发生了对地绝缘间断性下降。

3 检查过程

当发电机定子发生一点接地，发电机中性点电位发生偏移，中性点基波电压应当有所升高。但查看厂内SIS系统，发现1号发电机中性点绝缘电压，即发电机中性点基波电压 (如图3所示)，在保护动作时，中性点三次谐波电压降低，机端三次谐波电压升高，且中性点基波电压在中性点三次谐波电压下降时也存在下降现象。

由此认为，若回路没有问题，则发电机中性点之后至中性点接地变压器之间很有可能会存在接地点，并就此观点进行排查。

图3 电厂SIS系统发电机中性点绝缘电压波形

3.1 二次回路检查

1号发电机组回路上，两套保护电压回路相对独立，中性点侧的三次谐波电压取自同一接地变压器，3ω定子接地保护报警后，对发变组保护进行检查。首先对内部端子排进行检查，端子排并无松动，两套保护报文内容基本一致，由此基本排除了回路原因导致保护装置误动的可能。因双套保护均发出故障告警信号，认为发电机在一次上发生了接地故障。

3.2 接地变压器检查

根据保护动作原理，故障点应发生在发电机中性点附近。由于该故障信号非持续，且中性点TV采样仍有一定的三次谐波电压，这表明发生非金属性接地故障可能性较大〔4〕。怀疑变压器一次接地保险松动导致保护动作，对发电机中性点专用接地变压器进行检查，但检查后发现并无松动。将定冷水指标与故障前进行比较，也无明显变化。

3.3 中性点附属设备检查

机组解列后，解开发电机中性点铜连接，测得中性点铜排对地绝缘为0.3 MΩ，由此排除了发电机定子绕组接地的可能性。接着拆除匝间保护专用TV至中性点电缆，测得中性点铜排对地绝缘仍为0.3 MΩ，由此排除了匝间保护专用TV接地的可能性。

继续检查发现，中性点铜排上还挂有发电机射频检测仪专用TA。取下TA后，再次检测中性点铜排对地绝缘恢复正常。进一步检查拆下的TA，发现其本体绝缘层存在破损现象，见图4。由此推断，发电机射频检测仪专用TA铁芯因磨损与中性点铜排产生接触，而该TA二次侧由同轴电缆与发电机射频检测仪连接，而该同轴电缆屏蔽层一端与铁芯连接，另一端通过控制箱接地，从而导致发电机中性点铜排接地。

发现故障点后，及时更换TA，并采取了相应防护措施，防止由于发电机中性点处震动引起接触磨损。1号发电机组投入运行后，再未出现三次谐波定子接地保护报警，由此确认故障排除。

图4 中性点铜排故障点

4 结语

发电机定子接地概率大、因素多，准确及时分析和发现故障点，对保障发电机的安全可靠运行有积极意义。文中的某厂1号发电机组定子接地故障案例，通过在发电机发生3ω接地保护报警后，对发电机运行数据的正确分析，对可能发生故障部位的准确判定，及时消除了故障点，为今后类似问题的解决提供了可借鉴的经验。

〔1〕高春如.大型发电机组继电保护整定计算与运行技术 (第2版)〔M〕.北京:中国电力出版社，2010.

〔2〕张保会，尹项根.电力系统继电保护 (第2版) 〔M〕.北京:中国电力出版社，2009.

〔3〕于永源，杨绮雯.电力系统分析 (第3版)〔M〕.北京:中国电力出版社，2007.

〔4〕郗常骥.汽轮发电机故障实例与分析 〔M〕.北京:中国电力出版社，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

陈凯(1990)，男，江苏徐州人，工程师，主要从事电力系统继电保护专业工作。

2016－08－09 改回日期:2016－10－08