一起典型发电机定子接地故障的综合分析及现场应急处置建议

张晶

摘 要：该文从石泉水电厂一起典型发电机定子接地故障的综合分析入手，结合现场实际运行经验，对此类故障的应急处置提出改进建议。希望对类似故障的处置有借鉴意义。

关键词：定子单相接地 综合分析 改进建议

中图分类号：TM32 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）01（c）-0028-02

石泉水力发电厂于1971年兴建，共装有5台单机容量4.5万kW的混流式水轮发电机组，是陕西第一座中型水力发电厂，在陕西电网中非汛期主要承担调峰和事故备用；在汛期作为系统基荷，是陕南电网主要的电源支撑点之一。该文从该电厂一起典型发电机定子单相接地故障的综合分析入手，结合现场实际运行经验，对此类故障的应急处置提出改进建议。

1 故障经过和现场处置情况

2011年11月20日19时14分，1号发电机运行中返回屏1FB单元突然打出“保护装置异常”光子牌；计算机监控显示“1FB电气故障，1F定子接地”故障信号；19时16分值班员现地检查发现1FB保护盘“3UO” “3 W”定子接地告警信号同时点亮，初步分析定子有接地现象，且故障点应在“3UO”和“3 W”保护范围的重叠区；19时20分该值班员切换返回屏定子电压把手测量：3UO电压为7.99 kV，机组Ubn为1.38 kV，Uan和Ucn均为9.8 kV，再次判断：定子线圈B相确有接地现象，并且在机组风洞口以及机组中性线穿墙套管处闻到淡淡的类似“电焊”的焦糊味，立即汇报值长；值长在申请调度后于19时25分将该机组停运，随后会同检修人员对机组进行全面检查。

应检修人员要求将1号发电机转临修并进行热态试验：检修人员用2 500 V兆欧表测得定子绝缘电阻A相497 MΩ、B相0 MΩ、C相500 MΩ，故初步判断定子线棒B相绝缘有金属性接地；采用电流烧穿法查找到定子线棒+Y方向定子和转子气隙之间有轻烟冒出，并伴有焦糊味，经盘车检查确定故障位置位于#141定子线棒处；因发电机30多年长期运行，此处定子铁芯下压齿与底部环板焊点老化开焊，在机组运行中定子铁芯振动，使下压齿蹿出与转子磁极线圈碰撞形成扫膛，导致#141上层线棒出槽口部位发生磨损并扭曲变形，并使其侧面主绝缘因单相接地大电流烧灼出坑状。

2 结合定子接地保护原理及实际运行经验进行综合分析

零序电压型接地保护，是从机端YH开口三角形绕组取得零序电压，接入保护用的过电压继电器。机组正常运行时无零序电压，继电器不动作。但实际上，发电机正常运行时，其相电压中存在三次谐波电压；另外，在变压器高压侧发生接地短路时，由于变压器高低压绕组之间存在电容，也会产生零序电压。为了保证保护动作的选择性，应躲开上述三次谐波电压与零序电压，并采取措施降低动作电压，包括装设三次谐波电压滤过器、利用变压器高压侧的零序电压将接地闭锁等方法来实现。该厂1#发电机保护为机变一体化配置，发生接地故障时零序电压经三次谐波滤过器滤波后，作为启动量输入定子接地继电器KE中，为防止变压器高压侧接地时对低压侧的影响，将110 kV侧零序电压作为制动量输入KE中，使保护动作电压值降低至10 V左右，实现了对发电机定子绕组90%范围以上接地保护。由于故障点离中性点的距离与零序电压的大小成正比，当中性点附近发生接地故障时，零序电压急剧降低，保护不会启动，此时引入三次谐波保护消除了定子绕组中性点附近10%的死区，构成了发电机定子接地100%保护范围。

以上简要分析了该厂现行配置的发电机定子接地保护，事实证明该次故障点正好位于定子绕组靠近中性点附近即3UO和3 W保护的结合部，保护动作正确、灵敏、可靠。下面结合实际运行经验，对故障发生时的具体判断方法和现场处置步骤进行探讨和分析。

3 迅速判断定子接地故障的性质及真假

（1）当定子金属性接地时，通过切换定子电压表可测得接地相对地电压为零，非接地相对地相电压为线电压；而非金属性接地时，或一点接地发生在定子绕组的内部或中性点附近或发变组主变压器低压绕组内时，切换定子电压表测得接地相对地电压大于零而小于相电压，非接地相对地电压大于相电压而小于线电压。

（2）需特别注意：当发电机机端YH高压侧一相或两相熔断器熔断时，其二次侧开口三角绕组端电压也要升高。如U相熔断器熔断，发电机各相对地电压未发生变化，仍为相电压，但电压互感器的二次侧电压测量值因U相熔断发生了变化，即UuvUwu降低，而Uvw仍为线电压（造成线电压不平衡），各相对地电压UvOUwO接近相电压，UuO明显降低（相对地无电压升高），机变保护装置显示3UO电压为100 V，发“定子接地”信号（假接地）。

因此，真假接地的根本区别是：真接地时，定子电压表指示接地相对地电压降低（或等于零），非接地相对地电压升高（大于相电压但不超过线电压），而线电压仍平衡。 而假接地时，相对地电压不会升高，线电压也不平衡。

4 缩小故障范围，减少查找时间

发电机机端至定子绕组中性点之间构成定子单相接地100%保护范围。发电机正常运行时，3UO电压显示为零（开口三角形接线的三相绕组相电压相量和为零）。故障发生时，切换返回屏定子电压表查看3UO显示的是机端YH高压侧即一次侧实时测量值，如显示7.99 kV，则表示7.99 kV/10 kV，即故障点大概在发电机机端往发电机定子绕组中性点方向的80%处。另外，故障发生时，机组保护装置及故障录波器记录的零序电压动作值为机端YH二次换算值即开口三角形连接的二次绕组连接的三相绕组相电压UO为100/3 V，故3UO显示应为100 V，也可以作为判断依据。通常由保护班整定：保护动作出口最大零序电压3UO整定值为100 V（金属性接地），最小值为10 V。即3UO达到10 V时就会动作发信，故10 V以上可初步判断为发电机机端往定子绕组中性点方向90%范围之间接地；若小于10 V则为发电机中性点往定子绕组机端方向10%范围之间接地，由于此范围内3 UO迅速降低，而三次谐波明显增大，故采集3 W作为动作量来消除死区；另外在设置保护范围时3 UO、3 W结合部有重叠区，若接地故障点在此处，则3 UO、3 W会同时动作。

5 故障发生时现场应急处置改进建议

当故障电流大于5 A时，且对地电容电流形成的电弧大小及作用时间足够时，必然会造成发电机定子铁心严重灼伤，磁场分布不均，定子形变和震动加剧，最后发生两点接地相间短路损坏发电机，造成无法修复机组报废的严重后果，综合经济损失将无法估量。

因此，故障发生后30 min内的正确应急处置是遏制事态发展的关键，为此建议故障发生时应争分夺秒采取更为简单直接、合理安全以及模式化的方式来处置此类故障，具体建议如下。（1）立即降低机组出力及电压。（2）区分3UO、3W保护动作情况，并通过切换定子电压表测量三相电压不平衡程度以及3UO大小来判断接地性质，缩小故障范围。若确为金属性接地，或故障点在发电机内或风洞口有焦味和烟气时应立即停机。（3）若为非金属性接地时，运行人员应迅速查找故障点，可采用分路试拉法：先旁支后主线，先次要后主要，还应全面考虑负荷分配及安全后果，且不得用隔离刀闸切除接地点（原则上应积极申请调度倒换备用机组并尽快停运故障机组。（4）查找接地点时，应穿绝缘靴，不得碰触设备外壳，并使用保安工具。（5）在查找故障前，应首先排除机端YH故障（防止因机端YH高压侧一相或两相熔断器熔断时造成的假接地）。

6 结语

经多次事故演练及现场实践，采用上述改进建议，不但能迅速判明故障性质，缩小故障范围，显著减少应急处置时间，还能有效防止人为原因造成的事故扩大、定子烧损以及机组意外“非停”，为该厂机组和陕南电网的长期安全稳定运行提供了有力保障。

参考文献

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