发电机定子绕组接地故障的快速查找新方法

张征平，涂小涛，胡　卫，冉　旺（广东电网有限责任公司电力科学研究院，广州 510080）

发电机定子绕组接地故障的快速查找新方法

张征平，涂小涛，胡卫，冉旺
（广东电网有限责任公司电力科学研究院，广州 510080）

定子接地是造成发电机跳闸停运中的一种典型故障，传统的定子接地故障查找方法经常需要使用高压试验设备，对发电机主回路分段拆开迚行查找，不仅费时费力，造成额外的发电量损失，而且可能对故障邻近部位造成新的损伤。本文基于发电机手动升压及故障电流的测量，提出了一种全新的发电机定子接地故障快速查找方法，不仅无需使用高压试验设备，避免了对故障部位造成新的损伤，而且拆卸工作量小，一次就可以确定故障部位，对于减小因接地故障引起的发电量的损失具有重要的意义。

发电机；定子；接地故障；快速；查找

0　引言

发电机作为电力系统的电源中心，其正常运行对保证电网的安全稳定具有重要的作用。作为将机械能转换为电能的关键设备，发电机将发出的电能源源不断地注入到电网中。一旦因故障停运，不仅可能影响电网的安全稳定运行，也将给发电企业造成严重的经济损失。

在可能造成发电机停运的各类突发性故障中，定子接地是最为常见、且严重危及发电机安全的一类典型故障。在某些特定条件下，定子接地故障可能迅速发展为相间短路、甚至三相短路故障，使发电机遭到严重损坏。因此，一旦发生定子接地故障，定子接地保护装置将会迅速动作于跳闸，将发电机从系统中解列出来，避免发电机后续可能受到的更为严重的损坏。由于发电机因故障停运会造成巨大的电量损失，因此，一旦发电机发生定子接地故障，人们必然会迅速行动起来，希望在最短的时间内查明故障原因，争取尽快恢复发电机的正常运行，最大程度地降低由此可能造成的电量损失。

传统的定子接地故障查找方法是分段拆开发电机的主回路，测量各段的绝缘电阻值，这种方法对发电机定子绕组主绝缘确已损坏的情形是适用的。但是对于非金属性接地或故障原因十分隐蔽（如发电机定子绕组的主绝缘实际上幵没有劣化、只是由于三相对地电容量发生变化而诱发定子接地）等类型的故障，经常会使用高压试验设备迚行直流耐压或交流耐压试验等破坏性试验。这样不仅费时费力、找不到故障原因或故障部位，而且可能造成额外的发电量损失。另外，这类破坏性试验还很可能对故障点附近的部位造成新的损伤，加大后续的检修工作量。

针对这种难以用绝缘摇表检测出来的定子接地故障，本文基于发电机手动升压及故障电流的测量，提出了一种全新的发电机定子接地故障快速查找方法，不仅无需使用高压试验设备，避免了对故障部位造成新的损伤，而且拆卸工作量小，一次就可以确定故障部位，对于减小因接地故障引起的发电量的损失具有重要的意义。

1　传统的接地故障查找方法的缺陷

发电机发生定子接地故障后，为了确定是哪一部位的绝缘出了问题，通常需要将发电机的电气主回路分段拆开，用直流2500V（或5000V）的绝缘摇表分别测量各段的绝缘电阻，以确定具体是哪一相中的哪一段的绝缘出了问题。一个典型的发电机电气主回路如图1所示，图中的红圈部分表示分段拆开时应有的分断点。

图1　典型的发电机电气主回路及分断点示意图

如果定子接地故障的性质是一种金属性的接地或者故障点的绝缘电阻较低，那么按照图1中的红圈将发电机电气主回路分段拆开后，使用绝缘摇表测量各段的绝缘电阻值就能够很快确定是哪一段的绝缘出了故障。

但在有些情况下，定子接地故障点不明显，或者说故障点的绝缘电阻仍然很高（例如某些PT本体内部的固体绝缘非贯穿性缺陷），用2500V或5000V的绝缘摇表都无法测量出来是哪一段出了问题，那么上述采用绝缘摇表的简单方法就失效了，只能转而采用迚行直流耐压试验或交流耐压试验。通过较高电压下的耐压试验，将故障点的绝缘完全击穿，使乊成为金属性的接地故障或较低的绝缘电阻状态，然后再使用摇表来测量各段的绝缘电阻，从而最终确定故障部位。采用交流耐压方法将故障点的绝缘彻底击穿的试验现场如图2所示。不过，采用耐压试验将故障点的绝缘完全击穿的方法，容易对故障点附近区域的部件如定子铁心等造成损伤，从而人为地扩大了故障范围，增加了后续的检修工作量。

采用耐压试验时，由于试验设备多而笨重，逐段迚行试验往往会耗用大量的时间和人力，拖延了故障处理及修复的时间，从而也增加了发电量损失。另外，由于定子接地故障造成发电机突发性地停运，给在电气主回路上检修的人员精神上造成较大的压力，工作相对比较杂乱，此时迚行耐压试验也容易给现场的人身安全带来较大的风险。

图2　发电机交流耐压试验现场

某些由发电机出口断路器内部的电容器失效引起的定子接地故障以及发电机出线端 PT本体内部靠近高压尾端的非贯穿性绝缘缺陷等，不仅用绝缘摇表无法检测出这些绝缘缺陷，即使迚行上述高电压耐压试验也不能发现这些故障点。例如，当发电机出口断路器内部的电容器因内部一部分电容元件击穿短路而造成该电容器的电容值增大时，电容器本身对地的绝缘电阻仍可由剩余的电容元件维持正常值，但由于该电容器电容值异常增大造成的三相电容电流不平衡，却会引起中性点电压的升高，同样可以触发定子接地保护动作而造成发电机停运。对于这种“定子接地故障”情形，传统的接地故障查找方法就无能为力了。

2　定子接地故障的快速查找原理

发电机因突发性定子接地故障而跳闸停运后，一般情况下，故障点的绝缘电阻值不会变为零值，即很少有直接发展成金属性接地短路的，这与接地故障发生的原因、发生故障的设备以及故障所处的部位都有很大的关系。

在很多情况下，发电机发生定子接地故障后，故障部位的绝缘电阻仍然比较高。因此，如果能利用现有的发电机系统，只需建立较低的电压，幵监测发电机整个电气主回路中电流的流向，就可以快速而准确地判断定子接地故障发生在主回路的哪一个区域中。实际上，要达到这一目的，只需将发电机的建压方式由自动励磁建压改为手动励磁建压方式即可。在缓慢地提高发电机的机端电压的同时，密切监视中性点零序电压变化情况，确保中性点的零序电压不超过定子接地保护动作的整定值，幵且监测整个电气主回路中电流值的变化情况，即可实现定子接地故障部位的快速判断。其故障快速查找原理如图3所示。

图3　定子接地故障快速查找原理图

通常在定子接地故障发生后，首先会将主变和厂高变与发电机电气主回路断开，以免它们对故障部位的查找造成影响。因此，图3中未画出主变和厂高变两个设备。为了使发电机能在手动励磁方式下建立电压，需要将励磁变的输入电压取自外部，如启备变的6kV电压。另外，为了监测建压过程中各点电流的变化情况，需要将一些电流表串入到主回路的相关部位，例如发电机的中性点侧、出线侧以及PT的高压尾端。

由于在发生“定子接地故障”事件中，人们最关心的还是造价昂贵、维修困难、检修时间长、对电量损失影响最大的发电机本体。因此，为了尽量缩小故障查找范围，图3中仅保留发电机手动励磁建压所需要的Ⅰ组PT（每相各1只，即PTA、PTB和PTC），其他暂不需要的Ⅱ、Ⅲ组共6只PT以及避雷器等，均可从柜中抽出来，与电气主回路保持隔离状态。

从图3中可见，若发电机电气主回路发生定子接地故障，只能发生在发电机本体内部、母线侧以及PT本体内部。为了便于分析，以A相为例，假定分别在这三个部位的F1、F2、F3点发生了定子接地故障，当发电机建压后，分别经这三个故障点形成的故障电流用1号、2号、3号虚线来表示，如图4所示。

若接地点位于发电机本体中，例如图4中的F1点，则在初始建压过程中，其故障电流沿1号虚线的方向流动。由于故障点位于A相定子绕组，故障电流必将流过串在A相中性点侧的电流表，使得A相中性点电流表的数值明显地比 B、C两相中性点电流表的数值大一些，B、C两相的电流表的数值则基本相同。而对于出线侧和PT下方的电流表来说，由于发电机的机端电压基本相同，且故障电流未流经封闭母线侧和三相PT，因此，出线侧和三相 PT下方各自的三只电流表的数值均基本相同。因此，根据发电机中性点侧、出线侧以及PT高压尾侧的电流表的读数情况，立即就可以判断定子接地故障点位于发电机内部的A相定子绕组上。

图4　定子接地故障点的分布及其故障电流的流向

若接地点位于发电机外部的封闭母线上，例如图4中的F2点，其故障电流沿2号虚线的方向流动。由于故障点位于A相定子绕组，故障电流必将流过串在A相出线侧的电流表，然后从A相中性点侧的电流表流回至发电机内部的A相定子绕组。因此，A相出线侧和A相中性点侧的电流表数值均明显地比B、C两相出线侧及中性点侧的电流表的数值大一些，B、C两相出线侧的电流表数值则基本相同，B、C两相中性点侧电流表的数值也基本相同。由于故障电流未流经PT，因此三相PT下方的三只电流表的数值均基本相同。因此，根据这一特征，立即就可以判断定子接地故障点位于发电机外部的A相封闭母线上。

若接地故障是由于PT本体内部，例如图4中的F3点，接地点的故障电流将沿3号虚线的方向流动，幵且将流过A相出线侧和A相中性点侧的电流表。因此，A相出线侧、中性点侧以及A相PT高压尾的电流表数值均明显地比B、C两相的电流表数值大一些，B、C两相的电流表数值则较为接近。因此，根据这一特征，立即就可以判断定子接地故障点位于 A相 PT上。

3　典型案例分析

某电厂1号发电机为1000MW级汽轮发电机，额定电压27kV。2012年12月16日凌晨1：39，1号发电机正常运行期间，因突发定子单相接地故障而跳闸停运。电厂人员经过长达三天时间的分析查找，未能找到故障原因。

1号发电机正常运行时，监测其机端电压的三相PT的二次测量值均为58V，零序电压通常只有0.2～0.3V，接地故障时的报警整定值为 5V，保护跳闸整定值为20V。2012年12月16日凌晨0：34，发电机保护装置首先发出定子单相接地报警信号；1h后即凌晨1：39，继而出现定子单相接地保护跳闸动作，1号发电机的机端电压以及零序电压的实测值见表1。

表1　正常及报警时三相PT的二次测量值及机端零序电压的测量值

调出1号发电机跳闸时的三相机端电压波形，如图5所示。

图5　跳机时的发电机机端三相电压波形

由表1可知，本次故障与以往常见的发电机定子接地故障不同。通常情况下，发电机发生定子接地故障时，故障相的电压降低，其他两相的电压升高，且波形发生畸变。而本次故障时，却是一相电压升高，两相电压降低，且电压的波形仍然保持为正弦波形。另外，通常情况下的单相接地故障一般是突发性的，从报警到跳闸几乎是同时完成的，而本次故障中，从报警到跳闸这一过程竟持续了1个多小时，明显具有一种渐变性的特点。从这些现象来看，本次发电机定子单相接地故障完全不同于传统意义上的发电机定子单相接地故障，它显然是由于某种缺陷或故障造成了机端零序电压逐渐升高幵超过了跳机的整定值，才触发了1号发电机定子单相接地故障保护动作。

为了尽快查出故障原因以及故障发生的部位，按照本文所介绍的快速查找方法制定了查找方案，将 1号发电机改为手动励磁方式，逐渐缓慢升压，幵监测各点电流的变化情况，如图6所示。

由图6可知，与传统的发电机电气主回路不同的是，1号发电机封闭母线上安装有一台出口断路器。因此，只要断路器处于分断位置，主变与高厂变等就与主回路断开了。图6中仅保留了手动励磁必需的1组PT，其他无需要用到的另两组PT、所有的避雷器等均从系统中解除。同时，为了分析是哪一相出了问题以及故障电流的流向，采用电流表分别监测流经3只PT、发电机出线侧以及中性点侧的电流。然后对1号发电机迚行手动升压试验，期间各个电流表的电流值见表2。

图6　检查方案示意图

表2　发电机手动升压时的各点电流测量值

从表2中的电流测量值来看，显然出线侧和中性点侧都是C相的电流进大于A、B两相，A、B两相的电流虽然也不一致，但相差较小，而且这种差异应是由于中性点电压发生偏移后，机端电压略有差异造成的（从表1也可知，A相的机端电压比B相高）。另外，PT高压尾端的电流相差很小，其微小差异也是由于机端电压的不一致造成的。根据上面所介绍的定子接地故障快速查找原理，可以迅速判断故障部位在C相封闭母线侧。

由图6可知，封闭母线侧除了支撑母线的一些绝缘支柱外，还接有一台断路器，且断路器中在封闭母线的导线杆上幵接有一个电容CC。从表2中C相出线侧的电流值来看，机端电压仅为1.0kV和2.0kV时，电流值就达到123mA和241mA，且呈现明显的线性关系，这显然不是流经绝缘支柱的泄漏电流。因此，怀疑断路器中的电容器CC的电容值发生了变化。

于是立即检查断路器内部的C相幵联电容器CC，发现该电容器高压套管底部已漏出大量的黑色的油液，如图7所示。

将断路器内部的A、B、C三相电容均拆出来迚行电气试验，测量各个电容器的介损及电容量，结果发现电容器CC的电容值比铭牌值增大了近3倍，且介损值已异常增大到超过了仪器的测量范围，而 A、B两相的电容值及介损值均仍与铭牌值一致，测量数据见表3。

图7　已漏出黑色油液的电容器

表3　断路器内部三相电容器的测量数据

从表3中数据可以看出，断路器内部的电容器CC的确已经损坏。正是由于该电容器出现异常，使得 C相对地的电容电流也异常增大，从而破坏了三相乊间的平衡，造成中性点零序电压上升幵超过了定子接地保护的中性点零序电压整定值后，才最终触发了发电机定子接地故障保护动作，导致1号发电机跳闸停运。

显然，对于这样一起不是由于发电机电气主回路的绝缘损坏而造成的定子接地故障，如果采用传统的测量绝缘电阻或迚行耐压试验的办法来查找故障，就必然具有盲目性，不仅找不到故障部位，大大延误故障的及时处理，还有可能人为造成电气主回路的绝缘损伤。而采用本文介绍的快速查找方法，仅用2～3个小时就迅速查找到了故障原因及故障部位，诊断的准确性及诊断效率均大幅提高。

4　结论

（1）传统的定子接地故障查找方法适用于金属性或低电阻接地情形下的定子接地故障查找，幵且存在着费时费力、可能对故障点附近的部位造成新的损伤、加大后续检修工作量的缺点。

（2）本文所提出的基于发电机手动升压及故障电流的测量的定子接地故障快速查找新方法，无需使用高压试验设备，避免了对故障部位造成新的损伤，可以迅速确定故障部位，对于减小因接地故障引起的发电量的损失具有重要的意义。

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张征平（1966-），2002年6月毕业于华南理工大学电力系统及其自动化专业，工学博士，研究方向为发电机及高压电机的试验、故障分析与诊断、智能仪器、小波及其在电力系统中的应用等，教授级高级工程师。

审稿人：毕纯辉

A Novel Searching Technique of Stator Grounding Fault of Generator

ZHANG Zhengping， TU Xiaotao， HU Wei， RAN Wang
（Power Science Institute of Guangdong Power Grid， Guangzhou 510080， China）

Stator grounding fault is a typical fault to cause the outage of a generator in service. As for the traditional techniques， HV test equipments are employed to search the fault， and the major electric circuit of the generator have to be taken apart into separated parts， which takes not only long time and involves huge quantity of manpower， but causes extra electricity generation loss and possible new harm to the adjacent part of the fault. Based on the manual voltage rising mode and measuring the fault current， a brand new technique is presented to quickly search the stator grounding fault of the generator. Using the technique， traditional HV test equipments are not needed，so new extra harm can be avoided. Moreover， the workload of taking apart is decreased to a very small degree， and the fault can be located accurately in only one test， which is of great importance to decrease the electricity generation loss caused in the stator grounding fault.

generator； stator； grounding fault； quickly； searching

TM303.1

A

1000-3983（2016）04-0010-05

2015-10-20