基于发电机机端和中性点零序电压值的故障类型判断

李博，陈硕，陈必扬，王昱，周晓明(华能巢湖发电有限责任公司，安徽巢湖238015)

基于发电机机端和中性点零序电压值的故障类型判断

李博，陈硕，陈必扬，王昱，周晓明
(华能巢湖发电有限责任公司，安徽巢湖238015)

发电机发生故障后，快速且准确的故障诊断方法有利于排除故障和缩短停机时间。发电机出现TV断线或定子接地故障时，通过分析发电机机端电压、机端零序电压、中性点零序电压数值的升高或者降低进行故障定位，确定发电机一次回路或者二次回路的故障类型及大致范围，又进一步根据现场经验指出具体的故障点，此方法只需对比故障前后发电机的电压值，简单易行。

发电机；机端电压；中性点零序电压；故障判断

发电机随着单机容量的增大，设备复杂性不断增加，对经济性和安全性影响更加严重，因此发电机故障诊断研究有重要的现实意义。发电机电气故障检测通过利用继电保护等信息来识别故障元件位置，目前基于神经网络与专家系统的发电机组故障诊断系统不断发展〔1〕，对于具体的发电机的故障定位，文献〔2〕中提出由注入式定子接地保护原理计算过渡电阻，再利用接地位置与发电机零序电压、故障相电压、对地电容及故障过渡电阻的关系，计算出具体故障位置。

本文摆脱建立诊断系统思想的框架，也不依赖发电机注入式原理的定子接地保护，用一种新思路以继电保护装置电压采样为依据进行发电机故障判断，即利用发电机机端电压、发电机机端零序电压、中性点零序电压数值的变化进行故障判断，并结合现场实际进行具体故障点定位，该方法具有一定的普适性。

1 发电机机端电压及中性点零序电压采样

大型发电机典型接线图如图1所示，发电机机端配置3组电压互感器，发电机中性点经单相变压器高阻接地，TV2，TV3为发电机机端普通TV，TV1为发电机匝间保护专用TV，匝间专用TV的一次侧中性点与发电机中性点可靠连接，发电机保护装置能采到发电机机端电压UA，UB，UC，U′A，U′B，U′C，机端匝间保护自产零序电压3 U′0，机端纵向零序电压U′T0，机端自产零序电压3 U0，机端零序电压UT0，中性点零序电压UG0，其中UA，UB，UC通过TV2或TV3获得，U′A，U′B，U′C通过TV1获得，机端自产零序电压3 U0由机端三相电压UA，UB，UC合成计算得到，机端匝间保护自产零序电压3 U′0由机端三相电压U′A，U′B，U′C合成计算得到，机端零序电压UT0取自机端TV2或者TV3开口三角零序电压，也称为外加零序电压，机端纵向零序电压U′T0取自机端TV1开口三角零序电压。正常运行时含三次谐波和基波分量，基波分量极小〔3〕(经常小于1 V)，保护装置也会采用数字滤波及全周傅氏算法滤除零序电压中的大部分三次谐波，零序电压只反应基波分量的大小。

图1 大型发电机典型接线图

2 发电机机端及中性点电压变化对应的故障类型

当UA，UB，UC，3 U0，UT0，UG0这些采样其中一个或几个同时变化时，通过分析确定对应的故障类型。以下分析的一个基本设定是回路接线正确及保护装置本身工作正常。

2.1 二次回路异常

发电机机端某相电压(例如UA)数值降低，3U0数值增大，其他采样数据大小及相位无变化，3U0是由机端三相电压相量合成计算得到，只要某一相电压增大、降低或者相位变化，就会引起3U0的变化，可以判断是A相TV二次绕组或者二次回路异常，从现场发生的情况来看大部分是二次回路空开接触不良引起，可进一步检查TV端子箱处及保护装置柜内空开处有无虚接。

A相TV二次电压降低时对应的相量图如图2所示，可进一步观察到3U0＋UA为57.74 V。

图2 A相电压降低后相量图

若UT0数值增大，其他采样数据无变化，说明TV的三次绕组或者三次回路异常，对于初次投运的TV，应检查三次绕组的某相极性是否错误或接反。

2.2 TV一次熔丝故障

发电机机端电压某相电压(例如UA)数值降低，3U0，UT0数值增大且几乎相等，其他采样数据大小及相位无变化，这说明是TV一次回路异常引起，可能是TV本身故障，或者是TV一次熔丝出现渐熔现象，出现TV一次熔丝(B相)渐熔时保护装置采样值如表1所示，从表中可看出B相电压下降，A、C电压基本保持不变，3 U0及UT0有不同程度的增加(机端自产零序电压3U0与机端开口三角零序电压UT0的相关系数0.577 4)。从现场实际运行情况应先检查TV一次熔丝是否松动或出现渐熔现象，可用温枪测量熔丝是否发热，并采用对应的措施处理，应注意退出相关的保护，避免操作过程中保护误动作。

表1 TV一次熔丝出现渐熔时保护装置采样V

二次回路异常和TV一次熔丝故障这2种情况发生时保护装置只会根据其判据报“发电机机端TV断线”，但实际故障点却相差很远，有了上述分析就能精准定位故障点。

当U′A，U′B，U′C，U′0，U′T0电压值有以上变化时分析同上，此时故障点在发电机匝间专用电压互感器TV1的一次或者二次回路上。

2.3 发电机定子接地故障

发电机机端某相电压(例如UA)数值降低，UC，3 U0，UT0，UG0数值都升高，UB可能升高也可能降低，这种情况一般不是二次回路异常或接线错误引起，故障点应在发电机一次回路，保护装置也会报“定子接地保护”报警或者跳闸，故障点不仅限于定子绕组本身，很多情况是由发电机外部元件故障引起，如TV一次绕组匝间短路或GCB对地电容器故障〔4－6〕都会引起定子接地保护动作。当发电机定子绕组某相(例如A相)发生接地故障时，3U0，UT0，UG0增大很好理解，UB，UC电压也变化是因为发电机中性点电压发生了偏移，如图3示。

图3 发电机定子绕组A相接地故障等效电路

发电机三相绕组电动势为EA，EB，EC，三相绕组对地电容一般相等为C，发电机中性点经高阻Rn接地，A相α位置(故障位置距中性点占整个绕组比例)经过过渡电阻Rg发生接地故障，由基尔霍夫电流定律可得:

化简后得:

UB＝EB＋UG0，UC＝EC＋UG0，C相电压因为中性点零序电压的偏移而升高，B相电压与发电机中性点接地电阻、故障点接地位置和故障点过渡电阻等有关，可能升高，也可能降低，但可以确定的是UC＞UB＞UA

〔2〕，推广到B，C相定子绕组接地故障时分别为UA＞UC＞UB，UB＞UA＞UC。某600MW发电机定子绕组C相接地故障后电压值见表2。

表2 定子绕组C相接地故障后电压值V

当发电机出口某相(例如A相)对地电容器故障时，等效电路如图4所示。

图4 GCB A相对地电容器故障等效电路

A相对地电容由正常值C变成C′，由基尔霍夫电流定律可得:

由于中性点电压的偏移，三相电压出现不平衡，3U0，UT0，UG0升高，A相电压降低，C相电压升高，B相电压与A相对地电容值有关系，可能升高，也能可能降低，从某些电厂发生GCB对地电容器故障时机端电压看，A相电容器故障，A相电压最低，C相电压升高，B相与A相电压相差不大。

TV一次绕组匝间短路时故障相对地电抗已非无穷大，该相对地阻抗已变成经阻抗接地，与发电机定子绕组经过渡电阻接地情况相同。文献〔7〕提出相角判别的定子接地保护原理，利用零序电压和零序电流的方向判别故障方向，判断是定子绕组本身还是外部短路。在文献〔8〕中提出了出口电容器故障引起的定子接地保护动作的诊断方法，利用定子相电压构成三相参照系，对比分析出口电容器故障与定子绕组接地时的零序电压相位特征，提出相应诊断方法。

应当注意的是正常运行时保护装置UT0，UG0数据很小，不能反映回路是否工作正常，运行中可通过检测三次谐波分量来判断回路是否完整，在检修时应注意检查整个回路的完整性，防止出现故障时因零序回路断开导致的保护装置拒动作，也同样给故障判断带来一定麻烦。TV1是匝间保护专用TV，反应的是发电机机端对中性点电压的变化，上述几种故障发生时，TV1二次侧电压是不变的，这一特点也是上述几种故障的旁证。

3 结束语

故障判断准确与否事关机组的抢修进度，也是历来现场技术人员比较棘手的事情，故障的依据却只有细微的差别，但故障类型却相差很远，这就要求现场技术人员仔细辨别采样数据，在故障判断时，还应结合相同条件下另一套保护装置或同样负载不同回路的数据变化，并实测电压值。

〔1〕于刚，高正平，徐治皋，等.基于神经网络与专家系统的汽轮发电机组故障诊断系统〔J〕.电力系统自动化，2004，28 (4):67-70.

〔2〕毕大强，王详珩，李德佳，等.发电机定子绕组接地故障定位方法〔J〕.电力系统自动化，2004，28(22):55-57.

〔3〕王维俭.大型机组继电保护理论基础〔J〕.北京:中国电力出版社，1997.

〔4〕于龙滨，姚颖锋.发电机出口TV匝间短路故障分析〔J〕.东北电力技术，2014(12):11-13.

〔5〕吕景顺，孙亚明，马建海.发电机出口电压互感器匝间故障引起机组定子接地保护动作实例分析〔C〕//2009年中国电机工程学会年会.2009:1-3.

〔6〕涂小涛，张征平，胡卫.发电机出口电容器缺陷引起定子接地保护动作诊断方法〔J〕.电力系统自动化，2014，38 (24):96-100.

〔7〕凃崎，邰能灵.基于相角差的发电机定子接地保护方向元件〔J〕.电力系统自动化，2009，33(14):61-64.

〔8〕陈飞文，兀鹏越，陈佳佳，等.发电机外部“定子接地”故障分析与处理〔J〕.电气技术，2013(11):56-59.

Generator Failures Identification Based on Motor Term inal and Neutral Zero Sequence Voltage

LIBo，CHEN Shuo，CHEN Biyang，WANG Yu，ZHOU Xiaoming
(Huaneng Chaohu Power Plant Co.Ltd.，Chaohu 238015，China)

When generator aborts，finding accurate solutions to generator failures can help with troubleshooting and shortening halt period.When generator failures such as TV disconnection or stator ground fault happen，through analyzing fluctuation of motor terminal voltage，motor terminal voltage and neutral zero sequence voltage，it can narrow down the type and scope of generator failures in primary circuit and secondary circuit.And then it can find out specific generator failures.This simple method is conducted by comparing the generator voltage before and after the machine breakdown.It is worth widely recommended.

generator；motor terminal voltage；neutral zero sequence voltage；accident identification

TM307＋.1

B

1008-0198(2017)03-0062-03

李博(1984)，男，工程师，主要从事电厂生产电气技术工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.03.017

2016-08-22 改回日期:2017-02-07