一起机端断路器非全相合闸案例的分析与思考

魏 扬，吴礼贵

（三峡水力发电厂，湖北省宜昌市 443000）

0 引言

大型发电机变压器组因配置厂用电的要求，需在发电机出口配置机端断路器（GCB）。根据规程要求，发电机出口断路器操作机构需采用三相联动机构[7-10]。一般认为，三相联动机构不会发生非全相合闸状况，但随着操作次数的增多、机械结构磨损或者设计上的缺陷，GCB非全相故障案例越来越多[5]。本文介绍了一起带GCB机组非全相合闸并网的实例，通过分析和研究，提出了增设机端断路器非全相保护的必要性与可行性。

1 事件过程

某电厂某机组开机并网过程中，监控系统报A/B套主变压器低压侧接地、发电机保护A/B套总出口动作、电气保护总出口动作等信号，并网不成功。现场检查，发电机保护A、B盘零序电压定子接地保护动作，注入式定子接地保护未动作。两套发电机保护采样一致、TV自产零序和开口三角零序均存在零序电压，排除二次回路及保护采样问题，判定一次系统存在异常。事件过程见表1。

表1 事件过程记录时序Table 1 Event process recording sequence

2 故障录波数据分析

2.1 发电机并网前

发电机并网前0～14ms，发电机侧和主变压器低压侧三相电压对称（有效值约为57.6V），无零序电流，无零序电压，三相电流为零。发电机并网前，GCB及隔刀两侧的一次设备无异常，如图1所示。

图1 发电机并网前波形图和向量图Figure 1 Waveform diagram and vector diagram before generator grid connection

2.2 GCB合闸时刻

GCB合闸并网后，发电机侧C相电压和主变压器低压侧C相电压幅值相位基本保持一致，幅值由合闸前57.7V缓慢降至50V。主变压器低压侧A、B相电压发生明显偏移，且A相电压幅值急剧上升至119.25V，B相电压幅值先降至42.3V后再回升至73V左右。发电机侧A、B相电压偏移幅度较小，幅值均缓慢升高至62V，如图2所示。

图2 发电机并网后波形图和向量图Figure 2 Waveform diagram and vector diagram after generator grid connection

分析主变压器低压侧波形，虚拟出主变压器低压侧线电压通道，可以看到Uab、Ubc和Uca幅值固定100V，且相位差120°保持不变，排除主变压器低压侧PT故障，如图3所示。机端自产零序电压与外接零序电压采样一致，排除机端PT故障。

图3 发电机并网后主变压器低压侧Ubc和Uac电压Figure 3 UBC and UAC voltage at low voltage side of main transformer after generator grid connection

通过故障录波和保护动作分析，判断为发电机C相与系统C相形成电气连接，A、B相未形成电气连接，出现机端非全相运行异常状态。根据一次连接分析可确定，主变压器低压侧C相通过发电机C相绕组及中性点接地变接地，形成了一个类似于主变压器低压侧C相接地的电气故障现象，如图4所示。此时，因发电机电压和系统电压频率不同步，三相电压逐步发生偏移，且主变压器低压侧三相电压幅值变化更大[3]，造成变压器低压侧零序电压率先达到报警定值10V，A、B套变压器保护均发主变压器低压侧接地信号。

图4 主变压器低压侧电气连接图Figure 4 Electrical connection diagram at low voltage side of main transformer

图5为并网前后机端电流波形，从图5可知，发电机并网后，机端三相电流一直为零。正常情况下，成功并网瞬间会产生一定的冲击电流，进一步验证了发电机机端断路器或隔离刀闸未能和系统进行有效连接，且有两相为故障相。机端与主变压器低压侧只有一相有电气连接，属于非全相运行状态。由于发电机为中性点不接地系统，主变压器低压侧为三角形接线，故其零序网络与正序和负序网络“不通”，没有电流[6]。

图5 并网前后机端电流波形Figure 5 Generator terminal current waveform before and after grid connection

3 断口两侧电压理论分析

带机端断路器的机组并网时，GCB两侧均有电动势。GCB合闸后处于非全相运行状态（仅C相形成电气连接），主变压器低压侧C相绕组虽然类似于经接地变电阻接地的虚假接地情况，但因受机端C相电压的牵制，低压侧C相电压始终保持与机端C相电压相同。此时主变压器低压侧三相电压不同步，主变压器中性点电压发生偏移。下面用叠加原理，分别对机端侧和主变压器低压侧三相电压展开理论分析计算。

3.1 机端三相电压分析

分别对断路器两侧电压量进行定量分析，发电机机端至主变压器低压侧均为不接地系统。机端三相电压分别为：

根据基尔霍夫电流定律：

得出机端中性点对地电压为：

由于GCB A相和B相两侧未形成有效连接造成非全相运行，则机端A、B两相对地阻抗均为GCB靠发电机侧电容、定子单相对地电容与中性点接地电阻之和，即：ZAG=ZBG=1/Rn+jω（Cg+Cd），C相对地阻抗为3倍主变压器侧电容加上定子单相对地电容、GCB发电机侧电容与中性点接地电阻之和，即：ZCG=1/Rn+jω（3Ct+Cg+Cd），机端断路器两侧对地电容及接地变电阻参数如表2所示。

表2 机端断路器两侧对地电容及接地变压器电阻参数Table 2 Parameters of grounding capacitance and grounding transformer resistance on both sides of terminal circuit breaker

将上述参数代入计算，中性点对地电压，机端A、B、C三相电压一次值分别为：

将一次值折算到二次侧，机端开口三角电压，机端A、B、C三相电压一次值分别为：

3.2 主变压器低压侧三相电压分析

当GCB非全相运行时，机端三相电势和系统三相电势频率不同步，三相电压逐步发生偏移。随着时间的推移，两侧电势的相角差逐步增大，不同的相角差对应的计算值均不同。为分析某时刻两侧电势理论值，选取系统侧超前机端侧30°时刻进行定量分析。故障时刻的录波图如图6所示。

图6 GCB合闸后主变压器高压侧电压超前机端侧电压30°时刻录波图Figure 6 Oscillogram when the voltage at the high voltage side of the main transformer is 30° ahead of the voltage at the generator end after GCB is closed

此时系统侧三相电压为：

同理，根据基尔霍夫电流定律：

得出主变压器中性点对地电压为：

由于GCB A相和B相两侧未形成有效连接造成非全相运行，则主变压器低压侧A、B两相对地阻抗均为GCB靠主变压器低压侧电容，即：ZAS=ZBS=jωCt，C相对地阻抗为中性点接地电阻加上主变压器侧电容与3倍定子单相对地电容、GCB发电机侧电容之和，即：

将参数代入计算，主变压器中性点对地电压，主变压器低压侧A、B、C三相电压一次值分别为：

将一次值折算到二次侧，主变压器低压侧A、B、C三相电压一次值分别为：

上述计算表明，若机端侧无电势，机端断路器非全相运行时，主变压器低压侧三相电压变化特征与定子单相接地高度类似。

带机端断路器的机组在停机且主变压器倒挂运行时，因GCB机构故障导致的GCB非全相运行，主变压器低压侧零序电压满足动作值会使主变压器低压侧接地告警动作。

结合图6录波数据分析，由于机端C相电压的牵制，主变压器低压侧C相电压幅值和相位始终保持一致。叠加两侧的电动势对三相电压的影响，中性点发生偏移，主变压器低压侧三相电压矢量图如图7所示。

图7 特殊时刻主变压器低压侧三相电压矢量图Figure 7 Three phase voltage vector diagram at low voltage side of main transformer at special time

若不考虑机端电动势对主变压器低压侧三相电压的影响，经理论计算可得，低压侧A相电压和B相电压的相对幅值和相位如图中黑色A和黑色B所示，A相电压和B相电压幅值相等，相位差60°，C相电压近似为零，此时中性点为O1点。

通过计算得出，受两侧电动势综合影响下，机端断路器发生AB两相断相故障时，主变压器低压侧A相电压为84.117∠34.87°V，B相电压 43.8387∠ -61.9224°V，C相电压 55.5341 ∠ 117.3744°V，零序电压 50.1988 ∠ 42.4897°V。三相电压及零序电压理论计算值与故障录波数据记录的采样基本吻合。

综合机端三相电压和主变压器低压侧三相电压分析可知，当GCB非全相运行时，GCB两侧的三相电压和开口三角零序电压均特征呈现和定子单相接地类似的故障特征，属于“虚假”定子接地，当故障量达到基波零序电压定子接地保护动作值时保护动作，符合理论分析。

4 GCB非全相保护现状

主变压器高压侧断路器（500kV）一般为分相操作机构，通过分相断路器辅助接点构成非全相保护，是断路器保护的标准配置[4]。机端断路器（GCB）及其隔刀均为三相机械联动机构，不存在分相的辅助接点，无法通过断路器辅助接点实现非全相保护。GCB并网初期，若单相断线，由于导叶开度小及发电机与系统侧相差很小，负序电流较小；若两相断线，因发电机为高阻接地，一次侧基本无电流。综上所述，GCB非全相保护无法通过辅助接点或电流保护快速检测出故障。

GCB及隔刀采用三相联动机构，一般认为其不会发生非全相故障，但随着操作次数增加，机械结构磨损，甚至设计缺陷，GCB非全相故障越来越多[5]。目前，规程未要求GCB开关配置非全相保护，因此在并网初期无法快速检测出非全相工况。

查阅相关文件，目前已投入的GCB非全相保护，一般利用GCB断线故障导致发电机机端基波零序电压与主变压器低压侧基波零序电压量的故障特征，采用断口两侧电压相量差构成GCB非全相保护原理，保护判据不依赖电流量，且不受电压互感器断线的影响，可快速检测机组并网初期和解列时的GCB非全相故障，该种原理保护已在广州抽水蓄能、深圳抽水蓄能、彭水、龙滩和乌东德等水电站得到应用[2]。

5 结束语

本文分析了一起并网初期，因机端断路器机械故障导致的非全相案例，结合保护动作报文和故障录波图，对故障发生时刻的GCB两侧电压量进行理论分析，给采用同类型接线方式的发电厂提供增设GCB非全相保护的思路。通过增设GCB非全相保护，可快速实现机组在并网和解列工况下的非全相识别，提升发电机安全运行水平。