因封母积水导致的发电机定子接地保护动作分析

李 锋

（浙江浙能温州发电有限公司，浙江 温州 325602）

0 引言

发电机电气故障对机组安全稳定运行影响极大，甚至会引起电力系统的振荡和失稳，因此当发生发电机电气故障时，相关继电保护装置必须能够快速、可靠、灵敏和有选择性地将其切除[1]。330MW 某火电机组因发电机定子接地保护动作出口而发生跳机事件，通过对保护装置动作报文分析，故障录波器录波文件分析以及现场全面检查，发现高压厂变A 高压侧C 相封闭母线内存在积水而导致绝缘降低，进而发展为发电机C 相单相高阻接地，使发电机定子接地保护正确动作。

本文将对该定子接地保护动作事件进行详细分析，找到故障发生原因，举一反三，提出相应防范措施，消除安全隐患，大大提高发电机及其封母运行的可靠性和安全性。

1 发电机定子接地保护原理

1.1 基波零序电压定子接地保护

由于发电机定子回路发生单相接地时定子回路各点均有零序电压出现，因而保护的零序电压可取自机端电压互感器的开口三角侧或中性点变压器的二次侧，采用微机保护检测发电机基波零序电压，就构成了基波零序电压原理的定子接地保护[1]。

定子绕组接地时，如接地点不在绕组中性点位置，则机端三相对地电压对称性遭破坏，由此机端将出现零序电压，其大小与接地位置有关。如图1，设故障点位于定子绕组A 相距中性点α 处，α 为中性点到故障点的匝数占一相串联总匝数的百分比。由于接地电流非常小，定子绕组感抗又远小于对地容抗，所以可以完全忽略定子绕组感抗压降，这样零序电压U0既是发电机中性点的位移电压，也是定子绕组任一相和任一点的零序电压[2]。

图1 定子单相接地基波零序电压向量图Fig.1 The vector diagram of the fundamental zero-sequence voltage of the stator single-phase grounding

当故障点在机端时，α=1.0，U0=Eph（相电动势），压变开口三角形绕组电压为100V；当故障点在中性点时，α=0，U0=0，压变开口三角形绕组电压为零。开口三角形绕组电压随接地点位置的变化关系如图2。

图2 开口三角形绕组电压随接地点位置的变化关系图Fig.2 The relationship between the voltage of the open delta winding and the position of the ground point

由图2 可见，零序电压元件的定值实际上即决定了元件保护区的大小，其值愈小，保护范围就愈大，相应保护死区也愈小。如元件定值为20V，则自定子绕组引线端算起，在80%的定子绕组范围内发生接地故障，保护均能反映，剩余20%的定子绕组即为保护死区。

本文所例为南瑞的PCS-985 保护装置，其采用了频率跟踪、数字滤波及全周傅氏算法，使得零序电压对三次谐波滤除比达100%，保护只反应基波分量。基波零序电压保护设两段定值，一段为灵敏段，一段为高值段，延时可独立整定。灵敏段基波零序电压保护，动作为信号时，动作方程为：

其中，Un0为发电机中性点零序电压，U0zd为零序电压定值，本文所述机组U0zd=6V。

灵敏段动作于跳闸时，还经过主变高压侧零序电压闭锁，以防止区外故障时定子接地基波零序电压灵敏段误动，主变高压侧零序电压闭锁值可整定，本文所述机组整定闭锁值为40V。

高定值段基波零序电压保护，取中性点零序电压为动作量，动作方程为：

高定值段直接作用于跳闸，本文所述U0hzd=14V。

1.2 注入式定子接地保护

注入式定子接地保护是由RCS-985U 低频注入电源和RCS-985 保护装置两部分共同实现。其保护接线图如图3。

注入式定子接地保护将20Hz 方波加载在负载电阻上，通过接地变压器注入到发电机定子绕组对地的零序回路中，保护装置检测注入的电流、电压信号，通过计算判断接地故障。当对地绝缘受到破坏，注入电流出现电阻性电流。检测注入的20Hz 电压、电流，通过导纳法可计算出接地过渡电阻，可以反映发电机100%的定子绕组单相接地[3]。

2 发电机定子接地保护动作原因分析

2.1 事件过程

某330MW 自并励火电机组，发电机中性点经接地变高阻接地，发电机主变压器组单元接线至220kV 系统，未配置GCB，高压厂用电系统由A、B 两台高压厂变提供。某日，该330MW 机组跳闸，首出为发变组保护A 屏发电机基波零序电压保护动作。动作时序为17 时24 分14 秒585毫秒保护启动，延时622ms 后保护出口于全停；发变组保护B 屏注入式定子接地保护在17 时40 分51 秒发信报定子接地，接地电阻值为1.99kΩ，发电机注入式定子接地保护信号无法复归，且在发电机中性点接地变闸刀未拉开前，接地电阻值持续下降。

该机组安装有南瑞继保PCS-985 型保护装置，基波零序电压保护整定为3U0=6V，延时T=0.5s，出口方式为全停。

2.2 事故分析

图4 高压厂变A高压侧C相积水流下情况Fig.4 The situation of high-pressure plant transformer A under the condition of water accumulation in phase C on high-pressure side

查阅故障录波波形，得到保护动作数据见表1。通过分析可知，发电机C 相二次电压从保护启动时的53.358V逐步降低，且可以认为保护启动前电压已经在逐步下降，C相二次电压最低至50.139V；发电机A 相电压基本保持不变；B 相电压逐步升高；发电机中性点基波零序电压逐渐增大，主变中性点零序电压为0V，小于系统侧发生单相接地的传递电压定值40V。因发电机系统为中性点经接地变接地系统，故接地相电压降低，非故障相电压上升。因下降电压幅值不大，判断为C 相定子经高阻（非金属性）接地。注入式定子接地保护发信报接地电阻1.99KΩ，也间接证实该推论。

表1 机组故障录波器数据Table 1 Data of unit fault recorder

图6 C相封闭母线内积水流向高压厂变A盘式绝缘子Fig.6 The accumulated water in the closed busbar of phase C flows to the A disc insulator of the high-voltage power plant transformer

3 现场检查处理

机组状态改冷备用后，测发电机出口绝缘为零，发电机出口PT 绝缘正常。现场检查发电机出口PT、中性点接地变压器等一二次设备未见异常。故障前后，发电机绕组及出水温度等参数无异常。再次检查发变组保护B 屏注入式定子接地保护电阻为1.43kΩ，相比之前绝缘有所下降。

发现高压厂变A 高压侧C 相升高座的顶部排水口处有滴水现象，怀疑上方的封闭母线有进水。发电机出口软连接拆开后，测主变低压侧绝缘为零，发电机定子绝缘A 相6140MΩ、B 相3160MΩ、C 相5850MΩ。再查发现变组保护B 屏注入式定子接地保护报警已消失，判断发电机定子侧不存在绝缘问题。

后续对高压厂变A 高压侧封闭母线C 相分支滴水的盘式绝缘子导体部位的密封压圈进行拆卸检查，取下压圈后盘式绝缘子上方的积水快速流下，确认封闭母线内存在较多积水。将盘式绝缘子拆下后，对封闭母线测量绝缘，A相绝缘65MΩ，B 相绝缘110MΩ，C 相绝缘60MΩ，封闭母线绝缘恢复。同时检查盘式绝缘子，表面无损伤，如图5。

图5 盘式绝缘子表面无损伤Fig.5 No damage to the surface of the disc insulator

继续对封闭母线进行检查，发现封闭母线各相内部均存在积水情况，积水量C 相最多、B 相次之、A 相最少，封闭母线发电机侧均干燥无水。引起封闭母线内部积水的原因是该封闭母线微正压装置气源接自机组检修空压机，且微正压装置存在缺陷。根据国家能源局《防止电力生产事故的二十五项重点要求》“10.14 防止封闭母线凝露引起发电机跳闸故障”，微正压装置气源宜取用仪用压缩空气，而本台机组封闭母线微正压装置气源采用检修压缩空气，气源品质较差。检修空压机产生的压缩空气没有经过过滤，含有较高水汽，微正压装置对气源过滤和干燥的作用有限，特别是外界空气潮湿的情况下，使含水量较多的空气进入封闭母线后冷凝析出水，并沿封闭母线流向处于较低位置的高压厂变A 盘式绝缘子处积累。显然，C 相封闭母线内积水过多，导致盘式绝缘子处导体通过积水对外壳放电造成接地，为本次事件的直接原因。

4 防范措施

微正压装置是一种将压缩空气经过过滤、除水、干燥后送入到封闭母线外壳内以保持封闭母线内部空气压力高于外界压力的装置[4]。

根据电力行业标准DL/T 1769-2017《发电厂封闭母线运行与维护导则》附录B.1 要求，微正压装置主气源宜使用厂内仪用压缩空气，并选用无水、无油型空气压缩机作为备用气源。过滤装置应具备微尘过滤、空气干燥的功能，使用仪用压缩气源时，应特别安装油气分离装置。储气罐宜具备自动排水装置，实现定期自动排水功能[5,6]。

对于沿海潮湿地区，建议将微正压装置改造为热风循环微正压装置，做好系统的检查维护工作，提高设备的可靠性[7]。

5 总结

在此案例中，基波零序电压定子接地保护正确动作，及时切除了故障。机组封闭母线微正压装置接至检修用压缩空气，因检修用压缩空气中析出冷凝水沿着充气管道进入封闭母线内部，并在高压厂变A 高压侧C 相盘式绝缘子处积累，封母绝缘下降，最终发展成为接地故障，导致发动机基波零序电压保护动作。

此次事件暴露了基层生产技术人员对设备的管理不够精细，贯彻执行标准不到位，应加强学习，做好电力设备运行维护工作，提高设备可靠性和可用性。