一起典型的发电机单相接地短路案例分析

王国仁，郝建成

（晋能控股山西电力股份有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

目前大容量发电机的中性点一般采用经单相变压器高阻接地方式，这种接地方式下发电机单相接地故障电流一般被限制在15 A以下，但当发电机中性点由经单相变压器高阻接地方式变为中性点直接接地方式后，接地电流将是发电机额定电流的数倍，如此大的电流将会给发电机及其附属系统带来相当大的危害[1]。本文通过介绍一起典型的发电机单相接地短路案例来说明发电机检修管理的重要性，为大家提供借鉴。

1 发电机中性点接地的方式

一是中性点不接地。当发生单相接地故障时，其故障电流就是发电机三相对地电容电流，当此电流足够小，单相接地故障处不产生电弧或者接地电弧瞬间熄灭，这个不产生电弧的最大接地电流被定义为发电机单相接地的安全电流，该电流并没有烧毁铁芯的危险。发电机中性点不接地方式，一般适用于小容量的发电机。

二是中性点经单相电压互感器接地。实际上这也是一种中性点不接地方式，单相电压互感器仅仅用来测量发电机中性点的基波和三次谐波电压。对于单相接地电容电流小于安全电流的发电机可采用这种接地方式，这种接地方式能实现无死区的定子接地保护。

三是中性点经单相变压器高阻接地。发电机中性点通过二次侧接有电阻的接地变压器接地，实际上就是经大电阻接地，变压器的作用就是使低压小电阻起高压大电阻的作用，这样可以简化电阻器结构，降低造价。大电阻为故障点提供纯阻性的电流，同时大电阻也起到了限制发生弧光接地时产生的过电压的作用。为了定子铁芯的安全，接地故障电流一般被限制在15 A以下，一般认为在此电流下持续5～10 min，定子铁芯只受轻微损伤。

四是中性点经消弧线圈接地。在发生单相接地故障时，消弧线圈将在零序电压作用下产生感性电流，从而对单相接地时的电容电流起补偿作用(采用过补偿方式，以避免串联谐振过电压)。这种方式也可以实现高灵敏度既无死区的定子接地保护。

五是中性点直接接地。在这种接地方式下，发生单相接地后的短路电流很大，需要立即跳开发电机灭磁开关和出口断路器（或发变组出口断路器）。

2 案例介绍

某发电厂2×600 MW机组，发变组单元接线，2台主变压器（以下简称“主变”）分别经“一个半”断路器接线（3/2接线）与500 kV系统相连，系统接线与故障点情况如图1所示。

图1 系统接线与故障点示意图

2.1 设备型号及参数

发电机为三相交流隐极式同步发电机，型号QFSN-600-2YHG，额定定子电压20 kV，额定定子电流19 245 A，水氢氢冷却方式；励磁变压器（以下简称“励磁变”）型号为ZBDCR9-2000/20/ ，容量为2 300 kVA；接地变压器型号为DDBC-60/20。

2.2 发电机中性点接地方式

发电机中性点经单相变压器高阻接地，变压器容量60 kVA，二次电阻0.3 Ω。

2.3 事故经过

1号600 MW汽轮发电机组带270 MW负荷正常运行，听到汽机房“嘭”的一声巨响，负荷甩至0 MW，1号机发“励磁系统故障”信号，发电机差动保护动作，主变差动保护动作，发电机解列，厂用电切换成功；2号发电机运行正常。

检查发变组保护装置记录，故障发生16 ms主变差动速断动作，随后发电机比率差动、主变比率差动、主变工频变化量差动相继动作，发电机出口开关、发电机灭磁开关分别在52.6 ms和90.4 ms切除故障，经现场检查故障点在励磁变A相水平段管母第一组支持瓷瓶和发电机中性点C相套管，故障点在差动保护范围内，保护动作行为正确；发电机接地零序电压保护时限定值为2 s，动作时限没有达到动作条件。

2.4 现场调查

现场检查发现励磁变A相母线水平段靠近90°角侧的第一组16点方向支持瓷瓶被电弧损伤，励磁母线外壳有电流放电痕迹，母线内部集落大量灰尘；发电机中性点C相套管磁裙被电弧炸裂，套管法兰螺栓被烧熔。

故障录波装置显示，发电机电压显示故障后t2时刻发电机A相电压降低至1.279 kV，B、C相电压略有升高，C相电压升高至13.43 kV；发电机A、B、C相电流均增大，A相电流134 kA，B相电流30.493 kA，C相电流22.072 kA。发电机中性点电流在故障后半个周波内才有电流，持续约10 ms后消失。

2.5 故障分析

正常情况下由于发电机是非直接接地系统，发生单相接地后故障相电压降低为零，中性点电压不再为零，上升为相电压，非故障相升高倍，接地后的电压向量如图2所示。一点接地后接地点流入的是整个系统的电容电流，接地电流一般被限制在15 A以下。

图2 非直接接地系统单相接地后的电压向量图

分析故障录波信息，可以确定故障初始阶段电气特征与非直接接地系统单相接地后的电气特征相符，发电机中性点零序电流故障前中性点零序电流有0.3 A，故障后半个周波内电流才增大，说明了故障前发电机中性点是非直接接地系统，当d1点接地后过电压瞬间将d2点绝缘击穿，随后故障扩大为发电机A相多点接地短路，d2点接地后中性点零序电流互感器CT（current transformer）有一部分分流被故障录波装置记录了下来。

结合现场实际情况，分析为励磁变A相母线水平段靠近90°角侧的第一组16点方向支持瓷瓶存在绝缘缺陷，运行中对封母外壳放电形成d1接地点，弧光接地产生过电压，导致发电机中性点导体对C相套管法兰放电形成d2接地点，d1、d2接地点共同造成发电机A相两点接地短路。d2点接地情况如图3所示。

2.6 故障造成的危害

故障电流形成了短路电动力和弧光冲击波，引起以下后果。

a）造成励磁变A相及部分管母等设备损坏。短路电动力和弧光冲击波在d1点（励磁变A相）沿封母管道向外冲击，造成励磁变A相封母外壳90°角处烧熔，管母在角焊缝处烧熔，再向下冲击使A相励磁变软连接撕裂，线圈接线鼻子掉下，管母熔铝掉落到A相励磁变上。

b）造成封母A相、中性点CT套管及中性点汇流母线等设备损坏。短路电动力和弧光冲击波在d2点（中性点）沿中性点封闭外壳向中性点接地柜处冲击，将发电机A相封母上的中性点引线外壳在直角弯处炸裂搭在发电机A相封母外壳上，中性点引线在母排处撅断，此时，故障电流由励磁变d1点通过发电机封母A 相外壳到中性点封闭外壳再到发电机中性点A相形成闭合回路，烧熔了中性点引线外壳和发电机封母A相外壳。

c）造成发电机中性点CT套管损坏。中性点导体对C相套管法兰放电，放电电弧导致发电机中性点C相套管的绝缘迅速下降，一部分故障电流通过发电机中性点C相CT流回中性点到达A相。

3 发电机中性点直接接地系统发电机单相接地短路电流计算

3.1 基础参数（已折算至SB=1 000 MVA）

系统阻抗标幺值XS＝0.023 5；主变阻抗标幺值X*T＝0.256 9；发电机阻抗标幺值：正序X*G1＝0.305 7，负序X*G2＝0.301 7，零序X0＝0.143 5。

3.2 短路电流计算

正、负、零序网络情况如图4所示。

图4 正、负、零序网络图

正序阻抗X1∑=｛［(0.305 7+0.256 9)//0.023 5］+0.256 9｝//0.305 7=0.145 995

负序阻抗X2∑=｛［(0.301 7+0.256 9)//0.023 5］+0.256 9｝//0.301 7=0.145 075

零序阻抗X0∑=0.143 5

20 kV等级基准电流IB=28 867.51 A

发生A相单相接地短路时

流过发电机正序电流计算如下。

系统侧正序阻抗：X1∑=［(0.305 7+0.256 9］//0.023 5)+0.256 9=0.279 458

发电机侧正序阻抗：X*G1=0.305 7

流过发电机负序电流计算如下。

系统侧负序阻抗：X2∑=［(0.301 7+0.256 9)//0.023 5］+0.256 9=0.279 451

发电机侧负序阻抗：X*G2=0.301 7

流过发电机零序电流：I0=66 427.76A

发电机A相电流：IA=31 724.37+31 942.31+66 427.76=130 094.44 A

发电机B相电流：IB=a2I1+aI2+I0=34 354.74 A

发电机C相电流：IC=aI1+a2I2+I0=34 354.74 A

结论：计算电流与录波器电流大概一致，说明发电机中性点由非有效接地系统变成了直接接地系统的推论正确。

4 原因分析

a）励磁变A相水平段管母第一组支持瓷瓶存在绝缘缺陷，运行中瓷瓶对管母外壳放电形成d1接地点，是造成本次事故的直接原因。

b）管母外壳放电形成d1接地点，并产生弧光过电压[2]，瞬间将中性点C相套管绝缘击穿，形成d2接地点，d1、d2接地点共同造成发电机A相接地短路故障（如图5所示），故障电流形成了巨大的短路电动力和弧光冲击波，造成了设备损坏。发生中性点C相套管绝缘击穿的原因是因为该套管在检修中造成损伤或运行中留下污渍，造成该套管在过电压情况下绝缘击穿，中性点C相套管存在脏污或裂纹是造成本次事故扩大的主要原因。

图5 故障点示意图

c）励磁变A相水平段管母第一组支持瓷瓶与励磁变之间没有用盘式绝缘子封堵，长期与空气接触集聚了大量粉尘，瓷瓶不干净造成绝缘强度下降是本次事故的一个间接原因。

5 采取的措施

通过对这起典型的发电机单相接地短路案例的分析，总结了引起此次事故的3个原因，提出了以下几方面的防范措施。

a）加强发电机检修管理，检修中对发电机支持瓷瓶的清扫、检查应作为重点。机组在等级检修中应在电气瓷瓶的清扫过程中严格进行监护，避免损伤瓷瓶或留有污渍；检修中对发电机封闭母线的支持瓷瓶逐个进行清扫、检查，不能仅靠整体耐压试验来进行检测。举一反三，对发电机套管、盘式绝缘子、电压互感器瓷瓶、主变瓷瓶、避雷器瓷瓶等均应进行认真细致的检查并应设W/H点进行验证。

b）加强电气设备的绝缘监督，定期对电气设备进行绝缘分析和绝缘监督检查，依据《电力设备预防性试验规程》认真开展电气设备的交接和预防性试验工作。

c）采取有效措施严防发电机中性点由非有效接地系统变成直接接地系统。根据设计规范对中性点引线加装绝缘热缩套，并采取对中性点外壳内壁刷绝缘漆等有效措施，确保发电机中性点接地电阻柜等设备运行可靠稳定。