大型水电站机组定子一点接地保护动作故障分析

张树忠

（雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610051）

0 前言

某水电站监控系统报机组发变组保护定子接地报警、发电机定子接地保护动作等报警信号。机组分闸，甩负荷90 MW，全厂AGC 退出，系统频率、电压无异常。现场检查原因为一根电焊条从位于发电机出口离相封闭母线（B 相中段）内的导体（中空）伸缩缝连接片之间的缝隙处掉落出来，焊条搭接在封闭母线通流导体与封闭母线外壳之间，造成通流导体与外壳接地，触发机组发电机定子一点接地保护动作，机组分闸。

1 定子一点接地保护配置

该水电站发电机定子一点接地保护为双重化配置，分别是发电机100% 定子一点接地保护64G-A 和发电机基波零序电压定子一点接地保护64G-B。

1.1 发电机定子一点接地保护

RCS-985U 定子接地保护注入电源装置提供约25 V-20 Hz 的低频方波，该方波加在发电机接地变负载电阻上，并采集负载回路电压、电流信号，计算出接地故障的过渡电阻值，实现检测定子绕组100% 范围内的接地故障。保护设置两段定值，高定值延时5 s 报警，低定值延时0.5 s 跳闸、灭磁、停机。保护装置接线示意如图1。

图1 定子接地机端电压波形图

正常情况下，由于发电机对地存在分布电容，因此检测到的低频电流应是发电机定子绕组对地电流，为容性电流；而当发电机定子绕组出现接地故障时，低频电流将会出现阻性分量。根据此原理，并通过发电机静态补偿试验，调整保护参数来消除接地变、二次回路以及元器件的影响，保护装置就能基于检测到的低频电压、电流信号计算出定子绕组接地电阻值。显然，保护不会受接地位置的影响，因此可以构成发电机100% 范围的定子绕组单相接地故障保护；同时，20 Hz 低频信号区别于工频及其各次谐波频率，因此不管发电机处于何种工况，保护均能正常工作。

1.2 基波零序电压定子一点接地保护

保护由基波零序电压和3 次谐波电压比率定子接地保护组成。基波零序电压保护发电机85%～95%的定子绕组单相接地，在中性点附近存在保护死区。3 次谐波电压定子接地保护对于中性点附近的单相接地短路有很高的灵敏度，它与基波零序电压保护正好有互补性，所以可用这两个保护联合构成100% 的定子绕组接地短路保护。

1.2.1 基波零序电压定子接地保护

基波零序电压保护反映发电机零序电压大小。保护采用了频率跟踪、数字滤波及全周傅氏算法，使零序电压对3 次谐波的滤除比达100以上，保护只反映基波分量。保护设两段定值，灵敏段延时0.5s 报警，高定值段延时0.3s 跳闸、灭磁、停机。

以A 相绕组的F 点发生接地短路为例，F点到中性点的匝数占该相绕组总匝数的百分比为α。此时机端T 点各相的对地(对A 相的F 点)电压为：

所以，机端T 点对地零序电压为：

可以得到，在发电机端出口单相接地时零序电压最大，在中性点处接地时零序电压为零，可以准确判别发电机中性点以外，85%～95%的定子绕组单相接地故障。

1.2.2 3次谐波电压比率定子接地保护

3 次谐波电压比率定子接地保护采用3 次谐波电压比率判据，只保护发电机中性点25%左右的定子接地，保护动作于报警。保护原理如下分析：

正常运行时机端与中性点处的3 次谐波电压的特征，发电机每相对地电容Cg各一半分接在机端和中性点处。发电机外接元件的每相对地电容Ct接于机端。发电机3 次谐波的相电势为E3。由于正常运行时三相的3 次谐波电压的幅值和相位相同，所以在3 次谐波等值电路图中机端T 处三相可连在一起，中性点N 处三相本来就连在一起，构成三相3 次谐波等值电路图。各处的电容是单相电容的3 倍。发电机的电阻、电抗、电导相对于电纳来说很小，可忽略不计。

可以得到发电机正常运行时机端和中性点3次谐波电压之比：

以A 相绕组F 点发生接地短路为例，F 点到中性点的匝数占该相绕组总匝数的百分比为α，得到三相3 次谐波等值电路图。

可以得到发电机定子绕组一点接地时机端和中性点3 次谐波电压之比：

2 故障分析

由于与发电机直连的一次设备（发电机出口离相封闭母线、发电机励磁变高压侧、发电机出口PT 一次侧、厂高变高压侧、主变低压侧、主变低压侧PT 一次侧）在电气参数上与发电机定子无异，且定子接地故障电气特征与铁磁谐振相似[1-3]，因此目前的保护装置均不具备故障点定位的功能，故障点的定位依赖于专业人员的故障分析。

故障发生后，应先判断定子接地保护是否正确，然后根据故障后的相关参数计算出故障的大致位置：在发电机内部发生故障，根据发电机定子线棒接线图，确定故障线棒；在发电机外部发生故障，应根据GCB 跳开后的发电机机端电压波形和主变低压侧电压波形判断故障发生在GCB 至发电机侧或GCB 至主变侧。

2.1 故障点在GCB至主变低压侧

故障发生后，发电机A 相电压升高至78 V，发电机B 相电压降低至42 V，发电机C相电压升高至60 V，主变低压侧零序电压变为34 V。发电机定子绕组采用三相6 分支Y 形接线，此接线方式下发生接地故障后，明显特征是故障相电压降低，非故障相电压升高，由于B 相电压并未降至接近0 V，可以判断，故障类型为B 相非金属性单相接地。

从图5 中可以看出，在GCB 跳开后发电机出口电压已灭磁，三相电压已对称，而主变低压侧电压仍为故障电压波形，此时注意区分铁磁谐振和接地故障波形即可以判断故障点发生在GCB 出口外侧至主变低压侧范围内，包含主变低压侧、封闭母线，与封闭母线直连的厂高变高压侧、主变低压侧PT 一次侧，发生瞬时性非金属接地一次故障。

2.2 故障点在GCB至发电机

故障发生后，发电机A 相电压升高至100.12 V，发电机B 相电压降低至0.235 V，发电机C 相电压升高至100.06 V，机端零序电压突变为98.744 V。由于B 相电压降至接近0 V及机端零序电压与A、C 相电压接近，由此可以判断，故障类型为B 相金属性单相接地。

从图1 中可以看出，T1 时刻( 即0 ms) 为接地故障开始时刻，经过500 ms 延时，在T2时刻(即500 ms)保护出口跳灭磁开关FCB，转子绕组通过非线性电阻灭磁后，此时GCB 还未跳闸，而发电机出口电压三相恢复平衡，机端零序电压3Uo 立即消失，说明在灭磁开关FCB跳闸灭磁后从发电机中性点至GCB 内侧的故障电气量消失，从而断定故障位置在GCB 到发电机范围内，见图2。

图2 6F定子一点接地故障录波图

通过分析故障录波图，可以看到，故障发生后，发电机A 相电压升高至18.105 kV，发电机B 相电压降低至0.047 kV，发电机C 相电压升高至18.046 kV，机端零序电压突变为16.849 kV（二次值84.35V）。由于B 相电压降至接近0 V，机端零序电压与A、C 相电压上升接近线电压，由此可以判断，故障类型为B相金属性单相接地[4-5]。

从图2 中可以看出，T1时刻(即0 ms)为接地故障开始时刻，经过320 ms，发电机第二套定子接地保护动作，在T2时刻（即402 ms）保护出口先后跳开GCB、FCB，转子绕组通过非线性电阻灭磁后，主变低压侧电压三相逐步恢复平衡，发电机出口B 相电压仍为0，机端零序电压3Uo未消失，说明故障位置在GCB 到发电机范围内。

检修人员通过对6 号发电机出口B 相软连接及发电机3 个中性点断引后，测试发电机B相6 分支绝缘电阻值合格，排除了故障位置在发电机内部的可能。

将励磁变高压侧断引后，测试发电机出口B 相至励磁变、GCB 断口处绝缘，绝缘不合格，判断故障位置为封闭母线区域，重点检查GCB电容器及封闭母线支撑绝缘子。

对GCB B 相本体开盖后，检查GCB 靠发电机侧电容器及GCB 邻近的几个绝缘子，均未发现异常。使用强光探照灯发现距离GCB 约十米处有疑似接地物搭接至外壳。因疑似接地物距离绝缘子孔洞距离较远，使用绝缘加长杆将疑似接地物拆除，确认为一根遗留焊条导致定子一点接地。

3 解决方法

1）在工程建设时期，封闭母线安装过程中，对设备封闭部位物品进出管理不严，验收不到位，导致有物品遗留在封闭母线内部，埋下安全隐患。在许可相关工作票时，在变压器、封闭母线、发电机等狭窄空间、封闭空间或转动部件上方工作时，严格履行物品登记手续，从源头防范风险，避免物品遗留在设备内部。

2）对于新设计、新改造、新安装设备，在其投运前应进行全面检查，并在投运后加强关注，增加巡检频次。在进行方案编写时，运行专业需要提前介入，尽量在设备封闭或隐蔽部位设置观察窗，便于巡检时重点关注。

4 结束语

综上所述，机组检修、技改过程中，可以考虑将业内最新的发变组保护配置添加到现有配置中，更全面地保护主设备运行，更精确、快速定位故障点，缩短机组强停时间，为机组在最短时间内恢复运行提供有力保障。