TV故障引起的發(fā)電機定子接地保護動作分析

張兵海，蘇艷賓，馬彥河，焦國強，張建忠，張志猛，劉 輝

(1.河北省電力研究院，石家莊 050021；2.國電河北龍山發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 邯鄲 056400；3.華能上安電廠，石家莊 050081)

1 概述

發(fā)電機機端TV一次繞組的匝間短路故障并不多見，但故障發(fā)生時的故障現(xiàn)象與發(fā)電機定子繞組接地故障現(xiàn)象類似，將引起發(fā)電機中性點及機端電壓偏移，導(dǎo)致發(fā)電機定子接地保護動作跳機。雖然故障形式是匝間短路而非接地故障，分析認(rèn)為定子接地保護動作仍屬于正確動作。

近兩年河北省南部電網(wǎng)曾發(fā)生2起因TV一次繞組匝間短路故障引起的發(fā)電機定子接地保護動作跳機故障，故障現(xiàn)象非常相似，下面以其中一起故障數(shù)據(jù)為例，從故障分析、甄別的角度進行側(cè)重于故障現(xiàn)象的分析，驗正由于TV一次繞組匝間短路引發(fā)的定子接地保護動作的正確性，對于故障影響、故障排查、TV工藝質(zhì)量等內(nèi)容不在討論范圍內(nèi)。

2 發(fā)電機定子接地保護原理

大型機組的發(fā)電機定子接地保護配置原理主要有以下2種：

a.3U0基波過電壓原理，保護取用機端TV開口角零序電壓或發(fā)電機中性點接地變壓器(或TV)二次電壓，當(dāng)發(fā)生接地故障時，基波電壓升高、三次諧波電壓降低，當(dāng)零序基波電壓高過一定值時保護動作跳閘，保護的動作盲區(qū)為發(fā)電機定子繞組中性點部位的10%或5%。

b.三次諧波差動原理，保護取用機端TV開口角零序電壓與中性點接地變壓器(或TV)二次電壓，進行2處電壓中三次諧波電壓的比較。當(dāng)發(fā)生接地故障時2處電壓的三次諧波電壓幅值、相位均會發(fā)生變化。理論上說這種原理的定子接地保護沒有盲區(qū)，而且這種原理的保護可以反應(yīng)定子繞組線棒松動、移位等異常形式，故而此保護一般投信號而不投跳閘。

前面提到的2起故障中，動作跳機的3U0定子接地保護取用的均是發(fā)電機中性點接地變壓器二次電壓，取用此處電壓不用考慮TV一次熔斷器熔斷引起的保護誤動，但是因為機端TV一次繞組匝間短路故障仍可引起三相電壓的不平衡，因此機端TV一次繞組的匝間短路故障仍可啟動取用發(fā)電機中性點接地變二次電壓的定子接地3U0保護。

圖1 發(fā)電機發(fā)生U相接地故障后三相電壓向量示意

當(dāng)接地阻抗為rf時，零序電壓

(1)[1]

當(dāng)rf=0～∞時，U0=-EU～0，設(shè)K0=U0Eph，0≤K0≤1，發(fā)電機三相對地電壓分別為：

(2)

(3)

(4)

式中：rf為接地阻抗；U0為零序電壓；EU為U相電壓；EV為V相電壓；EW為W相電壓；Eph為相額定電壓；ω為計算因子，ω=2πf；Cg為相對地電容；UUd為故障后U相對地電壓；UVd為故障后V相對地電壓；UWd為故障后W相對地電壓。

隨著rf的改變，由圖1及式(2)-(4)可以推算出：

a.當(dāng)K0在0～1.0變化時，故障相對地電壓不可能高于額定相電壓；

b.0

c.0.756

d.當(dāng)U相機端發(fā)生經(jīng)一定阻抗接地故障時，不管K0值多大，健全相W相對地電壓恒大于V相對地電壓。

以上論及的電廠機組在發(fā)生接地故障時，發(fā)電機U、V、W相對地電壓分別為63.81 V、57.10 V、55.16 V，(取自發(fā)電機變壓器組保護裝置的動作報告數(shù)據(jù)，為保護動作時刻的機端TV二次相電壓)，說明故障相為V相，而非W相，故障性質(zhì)為經(jīng)過阻抗接地。

3 TV一次繞組匝間短路故障數(shù)據(jù)分析

TV正常運行狀態(tài)相當(dāng)于無窮大感抗，其一次繞組發(fā)生匝間短路后，感抗隨短路匝數(shù)的增多而減小。通過實例中故障機組事后的TV空載變比試驗數(shù)據(jù)可知，一次阻抗已變?yōu)?16.5 kΩ。由前面的零序電壓計算公式(1)可以計算出發(fā)電機中性點零序電壓為16.9 V(中性點接地變壓器變比為22 kV/0.1 kV、發(fā)電機每相對地電容為281 000 pF)。

某電廠發(fā)電機故障錄波器錄波波形見圖2。

圖2 發(fā)電機故障錄波器波形

TV一次繞組匝間短路后，故障相對地感抗已非無窮大，該相對地阻抗已變?yōu)榻?jīng)過阻抗接地，TV一次繞組短路匝數(shù)的多少直接影響接地阻抗的大小，因此認(rèn)為TV一次繞組匝間短路應(yīng)當(dāng)看做發(fā)電機定子繞組經(jīng)過渡阻抗的接地短路，此種故障時的定子接地保護動作屬于正確動作。

對于當(dāng)前3U0接地保護原理中已采取的三次諧波濾波和防止TV一次斷線的閉鎖防誤動措施，因為TV一次繞組的匝間短路不會導(dǎo)致3U0的三次諧波電壓異常、不會導(dǎo)致相電壓與零序電壓失去對應(yīng)，因此防誤動措施在這種情況下不起作用。

4 定子接地故障與TV一次繞組匝間短路故障的辨識

發(fā)生故障后，故障的快速分析定位對故障的消除和運行恢復(fù)起著重要的作用。

大型發(fā)電機系統(tǒng)均設(shè)計為小電流接地系統(tǒng)，當(dāng)前采用的接地方式多為發(fā)電機中性點經(jīng)接地變壓器的高阻接地。接地故障發(fā)生后，因為接地電流高于GB/T 14285-2006《繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程規(guī)程》規(guī)定的2.5 A，為了防止接地故障電流引起的暫態(tài)過電壓對發(fā)電機定子設(shè)備絕緣造成破壞，接地故障時繼電保護需動作跳閘。

發(fā)電機繞組故障接地和定子接地保護試驗時的機端人為接地是2種不同形式的接地現(xiàn)象。試驗時的人為接地，因為接地可靠，接地后不存在弧光電流，進而不存在由燃弧熄弧引起的暫態(tài)過電壓，對設(shè)備絕緣不構(gòu)成影響，按空載額定發(fā)電機機端電壓所需勵磁電流升高定子電壓時，非接地相相電壓升高為線電壓。實際在發(fā)電機運行過程中發(fā)生接地故障時，在故障發(fā)生的初期不可能是直接接地。因為弧光電流的存在，小電流接地系統(tǒng)接地故障后，暫態(tài)過電壓的理論認(rèn)為，某相發(fā)生接地故障后，健全相因燃弧和熄弧將產(chǎn)生超過額定定子電壓多倍的暫態(tài)過電壓[2]；暫態(tài)過電壓值的高低取決于電容電流的限制措施，此暫態(tài)過電壓對設(shè)備絕緣將產(chǎn)生嚴(yán)重影響甚至影響設(shè)備修復(fù)。

從實例故障的錄波波形及數(shù)據(jù)可以看出，三相電壓波形均沒有發(fā)生暫態(tài)過電壓，故障相的波形畸變是電壓跌落，由此可分析認(rèn)為發(fā)電機定子系統(tǒng)發(fā)生的不是真實的接地故障。因為發(fā)電機變壓器組保護、勵磁調(diào)節(jié)器等裝置均為雙配置，另外DCS的事故追憶(掃描時間需精確到ms)、故障錄波器等裝置均有電壓采樣，通過不同裝置、不同位置、不同組別的電壓波形比較后，就可以定位到故障的具體設(shè)備。通過理論分析得知故障部位后，仍需要進行一定的設(shè)備絕緣排查、特性試驗來最終確定故障設(shè)備。

以上討論分析的故障形式與真正的接地故障是有區(qū)別的，從故障波形中可以看出，故障后機端TV零序電壓與發(fā)電機中性點接地二次電壓的波形在相位上沒有規(guī)律可作參考，機端TV開口角零序電壓直接反應(yīng)的是故障相電壓的波形反相。對于配置三次諧波差動原理定子接地保護的此類故障，故障發(fā)生后此原理定子接地保護可能啟動；根據(jù)已有的公開發(fā)表的文獻說明，機端發(fā)生接地后發(fā)電機中性點與機端零序電壓的三次諧波是反相的[3]，此觀點可使故障分析時側(cè)重于機端故障，有助于故障的快速分析定位。

5 結(jié)論及建議

a.發(fā)電機機端TV一次繞組匝間短路故障，在故障形式上等同于定子繞組經(jīng)一定阻抗的接地故障，故障將引起發(fā)電機定子繞組的三相相電壓不平衡，從而導(dǎo)致3U0定子接地保護動作，屬正確動作。

b.通過故障波形對暫態(tài)過電壓、電壓跌落的判別分析，有助于快速確認(rèn)是發(fā)電機定子繞組故障還是TV故障，從而有利于快速消除故障及恢復(fù)運行。

c.該文分析的故障動作保護為定子接地保護，如果故障發(fā)生在縱向零序電壓原理發(fā)電機匝間保護的專用TV上，匝間保護閉鎖采用的邏輯為非負(fù)序功率方向原理，則匝間保護可能動作跳閘。

d.TV一次繞組的匝間短路故障從互感器制造工藝上分析是一種不易發(fā)生的故障形式，但近兩年在河北省南部電網(wǎng)機組上已接連發(fā)生多起，因此互感器生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)工藝方面應(yīng)預(yù)以重視和改進。

[1] 王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護原理與應(yīng)用[M].2版，北京：中國電力出版社，2002.

[2] 周澤群，沈其工，方 瑜，等.高電壓技術(shù)[M].2版，北京：中國電力出版社，2004.

[3] 李恭斌，郝小會，口樂民.兩起發(fā)電機定子接地保護動作后的分析和檢查[J].甘肅電力技術(shù)，2010(3)：31-34.

本文責(zé)任編輯：王洪娟