基于發(fā)電機(jī)機(jī)端和中性點零序電壓值的故障類型判斷

李博，陳碩，陳必?fù)P，王昱，周曉明(華能巢湖發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽巢湖238015)

基于發(fā)電機(jī)機(jī)端和中性點零序電壓值的故障類型判斷

李博，陳碩，陳必?fù)P，王昱，周曉明
(華能巢湖發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽巢湖238015)

發(fā)電機(jī)發(fā)生故障后，快速且準(zhǔn)確的故障診斷方法有利于排除故障和縮短停機(jī)時間。發(fā)電機(jī)出現(xiàn)TV斷線或定子接地故障時，通過分析發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、機(jī)端零序電壓、中性點零序電壓數(shù)值的升高或者降低進(jìn)行故障定位，確定發(fā)電機(jī)一次回路或者二次回路的故障類型及大致范圍，又進(jìn)一步根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗指出具體的故障點，此方法只需對比故障前后發(fā)電機(jī)的電壓值，簡單易行。

發(fā)電機(jī)；機(jī)端電壓；中性點零序電壓；故障判斷

發(fā)電機(jī)隨著單機(jī)容量的增大，設(shè)備復(fù)雜性不斷增加，對經(jīng)濟(jì)性和安全性影響更加嚴(yán)重，因此發(fā)電機(jī)故障診斷研究有重要的現(xiàn)實意義。發(fā)電機(jī)電氣故障檢測通過利用繼電保護(hù)等信息來識別故障元件位置，目前基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組故障診斷系統(tǒng)不斷發(fā)展〔1〕，對于具體的發(fā)電機(jī)的故障定位，文獻(xiàn)〔2〕中提出由注入式定子接地保護(hù)原理計算過渡電阻，再利用接地位置與發(fā)電機(jī)零序電壓、故障相電壓、對地電容及故障過渡電阻的關(guān)系，計算出具體故障位置。

本文擺脫建立診斷系統(tǒng)思想的框架，也不依賴發(fā)電機(jī)注入式原理的定子接地保護(hù)，用一種新思路以繼電保護(hù)裝置電壓采樣為依據(jù)進(jìn)行發(fā)電機(jī)故障判斷，即利用發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電壓、中性點零序電壓數(shù)值的變化進(jìn)行故障判斷，并結(jié)合現(xiàn)場實際進(jìn)行具體故障點定位，該方法具有一定的普適性。

1 發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓及中性點零序電壓采樣

大型發(fā)電機(jī)典型接線圖如圖1所示，發(fā)電機(jī)機(jī)端配置3組電壓互感器，發(fā)電機(jī)中性點經(jīng)單相變壓器高阻接地，TV2，TV3為發(fā)電機(jī)機(jī)端普通TV，TV1為發(fā)電機(jī)匝間保護(hù)專用TV，匝間專用TV的一次側(cè)中性點與發(fā)電機(jī)中性點可靠連接，發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置能采到發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓UA，UB，UC，U′A，U′B，U′C，機(jī)端匝間保護(hù)自產(chǎn)零序電壓3 U′0，機(jī)端縱向零序電壓U′T0，機(jī)端自產(chǎn)零序電壓3 U0，機(jī)端零序電壓UT0，中性點零序電壓UG0，其中UA，UB，UC通過TV2或TV3獲得，U′A，U′B，U′C通過TV1獲得，機(jī)端自產(chǎn)零序電壓3 U0由機(jī)端三相電壓UA，UB，UC合成計算得到，機(jī)端匝間保護(hù)自產(chǎn)零序電壓3 U′0由機(jī)端三相電壓U′A，U′B，U′C合成計算得到，機(jī)端零序電壓UT0取自機(jī)端TV2或者TV3開口三角零序電壓，也稱為外加零序電壓，機(jī)端縱向零序電壓U′T0取自機(jī)端TV1開口三角零序電壓。正常運行時含三次諧波和基波分量，基波分量極小〔3〕(經(jīng)常小于1 V)，保護(hù)裝置也會采用數(shù)字濾波及全周傅氏算法濾除零序電壓中的大部分三次諧波，零序電壓只反應(yīng)基波分量的大小。

圖1 大型發(fā)電機(jī)典型接線圖

2 發(fā)電機(jī)機(jī)端及中性點電壓變化對應(yīng)的故障類型

當(dāng)UA，UB，UC，3 U0，UT0，UG0這些采樣其中一個或幾個同時變化時，通過分析確定對應(yīng)的故障類型。以下分析的一個基本設(shè)定是回路接線正確及保護(hù)裝置本身工作正常。

2.1 二次回路異常

發(fā)電機(jī)機(jī)端某相電壓(例如UA)數(shù)值降低，3U0數(shù)值增大，其他采樣數(shù)據(jù)大小及相位無變化，3U0是由機(jī)端三相電壓相量合成計算得到，只要某一相電壓增大、降低或者相位變化，就會引起3U0的變化，可以判斷是A相TV二次繞組或者二次回路異常，從現(xiàn)場發(fā)生的情況來看大部分是二次回路空開接觸不良引起，可進(jìn)一步檢查TV端子箱處及保護(hù)裝置柜內(nèi)空開處有無虛接。

A相TV二次電壓降低時對應(yīng)的相量圖如圖2所示，可進(jìn)一步觀察到3U0＋UA為57.74 V。

圖2 A相電壓降低后相量圖

若UT0數(shù)值增大，其他采樣數(shù)據(jù)無變化，說明TV的三次繞組或者三次回路異常，對于初次投運的TV，應(yīng)檢查三次繞組的某相極性是否錯誤或接反。

2.2 TV一次熔絲故障

發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓某相電壓(例如UA)數(shù)值降低，3U0，UT0數(shù)值增大且?guī)缀跸嗟?，其他采樣?shù)據(jù)大小及相位無變化，這說明是TV一次回路異常引起，可能是TV本身故障，或者是TV一次熔絲出現(xiàn)漸熔現(xiàn)象，出現(xiàn)TV一次熔絲(B相)漸熔時保護(hù)裝置采樣值如表1所示，從表中可看出B相電壓下降，A、C電壓基本保持不變，3 U0及UT0有不同程度的增加(機(jī)端自產(chǎn)零序電壓3U0與機(jī)端開口三角零序電壓UT0的相關(guān)系數(shù)0.577 4)。從現(xiàn)場實際運行情況應(yīng)先檢查TV一次熔絲是否松動或出現(xiàn)漸熔現(xiàn)象，可用溫槍測量熔絲是否發(fā)熱，并采用對應(yīng)的措施處理，應(yīng)注意退出相關(guān)的保護(hù)，避免操作過程中保護(hù)誤動作。

表1 TV一次熔絲出現(xiàn)漸熔時保護(hù)裝置采樣V

二次回路異常和TV一次熔絲故障這2種情況發(fā)生時保護(hù)裝置只會根據(jù)其判據(jù)報“發(fā)電機(jī)機(jī)端TV斷線”，但實際故障點卻相差很遠(yuǎn)，有了上述分析就能精準(zhǔn)定位故障點。

當(dāng)U′A，U′B，U′C，U′0，U′T0電壓值有以上變化時分析同上，此時故障點在發(fā)電機(jī)匝間專用電壓互感器TV1的一次或者二次回路上。

2.3 發(fā)電機(jī)定子接地故障

發(fā)電機(jī)機(jī)端某相電壓(例如UA)數(shù)值降低，UC，3 U0，UT0，UG0數(shù)值都升高，UB可能升高也可能降低，這種情況一般不是二次回路異常或接線錯誤引起，故障點應(yīng)在發(fā)電機(jī)一次回路，保護(hù)裝置也會報“定子接地保護(hù)”報警或者跳閘，故障點不僅限于定子繞組本身，很多情況是由發(fā)電機(jī)外部元件故障引起，如TV一次繞組匝間短路或GCB對地電容器故障〔4－6〕都會引起定子接地保護(hù)動作。當(dāng)發(fā)電機(jī)定子繞組某相(例如A相)發(fā)生接地故障時，3U0，UT0，UG0增大很好理解，UB，UC電壓也變化是因為發(fā)電機(jī)中性點電壓發(fā)生了偏移，如圖3示。

圖3 發(fā)電機(jī)定子繞組A相接地故障等效電路

發(fā)電機(jī)三相繞組電動勢為EA，EB，EC，三相繞組對地電容一般相等為C，發(fā)電機(jī)中性點經(jīng)高阻Rn接地，A相α位置(故障位置距中性點占整個繞組比例)經(jīng)過過渡電阻Rg發(fā)生接地故障，由基爾霍夫電流定律可得:

化簡后得:

UB＝EB＋UG0，UC＝EC＋UG0，C相電壓因為中性點零序電壓的偏移而升高，B相電壓與發(fā)電機(jī)中性點接地電阻、故障點接地位置和故障點過渡電阻等有關(guān)，可能升高，也可能降低，但可以確定的是UC＞UB＞UA

〔2〕，推廣到B，C相定子繞組接地故障時分別為UA＞UC＞UB，UB＞UA＞UC。某600MW發(fā)電機(jī)定子繞組C相接地故障后電壓值見表2。

表2 定子繞組C相接地故障后電壓值V

當(dāng)發(fā)電機(jī)出口某相(例如A相)對地電容器故障時，等效電路如圖4所示。

圖4 GCB A相對地電容器故障等效電路

A相對地電容由正常值C變成C′，由基爾霍夫電流定律可得:

由于中性點電壓的偏移，三相電壓出現(xiàn)不平衡，3U0，UT0，UG0升高，A相電壓降低，C相電壓升高，B相電壓與A相對地電容值有關(guān)系，可能升高，也能可能降低，從某些電廠發(fā)生GCB對地電容器故障時機(jī)端電壓看，A相電容器故障，A相電壓最低，C相電壓升高，B相與A相電壓相差不大。

TV一次繞組匝間短路時故障相對地電抗已非無窮大，該相對地阻抗已變成經(jīng)阻抗接地，與發(fā)電機(jī)定子繞組經(jīng)過渡電阻接地情況相同。文獻(xiàn)〔7〕提出相角判別的定子接地保護(hù)原理，利用零序電壓和零序電流的方向判別故障方向，判斷是定子繞組本身還是外部短路。在文獻(xiàn)〔8〕中提出了出口電容器故障引起的定子接地保護(hù)動作的診斷方法，利用定子相電壓構(gòu)成三相參照系，對比分析出口電容器故障與定子繞組接地時的零序電壓相位特征，提出相應(yīng)診斷方法。

應(yīng)當(dāng)注意的是正常運行時保護(hù)裝置UT0，UG0數(shù)據(jù)很小，不能反映回路是否工作正常，運行中可通過檢測三次諧波分量來判斷回路是否完整，在檢修時應(yīng)注意檢查整個回路的完整性，防止出現(xiàn)故障時因零序回路斷開導(dǎo)致的保護(hù)裝置拒動作，也同樣給故障判斷帶來一定麻煩。TV1是匝間保護(hù)專用TV，反應(yīng)的是發(fā)電機(jī)機(jī)端對中性點電壓的變化，上述幾種故障發(fā)生時，TV1二次側(cè)電壓是不變的，這一特點也是上述幾種故障的旁證。

3 結(jié)束語

故障判斷準(zhǔn)確與否事關(guān)機(jī)組的搶修進(jìn)度，也是歷來現(xiàn)場技術(shù)人員比較棘手的事情，故障的依據(jù)卻只有細(xì)微的差別，但故障類型卻相差很遠(yuǎn)，這就要求現(xiàn)場技術(shù)人員仔細(xì)辨別采樣數(shù)據(jù)，在故障判斷時，還應(yīng)結(jié)合相同條件下另一套保護(hù)裝置或同樣負(fù)載不同回路的數(shù)據(jù)變化，并實測電壓值。

〔1〕于剛，高正平，徐治皋，等.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)的汽輪發(fā)電機(jī)組故障診斷系統(tǒng)〔J〕.電力系統(tǒng)自動化，2004，28 (4):67-70.

〔2〕畢大強(qiáng)，王詳珩，李德佳，等.發(fā)電機(jī)定子繞組接地故障定位方法〔J〕.電力系統(tǒng)自動化，2004，28(22):55-57.

〔3〕王維儉.大型機(jī)組繼電保護(hù)理論基礎(chǔ)〔J〕.北京:中國電力出版社，1997.

〔4〕于龍濱，姚穎鋒.發(fā)電機(jī)出口TV匝間短路故障分析〔J〕.東北電力技術(shù)，2014(12):11-13.

〔5〕呂景順，孫亞明，馬建海.發(fā)電機(jī)出口電壓互感器匝間故障引起機(jī)組定子接地保護(hù)動作實例分析〔C〕//2009年中國電機(jī)工程學(xué)會年會.2009:1-3.

〔6〕涂小濤，張征平，胡衛(wèi).發(fā)電機(jī)出口電容器缺陷引起定子接地保護(hù)動作診斷方法〔J〕.電力系統(tǒng)自動化，2014，38 (24):96-100.

〔7〕凃崎，邰能靈.基于相角差的發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)方向元件〔J〕.電力系統(tǒng)自動化，2009，33(14):61-64.

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Generator Failures Identification Based on Motor Term inal and Neutral Zero Sequence Voltage

LIBo，CHEN Shuo，CHEN Biyang，WANG Yu，ZHOU Xiaoming
(Huaneng Chaohu Power Plant Co.Ltd.，Chaohu 238015，China)

When generator aborts，finding accurate solutions to generator failures can help with troubleshooting and shortening halt period.When generator failures such as TV disconnection or stator ground fault happen，through analyzing fluctuation of motor terminal voltage，motor terminal voltage and neutral zero sequence voltage，it can narrow down the type and scope of generator failures in primary circuit and secondary circuit.And then it can find out specific generator failures.This simple method is conducted by comparing the generator voltage before and after the machine breakdown.It is worth widely recommended.

generator；motor terminal voltage；neutral zero sequence voltage；accident identification

TM307＋.1

B

1008-0198(2017)03-0062-03

李博(1984)，男，工程師，主要從事電廠生產(chǎn)電氣技術(shù)工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.03.017

2016-08-22 改回日期:2017-02-07