一起發(fā)電機定子接地保護動作引起機組非停的分析

黎 帥

（國家電投集團江西電力有限公司貴溪電廠，江西 貴溪 335400）

0 引言

發(fā)電機定子接地故障是發(fā)電機在運行過程中比較常見的一種電氣故障，易造成發(fā)電機本體絕緣的局部損壞，且故障持續(xù)惡化后容易引起相間和匝間故障，事故危害較大[1-2]。目前常見的發(fā)電機定子接地保護的基本原理有基波零序和3次諧波構成的100%定子接地保護、外加電源式定子接地保護、選擇性定子接地行波保護和相位判別式3次諧波電壓型定子接地保護等[3-6]。

本次發(fā)生非計劃停運（以下簡稱“非停”）事件的電廠，其定子接地保護采用的是A套95%定子單相接地保護和B套注入式定子單相接地保護。其不僅能保護發(fā)電機定子繞組，而且能對與發(fā)電機直接相連的發(fā)電機封閉母線、發(fā)電機出口和主變低壓側電磁式電壓互感器、勵磁變及高廠變高壓側單相接地故障產生反應。

在發(fā)生因發(fā)電機定子接地保護動作造成機組非停事件后，如何快速準確判斷故障點位置成為事故分析的首要任務。因此，本文以某電廠4號機組因發(fā)電機定子接地保護動作造成電廠4號機組非停事件為背景，論述了該機組定子接地故障點的分析和尋找過程。

1 故障概述

2016年12月13日4時，某電廠4號機組DEH報警、鍋爐MFT，運行人員排查保護動作記錄，排除外部重動，首出為發(fā)電機定子零序電壓保護動作。檢查發(fā)變組保護裝置，4號機組發(fā)電機保護A套定子95%接地保護、B套注入式定子接地保護均動作，跳4號發(fā)電機主變高壓側2502開關，跳勵磁開關，發(fā)電機解列，快切裝置啟動，高備變帶6 kV母線運行，模向連鎖保護關閉主汽門，鍋爐MFT。監(jiān)視發(fā)電機各部溫升正常，現場檢查發(fā)電機本體無異常聲音、氣味，振動數值正常，檢查發(fā)電機內冷水系統(tǒng)參數正常，運行人員按規(guī)程停用鍋爐和汽機。測量4號發(fā)變組20 kV系統(tǒng)對地電阻為0 MΩ。

跳機前運行工況：開關跳閘前，3、4號機組（2×660 MW）正常運行于220 kV母線。3號發(fā)電機負荷526.75 MW，AGC投入；4號機組負荷527.8 MW，AGC投入；220kV系統(tǒng)：4Y37線、4Y39線及1號主變高壓側2501開關運行于I母，4Y38線、4Y40線及4號主變高壓側2502開關運行于II母，母線合環(huán)運行。4號高廠變帶6 kV母線正常運行。

2 故障后情況檢查

4號機組非停事件發(fā)生以后，電廠立即組織人員對機組進行檢查，檢查情況如下所述。

2.1 繼電保護動作檢查

非計劃停運事件發(fā)生后，查看發(fā)電機A、B套保護報文，內容如下：4時02分51秒，4號機組發(fā)電機保護A套定子95%接地保護、B套注入式定子接地保護均動作于跳閘，調取故障錄波器錄波文件，4時02分51秒272 ms到806 ms約500 ms內，發(fā)電機機端零序電壓由約3 V增大逐漸增大到10V（發(fā)電機零序電壓定值為10V，延時0.5s跳閘）；再經約600ms，4號發(fā)變組高壓側開關分閘，4號發(fā)電機機端零序電壓最大值約48V。保護動作正確。

4時02分51秒0 ms至240 ms期間，即故障發(fā)生前，4號機組故障錄波器錄取的發(fā)電機機端電壓、機端電流、中性點零序電壓、零序電流的波形平穩(wěn)，幅值相位正確，具體波形如圖1所示。

4時02分51秒603 ms，發(fā)電機機端零序電壓、中性點零序電壓和中性點零序電流開始波動并逐漸增大，具體波形變化如圖2所示。806 ms時，發(fā)電機機端零序電壓達到10 V（發(fā)電機機端零序電壓定值為10 V，延時0.5 s跳閘），600 ms后，4號發(fā)變組高壓側開關分閘，發(fā)電機機端電流降為0 A，發(fā)電機機端電壓Ub最低約為30 V，Ua和Uc電壓升高，最高時約為79 V和72 V。具體波形變化如圖3所示。

圖1 機組故障錄波器故障前波形圖

圖2 機組故障錄波器故障中波形圖

圖3 機組4號主變高壓側開關跳閘后波形圖

4號發(fā)變組RCS985保護裝置錄取的不同電氣量保護動作波形如圖4-圖7所示。

在故障發(fā)生后，從圖4看以看出，發(fā)電機機端A相和C相電壓逐漸升高，發(fā)電機機端B相電壓逐漸降低，從而導致發(fā)電機機端零序電壓逐漸增大至保護定值，引起延時保護動作。從圖4可初步判定，發(fā)電機定子繞組B相發(fā)生接地故障。調取發(fā)電機匝間專用電壓互感器三相電壓的波形變化，如圖5所示，匝間專用電壓互感器三相電壓及縱向零序電壓均無變化，且如圖6所示，縱向零序電壓以三次諧波為主，可以推斷不存在匝間或相間短路故障。主變高壓側A、B、C三相電壓的波形變化如圖7所示，波形變化非常平穩(wěn)，可推斷主變高壓側狀態(tài)正常。

圖4 發(fā)電機機端三相電壓波形

圖5 匝間專用PT三相電壓波形

圖6 機端和中性點零序電壓和三次諧波分量波形

圖7 主變高壓側電壓波形

綜上所述，根據4號機組故障錄波器錄波文件和4號發(fā)變組RCS985保護裝置錄取的不同電氣量保護動作波形，可初步判定接地點位置在發(fā)電機—勵磁變—封閉母線—高廠變—主變電氣接線的B相。

2.2 定子接地故障點檢查

為查找4號發(fā)變組系統(tǒng)接地故障點，將4號發(fā)變組系統(tǒng)轉檢修，并按照發(fā)電機出口電壓互感器、發(fā)電機本體、勵磁變、主變和高廠變的順序依次對電氣設備進行排查，排查結果如下：

1）退出全部發(fā)電機出口電壓互感器小車，測量發(fā)電機本體、勵磁變、封閉母線、高廠變高壓側及主變低壓側對地絕緣，絕緣電阻值為0 MΩ，排除發(fā)電機出口電壓互感器存在故障；

2）拆除發(fā)電機出線與20 kV封閉母線間的軟連接線，測量發(fā)電機機端三相繞組對地絕緣，絕緣電阻值為410 MΩ；測量封閉母線、高廠變高壓側及主變低壓側對地絕緣，絕緣電阻為0 MΩ，排除發(fā)電機內部定子接地故障；

3）拆除勵磁變高壓側與封閉母線連接線，測量封閉母線對地絕緣，絕緣電阻為0 MΩ，排除勵磁變存在故障；

4）在拆除4號主變低壓側B相套管升高座上的活動套筒時，目視檢查時發(fā)現有部分橡膠密封圈滑落至套管升高座上，套管升高座銅排上有明顯放電痕跡，橡膠密封圈有燒灼炭化痕跡。隨后取出橡膠密封圈，測量封閉母線、高廠變高壓側及主變低壓側對地絕緣，絕緣電阻為670 MΩ，絕緣恢復正常，確認定子接地故障點位置，不再對高廠變高壓側進行檢查。

現場檢查情況如圖8-圖10所示。從圖8可以看出，升高座銅排對橡膠密封圈的放電痕跡。圖9是升高座銅排放電后，被燒蝕炭化的橡膠密封圈。圖10是剛打開主變低壓側活動套筒時，拍攝到的橡膠密封圈的位置示意圖。綜合以上現場檢查情況，可基本斷定定子接地故障點位置在主變低壓側，具體位置如圖11所示。

圖8 B相套管升高座上銅排放電痕跡

圖9 被燒蝕炭化的橡膠密封圈

圖10 掉落的橡膠密封圈

圖11 定子接地故障點位置示意圖

3 故障原因分析

3.1 跳機原因分析

圖12中紅線所指的橡膠密封圈是直徑1 550 mm，寬度為40 mm，厚度為10 mm的橡膠環(huán)。現場檢查時，部分橡膠密封圈掉落至紅色標注區(qū)域內，即主變B相套管升高座銅排上。

圖12 橡膠密封圈位置示意圖

根據現場檢查情況和電氣試驗結果綜合判斷，本次某電廠4號機組非計劃停運事件的直接原因為4號主變低壓側B相活動套筒頂端的環(huán)形橡膠密封圈部分掉落至主變B相套管升高座銅排上，套管升高座上銅排對掉落的橡膠密封圈放電，橡膠密封圈燒灼炭化，造成B相接地，機端零序電壓升高，從而引起定子接地保護動作于跳閘。

3.2 橡膠密封圈掉落原因分析

現場檢查后發(fā)現，該橡膠密封圈的斷面為長方形，無凹槽，運行時僅依靠安裝前的涂膠進行固定。由于橡膠密封圈的寬度約是活動套筒厚度的3至4倍，而活動套管由于受重力和主變振動影響，不能有力保證橡膠密封圈位置的固定，因此，在主變壓器帶負荷運行過程中，橡膠密封圈易發(fā)生掉落。

由于4號主變低壓側活動套筒頂部橡膠密封圈設計存在缺陷，無有效防止橡膠密封圈掉落至封母內的措施。當橡膠密封圈由于使用年限較長發(fā)生硬化或由于熱脹尺寸變大后，安裝時易造成偏心或虛位，在主變帶負荷運行后，長時間振動的作用下，橡膠密封圈發(fā)生脫落，有效絕緣距離變小，封閉母線、套管升高座或軟連接對橡膠密封圈放電，從而引起定子接地故障的發(fā)生。

4 結語

大型變壓器低壓側活動套筒頂部的橡膠密封圈其安裝目的之一是為了防止雨水、雜物或灰塵等進入到封閉母線中，從而導致發(fā)電機定子接地故障的發(fā)生。但在此次非計劃停運事件中，橡膠密封圈成了機組定子接地故障的直接原因。因此，為防止此類問題的再次發(fā)生，建議采用類似結構的電廠，開展以下幾項工作：1）改進變壓器低壓側活動套筒頂部橡膠密封圈的設計，可改為“凹”型橡膠密封圈或其他有效防止掉落的設計；2）對該電廠的主變壓器低壓側，高廠變高壓側等電氣設備的橡膠密封圈進行排查，對無防掉落設計的變壓器橡膠密封圈進行更換；3）縮短變壓器橡膠密封圈更換周期，在檢修或維護過程中對出現老化嚴重現象的橡膠密封圈及時進行更換。