一起發(fā)電機(jī)零起升壓三次諧波定子接地保護(hù)動(dòng)作事件分析

張彬 鐘文華 郭江磊 靳阿妮

摘要：通過對(duì)一起600 MW汽輪發(fā)電機(jī)零起升壓試驗(yàn)過程中三次諧波比率定子接地保護(hù)發(fā)信事件分析，闡述發(fā)電機(jī)電壓互感器一次繞組接線不完整對(duì)發(fā)電機(jī)及發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)裝置運(yùn)行造成的影響。發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓互感器一次繞組星形接線不完整，每相電壓互感器通過對(duì)地分布寄生電容形成微小的勵(lì)磁回路，在一次繞組回路不完整的情況下，二次星形及開口三角形皆有輸出，但輸出幅值嚴(yán)重偏差，對(duì)機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)及定子接地保護(hù)造成一定的誤判據(jù)。最后，結(jié)合此次事件，討論總結(jié)電壓互感器更換后試驗(yàn)及機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：零起升壓;電壓互感器;定子接地保護(hù);三次諧波

0? ? 引言

南方某發(fā)電廠5號(hào)機(jī)采用上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的QFSN-630-2型發(fā)電機(jī)組，其額定容量為630 MW，機(jī)端額定電壓為20 kV。發(fā)電機(jī)采用發(fā)—變組單元接線方式接入500 kV系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)裝設(shè)出口開關(guān)，發(fā)電機(jī)出口由封閉母線經(jīng)出口開關(guān)與主變壓器及兩臺(tái)高壓廠用變壓器連接，不經(jīng)出口開關(guān)與勵(lì)磁變壓器連接。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)接地變高阻接地，接地變中性點(diǎn)基波零序電壓、三次諧波電壓送發(fā)電機(jī)保護(hù)A01、A04屏，用于發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)。發(fā)電機(jī)機(jī)端配置1YH、2YH、3YH、4YH四組單相式電壓互感器，其中1YH為出口斷路器自帶。

2017年9月，5號(hào)機(jī)綠色改造期間，將機(jī)端2YH、3YH、4YH電壓互感器進(jìn)行了同型號(hào)整體更換，外部接線方式無變化，機(jī)組其他一、二次系統(tǒng)無變動(dòng)。

5號(hào)發(fā)電機(jī)保護(hù)配置情況：5號(hào)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)采用南瑞繼保PCS-9400靜態(tài)自并勵(lì)系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)保護(hù)采用南瑞繼保PCS-985G微機(jī)型保護(hù)裝置，A01屏、A04屏雙套完全冗余配置。發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)采用基波零序電壓保護(hù)從機(jī)端開始85%～95%的定子繞組單相接地故障，采用三次諧波電壓比率保護(hù)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)25%左右的定子繞組單相接地故障。機(jī)端三次諧波電壓取自機(jī)端2YH開口三角形零序電壓，中性點(diǎn)側(cè)三次諧波電壓取自發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)YH0電壓互感器，三次諧波電壓比率定子接地保護(hù)投信號(hào)。

1? ? 事件經(jīng)過

2017年12月27日，5號(hào)機(jī)組綠色改造結(jié)束，經(jīng)調(diào)度批準(zhǔn)進(jìn)行發(fā)電機(jī)空載零起升壓試驗(yàn)。當(dāng)日14：25：48，5號(hào)機(jī)帶主變零起升壓一、二次設(shè)備方式調(diào)整完成，機(jī)端電壓互感器一次保險(xiǎn)安裝完成，小車推至工作位，勵(lì)磁系統(tǒng)6 kV他勵(lì)電源送電測(cè)試正常，5號(hào)發(fā)電機(jī)他勵(lì)方式下零起升壓試驗(yàn)正式開始。啟勵(lì)后發(fā)電機(jī)逐步開始建壓，14：57：36，發(fā)電機(jī)保護(hù)A01屏、A04屏發(fā)裝置報(bào)警信號(hào)，就地停止增磁，分析報(bào)警內(nèi)容如下：

A01屏PCS-985G裝置報(bào)文信息：裝置報(bào)警、三次諧波比率信號(hào)、報(bào)警啟動(dòng)錄波;A04屏985G裝置報(bào)警與A01屏一致，報(bào)警記錄時(shí)刻相同。

5號(hào)發(fā)電機(jī)故障錄波器由保護(hù)裝置故障開關(guān)量啟動(dòng)錄波，具體錄波如圖1所示。

定子三次諧波報(bào)警時(shí)，發(fā)電機(jī)機(jī)端二次電壓分別為28.123 V/

28.783 V/29.095 V，機(jī)端PT三相電壓基本平衡，此時(shí)，主變低壓側(cè)（1YH）二次電壓已經(jīng)達(dá)到38.621 V?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，故障錄波器顯示值與萬用表測(cè)量結(jié)果一致，機(jī)端電壓互感器三相電壓較主變低壓側(cè)電壓偏低（主變低壓側(cè)電壓互感器本次檢修未有變動(dòng)），初步確認(rèn)機(jī)端互感器模擬量采樣畸變失真。

相同時(shí)刻，主變低壓側(cè)電壓互感器1YH開口三角形與機(jī)端2YH開口三角形三次諧波對(duì)比結(jié)果如表1所示，由于發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)互感器YH0電壓未接入故障錄波器，從保護(hù)裝置錄波圖中讀取中性點(diǎn)基波零序電壓及三次諧波電壓值。

從表1可知，裝置報(bào)警時(shí)，同一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，5號(hào)發(fā)電機(jī)機(jī)端開口三角形三次諧波電壓值為主變低壓側(cè)開口三角形三次諧波電壓的11倍，機(jī)端開口三角三次諧波大幅增加。PCS-985G保護(hù)裝置三次諧波比率動(dòng)作方程為：U3T/U3N>K3wzd，其中U3T和U3N分別為機(jī)端和中性點(diǎn)三次諧波電壓值，K3wzd為設(shè)置動(dòng)作定值，5號(hào)機(jī)并網(wǎng)前定值為0.85。U3T=0.838，U3N=0.287，U3T/U3N≈2.92，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于并網(wǎng)前三次諧波比率定值0.85，保護(hù)裝置定子三次諧波比率保護(hù)動(dòng)作正確。

比較5號(hào)主變低壓側(cè)電壓Ua和5號(hào)主變高壓側(cè)電壓Ua，報(bào)警時(shí)刻，主變高、低壓側(cè)二次電壓分別為41.676 V、38.375 V，折算到一次值分別為208.382 kV、7.675 kV，高低壓側(cè)電壓比為27.15，基本符合變比關(guān)系，可以進(jìn)一步印證主變低壓側(cè)電壓互感器采樣正確。

此次事件中，發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)裝置、故障錄波器采樣及動(dòng)作邏輯正確，機(jī)端電壓互感器模擬量采樣失真，其開口三角形三次諧波電壓值不能正確反映發(fā)電機(jī)機(jī)端實(shí)際三次諧波值，不能由此判據(jù)定子中性點(diǎn)附近有單相接地現(xiàn)象。

綜合上述分析，基本將故障原因定位至本次檢修過的機(jī)端電壓互感器上，問題可能為機(jī)端電壓互感器三相小車不到位、動(dòng)靜觸頭接觸不良或者三相互感器一次保險(xiǎn)接觸不良。現(xiàn)場(chǎng)停止試驗(yàn)，滅磁，斷開6 kV勵(lì)磁系統(tǒng)他勵(lì)電源，斷開滅磁開關(guān)，重新對(duì)機(jī)端電壓互感器小車及互感器一次保險(xiǎn)進(jìn)行檢查整理。

16：30，機(jī)端電壓互感器檢查完成，互感器小車重新推入緊固正常，動(dòng)靜觸頭接觸良好，一次保險(xiǎn)測(cè)量無誤后回裝完成，機(jī)組再次啟動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)。16：57，兩套保護(hù)裝置再次發(fā)“三次諧波比率定子接地信號(hào)”，故障錄波器基波電壓波形及三次諧波電壓值與第一次啟動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果相似。

現(xiàn)場(chǎng)討論后決定暫時(shí)停止試驗(yàn)，對(duì)機(jī)端電壓互感器進(jìn)行解體詳細(xì)檢查。當(dāng)打開機(jī)端電壓互感器中性點(diǎn)封閉外箱時(shí)發(fā)現(xiàn)，機(jī)端電壓互感器A、B、C相中性點(diǎn)未正確連接并接地，相當(dāng)于一次星形接線中性點(diǎn)未連接也未接地。

對(duì)比其他機(jī)組接線方式后，按照星形接線方式重新對(duì)機(jī)端電壓互感器中性點(diǎn)進(jìn)行接線，接線整改完成后如圖2所示，粗線部分為新增接線。

機(jī)端互感器恢復(fù)完成后重新啟動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)，啟動(dòng)正常，機(jī)端電壓從零升至額定過程中保護(hù)裝置未再次發(fā)定子接地報(bào)警，現(xiàn)場(chǎng)缺陷處理正確有效。

2? ? 原因分析

2.1? ? 直接原因

誤接線，機(jī)端電壓互感器星形連接不完整，機(jī)端電壓互感器模擬量采樣偏差大、三次諧波電壓采樣大幅增加，導(dǎo)致三次諧波比率定子接地保護(hù)發(fā)信。

2.2? ? 技術(shù)原因

在此次事件中，在機(jī)端電壓互感器一次繞組星形接線不完整且未接地的前提下，從純電路理論分析，一次繞組未形成勵(lì)磁回路，二次側(cè)不應(yīng)有電壓輸出，但實(shí)際情況下，機(jī)端電壓互感器二次有電壓輸出且三相基本平衡。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況分析提供其中一種可能的原因并進(jìn)行驗(yàn)證：機(jī)端每相2YH、3YH、4YH三個(gè)電壓互感器一次繞組中性點(diǎn)雖未直接接地，但電壓互感器外殼接地，電壓互感器一次繞組與外殼之間存在寄生分布電容，電壓互感器通過與外殼的分布電容構(gòu)成勵(lì)磁回路，可以形成微小的勵(lì)磁電流回路，具體如圖3所示。

圖3中，C1、C2、C3為A、B、C相電壓互感器對(duì)地分布電容，假設(shè)C1、C2、C3容抗相等，則電壓互感器二次電壓也應(yīng)基本平衡。通過現(xiàn)場(chǎng)錄波圖來看，前兩次啟動(dòng)試驗(yàn)實(shí)際二次側(cè)輸出電壓基本平衡，反過來印證了起初的推論。同時(shí)也是由于該大容抗的存在，使二次回路的輸出電壓較正常值低，也與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果一致。

通過比對(duì)5號(hào)機(jī)主變低壓側(cè)開口三角形三次諧波電壓值，機(jī)端開口三角形三次諧波大是自身中性點(diǎn)缺失造成的，并非實(shí)際系統(tǒng)中的諧波。理論上電壓互感器中性點(diǎn)缺失，會(huì)在二次回路上測(cè)量到一定含量的三次諧波電壓。補(bǔ)充說明，由于三次諧波的零序特性，在主變低壓側(cè)三角形、發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地方式下不具備三次諧波電流通路，三次諧波電壓通過繞組對(duì)地分布電容及機(jī)端負(fù)載對(duì)地導(dǎo)納的大小進(jìn)行分布，此次5號(hào)機(jī)機(jī)端電壓互感器中性點(diǎn)缺失，將會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)機(jī)端及中性點(diǎn)三次諧波電勢(shì)的分布造成一定的影響。

3? ? 結(jié)論

本文詳細(xì)地介紹了一起發(fā)電機(jī)零起升壓過程中三次諧波比率定子接地保護(hù)誤發(fā)信事件的背景、原因及現(xiàn)場(chǎng)分析處理步驟。通過對(duì)此次事件的分析、總結(jié)、思考，得出以下技術(shù)及管理方面的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)：

（1）發(fā)電機(jī)三次諧波比率定子接地保護(hù)信號(hào)出現(xiàn)，不能簡(jiǎn)單地認(rèn)定發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)出現(xiàn)了單相接地故障，如同本文所述事件一樣，機(jī)端電壓互感器一次繞組星形接線不完整，直接影響其開口三角形三次諧波電壓值的大小，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)三次諧波定子接地保護(hù)誤發(fā)信。還有其他與本文類似的故障，如機(jī)端電壓互感器一次保險(xiǎn)接觸不良、互感器小車推入不到位動(dòng)靜觸頭接觸不良，均可能造成三次諧波定子接地誤發(fā)信。在以后的檢修中遇到發(fā)電機(jī)三次諧波比率定子接地保護(hù)發(fā)信情況，可以先從這些簡(jiǎn)單容易的部分入手檢查，大大提高設(shè)備消缺的速率。

（2）電壓互感器單相試驗(yàn)不能驗(yàn)證整組接線的正確性。此次5號(hào)機(jī)更換機(jī)端電壓互感器后也完成了互感器極性及變比等常規(guī)要求試驗(yàn)，但現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是對(duì)單個(gè)互感器逐個(gè)進(jìn)行的，沒有對(duì)整組互感器進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)，單體設(shè)備正常不能保證整個(gè)系統(tǒng)的完好。在單體校驗(yàn)合格后，必須對(duì)整組互感器進(jìn)行試驗(yàn)，以保證整個(gè)系統(tǒng)的完整性，這也是其他系統(tǒng)、設(shè)備定期檢修的基本原則。

（3）更換過電壓互感器后必須進(jìn)行零起升壓試驗(yàn)，試驗(yàn)合格后方可在勵(lì)磁系統(tǒng)自動(dòng)方式下起勵(lì)及并網(wǎng)。發(fā)電機(jī)零起升壓的主要目的也是為了驗(yàn)證檢修過的一、二次設(shè)備電壓回路是否完好，更換過電壓互感器設(shè)備必須進(jìn)行，類似于本文所述5號(hào)機(jī)事件，如不進(jìn)行零起升壓試驗(yàn)，將有可能造成發(fā)電機(jī)過電壓，危害性極大。另外，零起升壓試驗(yàn)過程中不能以變更過的電壓互感器測(cè)量數(shù)據(jù)為參考，需選擇其他參考點(diǎn)，如以主變低壓側(cè)或者主變高壓側(cè)電壓作為參考點(diǎn)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 南京南瑞繼保電氣有限公司.PCS-985G發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置說明書[Z].

收稿日期：2020-01-06

作者簡(jiǎn)介：張彬（1986—），男，甘肅定西人，工程師，主要從事火力發(fā)電廠電氣二次檢修工作。