一起發(fā)電機注入式定子接地保護動作原因分析

摘 要：某廠1號機組發(fā)電機保護20 Hz注入式定子接地保護動作跳閘，機組解列停機，經過現場對發(fā)電機定子繞組及其連接附屬設備的絕緣與耐壓試驗，對中性點接地變、定子接地20 Hz注入回路隔離變以及注入式定子接地保護二次回路的檢查，排除定子繞組真實接地導致保護動作的可能。經過綜合分析，判斷保護誤動的原因為20 Hz注入回路隔離變因二次回路電阻變化引起20 Hz采樣電壓變化，保護裝置計算定子對地電阻降低，引起保護誤動。為防止同類型故障再次發(fā)生，提出了相應防范措施及合理化建議，為后期注入式定子接地保護裝置的運行、維護和故障分析提供了參考。

關鍵詞：定子接地；發(fā)電機保護；耐壓試驗；絕緣測試

中圖分類號：TM862" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）02-0006-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.02.002

0" " 引言

注入式定子接地保護原理為：通過接地變壓器二次負載電阻或機端電壓互感器（TV）的開口三角繞組注入20 Hz低頻交流信號，采集注入的20 Hz電壓信號和20 Hz電流信號，進行數字化處理后計算出定子對地測量電阻，監(jiān)視定子繞組的對地絕緣狀況，達到整定值即啟動跳閘或發(fā)信報警，對于發(fā)電機的對稱故障能起到較好的保護作用?，F階段針對定子接地保護動作的案例研究大都為定子真實接地引起零序過電壓的情況[1-4]，而對注入式定子接地保護裝置誤動卻鮮有論述。本文針對某廠發(fā)生的一起發(fā)電機注入式定子接地保護誤動事件，依次從注入式定子接地工作原理、保護誤動的過程及現象、故障分析和結果驗證進行了分析，并且為防止同類型故障再次發(fā)生，提出了相應防范措施及合理化建議。

1" " 基本原理

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等[5]。近年來，注入式定子接地保護得到了廣泛運用，我國越來越多的大型水輪發(fā)電機采用了中性點經配電變壓器接地的接地方式[6]。注入式定子接地保護等效電路如圖1所示，圖中s為20 Hz注入電源，Rs為注入電源內阻，R2+jX2為接地變壓器漏抗，Rm+jXm為接地變壓器激磁阻抗，Rn為接地變壓器二次負載電阻，Rcp+jXxp為機端并聯(lián)阻抗，3C∑為發(fā)電機定子對地等效電容，Rg為接地電阻，Sg為發(fā)電機中性點隔離刀閘，20、20為裝置測得的20 Hz電壓、電流，20′、20′為補償后的20 Hz電壓、電流，圖中所有量都歸算到保護裝置測量二次側。

分析原理圖并采用計算導納的方法得到接地電阻計算公式，見式（1）（2），接地電阻Rg可由20′、20′、漏抗R2+jX2和并聯(lián)電阻計算得到。

Rg=" （1）

20′=20-20（R2+jX2）（2）

式中：KR為電阻折算系數；Re表示取復數實部；Rcp為機端并聯(lián)阻抗電阻部分；Rm為接地變壓器激磁阻抗電阻部分。

注入電源輸出20 Hz電壓，加在發(fā)電機中性點接地變壓器低壓側的負載電阻上，通過接地變壓器，將20 Hz信號注入到發(fā)電機定子側對地的零序回路中。保護裝置測量注入的20 Hz電壓、電流，然后基于導納法計算接地過渡電阻Rg，反映定子側單相接地故障。

某廠配有注入式發(fā)電機定子接地保護，其回路接線圖如圖2所示。接地變壓器的變比為20 kV/0.22 kV，分壓電阻Rn為0.18 Ω，穿芯CT變比為800 A/5 A。接地電阻判據反映發(fā)電機定子繞組接地電阻的大小，設有兩段接地電阻定值，高定值（10 kΩ）段作用于報警，低定值（5 kΩ）段作用于延時（0.5 s）跳閘。

2" " 保護誤動過程及現象

某日07：08：51.698，某電廠1號機組發(fā)電機保護Ⅰ屏注入式定子接地保護動作跳閘，機組解列停機。查看保護裝置動作報文。

查看某日07：08：51.698時刻定子接地保護跳閘波形，如圖3所示，啟動時刻保護計算接地電阻值4.9 kΩ，小于跳閘值5 kΩ，且滿足延時定值0.5 s，保護相應發(fā)報警和跳閘信號，保護動作行為正確。經過軟件計算，第一次“定子接地電阻判據”動作時機端和中性點三次諧波之比為44.57%。

從報警和跳閘波形可知，保護裝置A、B、C三相電壓和基波電壓沒有明顯變化，三次諧波比率值較7、8月手抄數據也沒有明顯變化，最大比值在40%左右，不滿足另外一套保護裝置（基波+三次諧波）三次諧波電壓比1.2倍的動作定值，因此另外一套保護裝置（基波+三次諧波）保護未動作。

3" " 事故分析

對發(fā)電機及其連接附屬設備等電氣一次系統(tǒng)設備開展絕緣測試和耐壓試驗，絕緣電阻合格，耐壓試驗通過，未發(fā)現接地故障。由中性點和機端零序電壓的變化情況也可知，發(fā)電機的中性點到機端并未出現定子接地的情況，由此初步判斷一次設備沒有發(fā)生單相接地故障，實際中定子對地阻值受到接地變壓器的參數、20 Hz電流/電壓通道測量誤差、20 Hz注入電源的輸出誤差和發(fā)電機中性點的不平衡電壓中的高次諧波等多重因素影響[7]。對注入式定子接地保護二次回路進行排查，并未發(fā)現“虛接”和“短接”的現象。因本次動作波形相較于實際定子接地有較大不同，因此在接地變及隔離變處開展各種故障測試，在正常運行情況下，系統(tǒng)產生容性電流，當發(fā)電機定子處發(fā)生單相接地故障或絕緣老化時，注入電流流過故障點，產生部分電阻性電流[8]，因此在模擬故障時同時記錄所測阻值的角度。測試結果如表1～7所示。

經過與表1～7的數據對比，判斷電阻下降的原因為20 Hz電壓采樣回路阻值發(fā)生改變，因分壓造成裝置采樣電壓下降，與波形分析及模擬計算一致。

繼續(xù)對20 Hz采樣回路進行檢查，檢查注入式定子接地保護電源輸入、電壓采樣、電流采樣回路，未發(fā)現電纜破損、接線端子損壞、多點接地、寄生回路情況。

檢查發(fā)現20 Hz采樣回路中，接地變負載電阻箱及抽頭引線如圖4所示。接地變負載電阻箱中間抽頭的鐵質引線存在銹蝕，采樣二次電纜壓接在鐵質引線上，因銹蝕原因造成接觸電阻增加，采樣電壓降低。同時對比試驗模擬數據，因20 Hz采樣電壓降低，采樣電流不變，造成計算值電阻降低達報警和動作定值，與表3中電壓回采回路UNLN串入電阻時采樣電壓及電流變化情況相一致，與故障時錄波數據變化趨勢相同，初步判斷保護誤動原因為20 Hz采樣回路存在回路電阻變化造成采樣失真。

對中性點接地負載電阻進行直流電阻測試為0.188 Ω，查看中性點接地電阻銘牌，其直流電阻設計值為0.168 Ω，阻值變化較大，與其引線銹蝕相符，確定本次保護誤動作的原因為接地變負載電阻箱中間抽頭的鐵質引線存在銹蝕。

4" " 結論與建議

綜上分析，本次某廠注入式定子接地保護動作的直接原因是該注入式定子接地保護采樣發(fā)生變化，邏輯依據采樣值變化經計算判斷為系統(tǒng)接地電阻發(fā)生變化，造成計算值與實際值不一致，保護裝置誤動。具體原因為接地變負載電阻箱鐵質引線存在銹蝕，造成20 Hz電壓采樣回路接觸電阻增加，采樣失真，造成計算電阻與實際不符，注入式定子接地保護誤動作。

為防止同類型故障再次發(fā)生，提出如下建議：

1）接地變負載電阻箱鐵質引線存在銹蝕時及時進行打磨和更換，確保其接觸電阻滿足要求。

2）臨時修改發(fā)電機注入式定子接地保護低定值段保護出口方式，將“跳閘”改為“報警”，待機組運行穩(wěn)定后再投“跳閘”。

3）加強機組啟機前及運行中發(fā)電機注入式定子接地保護中保護參數的巡查及統(tǒng)計，重點關注定子對地電阻、20 Hz采樣電壓/電流及阻抗相角的變化與趨勢。

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[8] 高正中，肖佳宜，王文文，等.660 MW發(fā)電機注入式定子接地保護試驗分析[J].電氣技術，2016（11）：111-114.

收稿日期：2024-10-25

作者簡介：陳洪峰（1976—），男，江蘇鹽城人，工程師，研究方向：發(fā)電企業(yè)生產經營管理。