發(fā)電機定子接地保護(hù)可靠性提升策略

何子春，李國其，張 強，李養(yǎng)俊，張 莉

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

0 引言

作為發(fā)電機組主設(shè)備的發(fā)電機，價格昂貴，維修周期長，保障其安全、穩(wěn)定運行的繼電保護(hù)的可靠性直接決定著整臺機組的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。近年來，關(guān)于發(fā)電機故障停機或保護(hù)誤動、拒動事故在行業(yè)內(nèi)外均有發(fā)生，特別是發(fā)電機定子接地故障頻次大幅上升，值得注意的是發(fā)電機定子接地保護(hù)誤動或附屬設(shè)備故障引起保護(hù)動作的安全隱患問題。作為發(fā)電機定子主保護(hù)之一的定子接地保護(hù)，需要準(zhǔn)確反映發(fā)電機定子異常并能夠可靠切除故障。因此保證定子接地保護(hù)高可靠性與靈敏性顯得尤為重要。

1 設(shè)備配置

某發(fā)電機組發(fā)電機定子繞組出口配置有3組電壓互感器，測量發(fā)電機機端電壓，用于測量、計量、勵磁和發(fā)變組保護(hù)之用。發(fā)電機端用于定子接地保護(hù)PT為固體分級絕緣電壓互感器，變比kT為：

發(fā)電機中性點經(jīng)專用接地變高壓繞組和零序CT接地，接地變低壓側(cè)接有分壓電阻箱，接地變變比bT為：

式（1）（2）中UG為發(fā)電機額定電壓，單位為V。

2 發(fā)電機定子接地保護(hù)原理分析

發(fā)電機基波零序電壓保護(hù)可以保護(hù)靠近機端85 %～95 %定子繞組區(qū)段，且故障點越靠近機端保護(hù)靈敏度越高；而三次諧波接地保護(hù)用于保護(hù)靠近發(fā)電機中性點15 %～20 %定子繞組區(qū)段，而且故障點越靠近中性點保護(hù)靈敏度越高。將兩者結(jié)合，即可實現(xiàn)保護(hù)100 %的定子繞組。

2.1 基波零序電壓定子接地保護(hù)

發(fā)電機定子基波零序電壓保護(hù)反應(yīng)發(fā)電機零序電壓基波分量?；阈螂妷罕Ｗo(hù)設(shè)兩段定值，一段為靈敏段，另一段為高定值段。

靈敏段基波零序電壓保護(hù)，動作于跳閘或信號時，其動作方程為：

式(3)中UN0為發(fā)電機中性點零序電壓，U0LZD為零序電壓低定值。

高定值段基波零序電壓保護(hù)，取中性點零序電壓為動作量，動作方程為：

式(4)中U0HZD為零序電壓高定值，高定值段可單獨整定動作于跳閘全停。

2.2 三次諧波電壓比率定子接地保護(hù)

發(fā)電機三次諧波電壓比率判據(jù)中，機端三次諧波電壓取自機端開口三角，中性點三次諧波電壓取自發(fā)電機中性點接地變電阻箱分接抽取電壓。三次諧波保護(hù)動作方程為：

式(5)中U3T，U3N為機端和中性點三次諧波電壓值，K3WZD為三次諧波電壓比值整定值。需要注意的是，機組并網(wǎng)前后，機端等值容抗有較大的變化，三次諧波電壓比率關(guān)系將隨之變化，需要分別整定并隨發(fā)變組并網(wǎng)斷路器觸點變位自動切換。三次諧波電壓比率判據(jù)一般整定為發(fā)信。

2.3 三次諧波電壓差動定子接地保護(hù)

三次諧波電壓差動判據(jù)：

3 發(fā)電機定子接地保護(hù)異常顯示

正常運行中，很多機組的發(fā)變組保護(hù)裝置發(fā)電機電壓綜合量顯示異常，即發(fā)電機機端與中性點三次諧波電壓采樣數(shù)據(jù)不合常理，中性點三次諧波采樣值嚴(yán)重小于機端三次諧波采樣值，實例見表1。

表1 發(fā)電機定子接地保護(hù)采樣值 V

依照發(fā)電機三次諧波電壓比率定子接地保護(hù)原理(見式(5))與定值單中比率定值α的取值(并網(wǎng)后α設(shè)定為1.5)，此時發(fā)電機三次諧波定子接地保護(hù)應(yīng)該出口動作報警，但實際上，在超過3年運行中此保護(hù)并未動作報警。針對拒動問題，有必要進(jìn)行深入調(diào)查研究。

4 發(fā)電機定子接地保護(hù)采樣異常調(diào)查

經(jīng)過現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機中性點接地變電阻箱分接檔位接線錯誤，其接于最低檔0.16 Ω(總電阻為0.54 Ω)，引起發(fā)電機中性點基波和三次諧波零序電壓采樣值異常變小，造成發(fā)電機端與發(fā)電機中性點零序電壓三次諧波分量比率異常增大(見表1)，若按定值單中α為1.3或1.5整定，將引起發(fā)動機三次諧波定子接地保護(hù)誤動，干擾機組穩(wěn)定運行，也可能帶來運行人員的誤判操作或決策的嚴(yán)重后果。特別是在發(fā)電機定子繞組部分區(qū)段真正發(fā)生接地故障時，由于零序電壓采樣值偏小并可能低于整定值，將發(fā)生基波接地保護(hù)拒動造成嚴(yán)重的設(shè)備損毀安全事故。依現(xiàn)場核查結(jié)果，三次諧波定子接地保護(hù)在“誤接線”的情況下未發(fā)生報警或誤動的原因為：在調(diào)試階段整套啟動中，α被在線整定為3.85 (未按定值單整定，實測值為3.67)，而三次諧波電壓差動判據(jù)未投入，所以三次諧波定子接地保護(hù)在“誤接線”“誤整定”的情況下長期未能報警輸出。此系發(fā)電機定子接地保護(hù)“誤接線”“誤整定”未遂事件。

5 定子接地保護(hù)“誤整定”原因分析

5.1 發(fā)電機端PT開口三角3U0T電壓計算

當(dāng)發(fā)電機機端發(fā)生金屬性單相(A相)接地故障時，機端零序電壓相量如圖1所示。

圖1 機端A相金屬性接地零序電壓相量

圖1中：

據(jù)此，按發(fā)電機機端PT變比式(1)計算3U0T如下：

5.2 發(fā)電機中性點接地變零序電壓U0N計算

當(dāng)接地變壓器變比為式(2)時，機端單相金屬性接地中性點接地變二次零序電壓為：

顯然，機端開口三角零序電壓3U0T與中性點零序電壓U0N在同一接地故障中的采樣值不一致，難以進(jìn)行比率或差動計算，且易發(fā)生錯誤整定。為此，發(fā)電機中性點零序電壓U0N可以通過電阻箱分接檔位進(jìn)行分壓抽取，使U0N盡可能與機端3U0T為相同變比的測量值，保證定子接地保護(hù)中動作量與閉鎖量、動作量與制動量的測量一致性。電阻箱抽頭R抽頭選擇按式(9)計算可得：

5.3 定子接地保護(hù)“誤整定”原因分析

(1) 定值計算時，U0N錯誤地按額定值100 V而不是133 V計算出零序過電壓整定值U0dz，生產(chǎn)部門也按此定值單進(jìn)行整定，卻很少考慮此定值是否匹配中性點接地變壓器的實際變比及電阻箱的分接位置。

(2) 在實際接線中，由于施工方和調(diào)試方疏忽，或不清楚原理使得“誤接線、誤整定”問題“隱形”并長期存在，靜態(tài)或動態(tài)中也很難發(fā)現(xiàn)或驗證，發(fā)電機定子接地保護(hù)不可避免地“帶病”運行，嚴(yán)重威脅著發(fā)電機安全。

6 發(fā)電機定子接地保護(hù)接線正確性核查

在發(fā)電機二次接線安裝完成后，依照發(fā)電機出口PT和中性點接地變的二次設(shè)計接線圖須做如下檢查和確認(rèn)。

6.1 核查機端PT的開口三角電壓接線

首先，保證定子接地保護(hù)用PT選用100/3變比繞組，且極性一致，首尾相接，最后引出c相尾N600直接接地，a相頭UL不經(jīng)開關(guān)或熔斷器直接分屏引入發(fā)變組保護(hù)柜或錄波柜，作為發(fā)電機端零序開口電壓，用于發(fā)電機基波定子接地保護(hù)之用。

6.2 校核中性點接地變及電阻箱安裝接線

根據(jù)中性點接地變銘牌上的接地變變比，計算發(fā)電機機端金屬性接地時發(fā)電機中性點接地變二次零序電壓值U0N：

式(10)中UG為發(fā)電機額定電壓，bT為接地變變比。根據(jù)式(9)計算接地變電阻箱的分接位置R抽頭，按照計算結(jié)果選擇合適的分接檔位。

6.3 空載或負(fù)載工況下準(zhǔn)確性檢查

發(fā)電機空載或負(fù)載運行中，若機端PT開口三角接線正確，接地變電阻箱分接位置選擇合適，按照發(fā)電機磁鏈分布中的漏磁分布，中性點三次諧波的幅值應(yīng)明顯地大于機端三次諧波(基波無明顯變化)，從原理上驗證了發(fā)電機100 %定子接地保護(hù)一、二次接線的正確性。若發(fā)現(xiàn)機端三次諧波幅值明顯大于中性點三次諧波的測量結(jié)果，則表明發(fā)電機接地變一次或二次接線不正確，須核查。

6.4 定子接地保護(hù)定值計算書審查

在發(fā)電機保護(hù)定值計算中，很多計算單位按機端PT開口三角繞組100/3的變比進(jìn)行計算并以此作為動作量編制定值單，定值整定人員極易忽略接地變分壓電阻箱的分接檔位，發(fā)生保護(hù)定值與現(xiàn)場設(shè)備匹配問題，極可能釀成保護(hù)“誤動”或“拒動”的嚴(yán)重安全事故，后果嚴(yán)重。因此必須認(rèn)真審查保護(hù)定值計算的正確性。

7 提升發(fā)電機定子接地保護(hù)可靠性策略

7.1 消除發(fā)電機附屬設(shè)備接地隱患

一方面要排查發(fā)電機出口PT一次繞組絕緣隱患；另一方面要排查發(fā)電機出口封母或與封母相連相對較低的位置，如主變低壓側(cè)或廠高變高壓側(cè)的盤式絕緣子等部位發(fā)生結(jié)露或積水隱患，防止發(fā)生擊穿或閃絡(luò)，繼而引起發(fā)電機開口三角零序電壓U0T與中性點零序電壓U0N突增引起停機事故。采取以下排查及預(yù)防策略。

(1) 按二十五項反措要求對發(fā)電機出口PT定期開展局放試驗，及時發(fā)現(xiàn)并排除絕緣隱患。

(2) 加強對封母微正壓裝置及其輸氣管線的管理、日常巡檢和定期檢查，保證微正壓裝置自動啟停功能正常投入，嚴(yán)禁人為退出或間歇運行。尤其要加強對輸氣管線的完好性排查和治理，保證連接緊固、密封暢通。

(3) 利用大小修或停機機會，對封母的絕緣狀況，尤其是盤式絕緣子結(jié)露情況進(jìn)行內(nèi)窺檢查，消除結(jié)露或積水隱患。

(4) 對發(fā)變組封母的密封墊進(jìn)行定期檢查或更換，防止雨水或濕氣竄入封母。

7.2 消除發(fā)電機中性點附屬一二次設(shè)備接地故障

發(fā)電機中性點附屬設(shè)備絕緣損傷或因漏油漏水引發(fā)的接地故障，是引起發(fā)電機定子基波接地保護(hù)失效和三次諧波定子接地保護(hù)誤動的重要因素。如發(fā)電機在線局放儀傳感器絕緣降低或破損、接地變繞組及電阻箱接地、二次線掉落或松動等異常，都將引起發(fā)電機中性點基波零序電壓3U0N降低或失去，依據(jù)(3)(4)(5)(6)式，易造成發(fā)電機基波定子接地保護(hù)的拒動和三次諧波定子接地保護(hù)的誤動事故，給機組安全和故障診斷帶來嚴(yán)重挑戰(zhàn)。采取以下排查及預(yù)防措施。

(1) 按照預(yù)試規(guī)程要求定期開展接地變及電阻箱的預(yù)試工作，保證接地變、電阻箱及其接線絕緣良好。

(2) 加強定期清掃與設(shè)備緊固等維護(hù)工作，預(yù)防設(shè)備或接線因沾污引起絕緣降低、接線松動或脫落，保證零序電壓采樣正確可靠。

7.3 排查并消除保護(hù)“誤整定”和“誤接線”隱患

依據(jù)機端出口PT和中性點接地變銘牌參數(shù)中的變比，按式(7)和式(8)對定值計算書進(jìn)行校核，確認(rèn)發(fā)電機基波和三次諧波定子接地保護(hù)定值單中零序電壓動作量和變比選取與計算一致；特別要檢查接地變電阻箱的分接檔位并按式(9)進(jìn)行分壓計算，確認(rèn)發(fā)電機中性點零序電壓U0N接線和保護(hù)裝置采樣正確可靠，從根本上杜絕繼電保護(hù)“誤整定”和“誤接線”事故。

8 結(jié)束語

發(fā)電機定子接地保護(hù)動作的正確性、可靠性是保證發(fā)電機與機組安全的重要保障。在實際工作中，要高度重視發(fā)電機定子接地保護(hù)施工遺留隱患治理、定值整定核查與監(jiān)督工作，確保保護(hù)正確可靠投入，并按規(guī)程要求做好定期檢驗與維護(hù)工作，消除各種事故隱患，防止保護(hù)“拒動”和“誤動”惡性事故發(fā)生，保障機組長期安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運行。