小型水輪發(fā)電機(jī)定子單相接地故障“三步”處理法

金永琪

（浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231）

1 引言

浙江省小水電資源十分豐富，小水電是全省農(nóng)村的重要能源，全省山多雨多,山能資源比較豐富，全省小水電站就有3 000多座，2020年浙江省出臺了《水利工程管理“三化”改革試點方案》，推進(jìn)水利工程管理產(chǎn)業(yè)化、物業(yè)化、數(shù)字化，其中就包括了與水利工程配套的小型水電站的物業(yè)化管理，服務(wù)于水利工程管理物業(yè)化管理的公司如雨后春筍般成立，據(jù)調(diào)研全省有1 000多家水利工程物業(yè)化服務(wù)企業(yè)，大部分水利工程業(yè)主已經(jīng)把小型水電站的日常運行與管理交給中標(biāo)的第三方公司進(jìn)行運營。而相當(dāng)一部分水利工程運行承包企業(yè)技術(shù)力量比較薄弱，同時為了節(jié)省開支，招收的水電站運行值班員大多缺乏專業(yè)知識與專業(yè)技能，且專業(yè)培訓(xùn)時間又不足，只能滿足平時簡單的開、停機(jī)運行操作，小型水電站在運行中一旦出現(xiàn)故障就不能處理，只能簡單停機(jī)了事，嚴(yán)重影響小型水電站安全、經(jīng)濟(jì)運行，而小型水電站大多建在山區(qū)，當(dāng)在雷雨季節(jié)運行發(fā)電時，經(jīng)常會出現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子單相接地故障。經(jīng)過調(diào)研浙江省小型水電站的運行規(guī)程中都沒有對發(fā)電機(jī)發(fā)生單相接地故障時進(jìn)行處理的方法和步驟，本文結(jié)合小水電實際情況，幫助電站值班員引用“三步法”來進(jìn)行快速、準(zhǔn)確處理發(fā)電機(jī)定子單相接地故障。

2 小型水輪發(fā)電機(jī)定子單相接地故障原因及危害

2.1 定子發(fā)生單相接地故障原因

小型水輪發(fā)電機(jī)定子一般采用B級絕緣，其最高運行溫度為1 200 ℃，發(fā)電機(jī)定子絕緣材料的構(gòu)成是多種多樣的，不同材料中的電場強(qiáng)度不同，而且擊穿場強(qiáng)也不同。當(dāng)絕緣體某種材料中局部區(qū)域的電場強(qiáng)度達(dá)到擊穿場強(qiáng)時，就會出現(xiàn)局部放電而引起接地。在發(fā)電機(jī)運行過程中，隨著定子溫度的升高，局部放電可能在銅棒和電機(jī)接地的鐵心磁鋼之間的任何氣隙中產(chǎn)生。運行經(jīng)驗表明：發(fā)電機(jī)定子接地一般包括內(nèi)部接地和外部接地。另外單相接地信號包括真接地和假接地二種。

2.2 定子單相接地的危害

為了提高發(fā)電機(jī)輸出電壓及供電可靠性，小型水輪發(fā)電機(jī)定子中性點是不接地的，為了安全發(fā)電機(jī)的外殼總是接地的。當(dāng)定子繞組某相的絕緣損壞時所發(fā)生的對外殼短接，就是單相接地。發(fā)生單相接地時，接地點就會有電容電流流過，單相接地電流的大小，與接地故障點的位置有關(guān)，在中性點附近發(fā)生單相接地時，接地電容電流很小，在機(jī)端發(fā)生單相金屬性接地時，接地電容電流達(dá)到最大。當(dāng)接地電容電流大于5 A時，就可能產(chǎn)生電弧，有燒壞定子鐵心的危險，并進(jìn)一步發(fā)展成匝間短路或相間短路，使發(fā)電機(jī)遭受更嚴(yán)重的損壞。

3 發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地時各相對地電壓變化

3.1 單相接地時出現(xiàn)零序電壓

小型水輪發(fā)電機(jī)定子單相接地保護(hù)一般采用無選擇性的零序電壓，如圖1所示。假設(shè)A相定子繞組在距中性點α處（α表示由中性點到故障點的匝數(shù)占每相總匝數(shù)的百分比）的F點發(fā)生接地故障，此時各相對地電壓為：

圖1 定子繞組單相接地

各相對地電壓不對稱，出現(xiàn)零序電壓，系統(tǒng)的零序電壓為：

各相對地電壓及零序電壓的相量圖如圖2所示。

圖2 A相接地時電壓相量圖

通過以上分析可知，發(fā)電機(jī)單相接地時，三相對地電壓不對稱，并出現(xiàn)零序電壓，接地相對地電壓最低，非接地相對地電壓升高。故障點零序電壓隨著故障點的位置不同而不同，若發(fā)電機(jī)中性點發(fā)生接地則零序電壓為零，各相對地電壓等于相電壓，保持不變；若在發(fā)電機(jī)出線端發(fā)生單相接地，零序電壓等于相電壓，接地相對地電壓為零，非接地相對地電壓上升為線電壓。

3.2 反映零序電壓的發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地保護(hù)

發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地保護(hù)原理如圖3所示。從機(jī)端電壓互感器TV0的開口三角形取得，開口三角形兩端接過電壓繼電器中KV，過電壓繼電器的動作電壓一般取10 V左右，通過計算可以得知開口三角形兩端的零序電壓的有效值隨著發(fā)電機(jī)定子繞組接地點不同在0~105 V范圍內(nèi)變化。通過分析可知該保護(hù)為非選擇性動作：①當(dāng)發(fā)電機(jī)定子內(nèi)部、外部發(fā)生單相接地時，均發(fā)出發(fā)電機(jī)單相接地信號；②當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓互感器高壓側(cè)熔絲熔斷時，也會發(fā)出發(fā)電機(jī)單相接地信號。對于擴(kuò)大單元接線的發(fā)電機(jī)發(fā)生單相接地故障時，既無法選出發(fā)生故障的發(fā)電機(jī)，也不能區(qū)分故障點位于機(jī)內(nèi)還是機(jī)外。

圖3 反映零序電壓的定子繞組單相接地保護(hù)原理圖

4 值班員接到發(fā)電機(jī)單相接地故障信號后的處理

為了便于值班員快速處理接地故障，可以按照“三步法”進(jìn)行判斷和處理，具體如下：

步驟1：通過換相開關(guān)分別測量發(fā)電機(jī)三相對地電壓,以判斷真接地、假接地及真接地的程度。

步驟2：若一相對地電壓為零或接近于零，其他兩相對地電壓不變，則電壓為零或接近于零相發(fā)生電壓互感器TV高壓熔絲熔斷，在采取一定的安全措施后（即拉開電壓互感器TV手車或TV隔離開關(guān)，值班員穿絕緣鞋、戴絕緣手套；1人監(jiān)護(hù)、1人操作），更換發(fā)電機(jī)電壓互感器TV高壓熔絲即可。

步驟3：若一相對地電壓為零或降低，其他兩相對地電壓升高或上升為線電壓，則對地電壓為零或降低相為接地故障相，則馬上進(jìn)行下列操作。

（1）值班員首先做好自身的安全保護(hù)措施，對發(fā)電機(jī)一次回路設(shè)備，查看是否有明顯的接地點。如無明顯接地故障點，可與調(diào)度聯(lián)系，采用依次短時切斷發(fā)電機(jī)電壓母線上的某一回路查明接地點。

（2）若切斷某一回路時，接地信號消失，則接地點在這一回路上，和調(diào)度聯(lián)系后，馬上進(jìn)行停電搶修；若依次切斷所有回路后，接地現(xiàn)象不消失，則接地點可能在發(fā)電機(jī)母線或母線電壓互感器TV上，應(yīng)立即向調(diào)度申請整個電站發(fā)電機(jī)作停機(jī)處理。

（3）若接地故障一時不能消除，而用電高峰調(diào)度又不允許停機(jī)，則值班員應(yīng)做好相應(yīng)的安全措施，所有發(fā)電機(jī)定子及一次系統(tǒng)都視為故障接地點，要裝設(shè)相應(yīng)的臨時隔欄，懸掛相應(yīng)的警示牌，室內(nèi)不得接近故障點4 m之內(nèi)，室外不得接近故障點8 m之內(nèi)，且運行時間不能超過2 h。

5 應(yīng)用案例

天臺龍溪水電站有2臺水輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)型號為SF1-K8000-6/2400 ，單機(jī)容量8 000 kW，額定電壓6 300 V，額定電流916.4 A，勵磁電流455 A，勵磁電壓80 V，轉(zhuǎn)速1 000 r/min,飛逸轉(zhuǎn)速1 630 r/min，功率因數(shù)0.8，絕緣等級：B/F，1995年出廠，已連續(xù)運行20年時間，2015年2臺發(fā)電機(jī)定子進(jìn)行大修。2018年7月2日，機(jī)組正值豐水季節(jié)運行過程中，1號發(fā)電機(jī)突然發(fā)出單相接地信號，值班員接到單相接地信號，沉著、冷靜按照“三步法”對該故障進(jìn)行了處理，通過換相開關(guān)測量1號發(fā)電機(jī)各相對地電壓：A相3.64 kV、B相3.64 kV、C相0.52 kV，最后查明發(fā)出1號發(fā)電機(jī)單相接地信號是假信號，具體原因是1號發(fā)電機(jī)出口端接地保護(hù)用的C相電壓互感器TV高壓側(cè)熔絲熔斷所致，值班員在做好相關(guān)安全措施后更換C相電壓互感器TV高壓熔絲，故障得到迅速排除，1號發(fā)電機(jī)沒有停機(jī)繼續(xù)正常運行發(fā)電，提高了供電可靠性和電站經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)語

小型水電站發(fā)電機(jī)在運行過程中發(fā)出單相接地信號時，發(fā)出的接地信號存在兩種可能：①真接地，即發(fā)電機(jī)定子絕緣損壞；②假接地，即接地保護(hù)用的電壓互感器TV高壓熔絲熔斷。此時電氣值班員可按照“三步法”進(jìn)行判斷和處理，在具體處理過程中，值班員要按照《電業(yè)安全工作規(guī)范》要求做好自身的安全防范措施 ，同時按照工作監(jiān)護(hù)要求，1人操作、1人監(jiān)護(hù)，進(jìn)行故障處理。另外，值班員在平時運行過程中要注意做好3個方面的工作：①停機(jī)10 d以上的發(fā)電機(jī)在投入運行時必須測量發(fā)電機(jī)絕緣，檢查絕緣是否滿足要求；②在日常運行中要每隔1 h測量發(fā)電機(jī)各相對地電壓，判斷運行中絕緣是否良好；③倉庫備品間相關(guān)電氣配件特別是電壓互感器高、低壓熔絲配備必須充足，以供處理故障時使用。