刘 瑞

(上海上电漕泾发电有限公司，上海 201102)

某发电集团一台电机额定装机容量为600 MW，该发电机机端出口额定电压等级为20 kV。发电机机端电压通过变压器升压，经变压器升压后高压侧电压等级为500 kV，这里变压器与发电机的连接使用常见的单元接线方式。2019年3月20日该电厂发定子接地故障，保护装置发信后30 min内跳开发电机出口断路器。发电机定子绕组接地时产生的电容电流将会流过定子铁心严重时会烧毁铁心，当电容电流足够大时会造成定子绕组匝间甚至相间短路，损坏发电机，因此定子接地保护是发电机保护中极为重要的保护[1-7]。

本文通过发电机机端开关GCB跳开后根据发电机机端输出电压和主变低压侧电压幅值大及相位判断接地短路点，通过Matlab仿真模拟发电机出口电压与过渡电阻之间的关系，根据接地时的零序电流得出接地等效阻值，从而可以推算出故障点过渡电阻大小，可以快速找到故障点位置，也为以后相似故障提供快速处理方法。

1 定子接地事故现象以及保护配置

该发电机中性点通过接地变压器接地，保护设备为双重化，其中定子接地第一套采用外加电源注入式保护[8-10]，第二套采用基波与三次谐波电压共同组成100%定子接地保护[3]，实现对发电机定子绕组100%接地保护。该厂发电机，变压器构成的一次接线见图1。

2019年3月20日故障前该机组负荷为500 MW，综合自动化系统(NCS)报警：18:30:55，发电机A屏定子接地跳闸；18:30:58，发电机B屏定子接地跳闸。报警后就地检查发现该继电保护装置定子接地保护动作。保护动作报文和发变组故障录波器记录的波形中得知，产生接地时机端A，B，C三相电压大小分别为76.58,42.88,60.62 V，其中零序3U0大小为34.1 V，因此初步判断为B相或者与其连接的回路产生接地。

2 机端电压大小对应过渡电阻大小情况分析

2.1 电压变化分析

由于机端电压幅值不再相同且各电压均不为零，而且有零序电压，因此判断为接地故障且故障点经过渡电阻接地。定子接地故障电压波形如图1所示。从故障录波中的电压变化，可以看出在发电机出口GCB断开但还没有完全灭磁时，发电机端部电压为三相对称正序电压。从录波器相关波形中可以看出，在故障出现但保护未动作前发电机出口电压分别为UA=76 V,UB=43 V,UC=61 V,其零序3U0=35 V，主变低压侧与发电机出口侧电压波形几乎一致。发电机出口GCB分开没灭磁前发电机机端和发电机出口电压UA=59.6 V、UB=59.5 V、UC=59.4 V,零序电压3U0=0.1 V，主变低压侧电压分别为UA=88.6 V，UB=41.4 V，UC=59.4 V,零序电压3U0=59.1 V。因此，可以判断故障点应该在发电机出口GCB与变压器低压侧之间。

图1 定子接地故障电压波形

在定子发生单相接地时，对发电机机端三相不平衡电压进行分析。对于中性点经变压器接地的发电机，在通过过渡电阻接地时，发电机出口三相电势如图2所示，电势分别是EA、EB、EC，求发电机中性点电压3U0和三相出口对地电压EAd、EBd、ECd。

图2 定子接地等效图

图2中，中性点到故障点位置的绕组与整个绕组比值为α。因为可判断本次产生的接地点应该是在发电机GCB与主变低压侧之间且为B相[4]，所以根据基尔霍夫定理可知：

(1)

式中ω——发电机运行角速度。

可得：

(2)

发电机三相对地点压分别为

(3)

(4)

(5)

依据表1相关电气参数，结合式(2)，通过Matlab对短路点接不同过渡电阻接地情况进行仿真。

表1 发电机设备电气参数

仿真结果如图3所示。从图3中可以看出，各相对地点位的变化轨迹是以一段圆弧根据故障相模值变化而变化，过渡电阻大小的改变使其轨迹沿着圆弧改变。在故障点通过过渡电阻接地时接地相电压最小，由于B相发生故障，其中A相电压最大，C相次之。

图3 各电位变化轨迹

2.2 过渡电阻计算与Matlab仿真计算电压

在定子单相接地时，图4是对零序网络图简化。

图4 定子绕组接地故障零序回路

各电流计算：

(6)

通过Matlab仿真发电机出口接地过渡电阻不同时对应的电压关系，仿真图如图5所示。在图5中，通过Matlab模拟B相接地，当过渡电阻大小为600 Ω时，故障相B相电压大小为8.5 kV(二次侧大小为42.6 V)，A相的大小为15 kV(二次侧大小为75 V)，C相的大小为12 kV(二次侧大小为60 V)。这里发生短路的该相电压最小，A相电压最大，C相次之，符合前文图4中的规律。

图5 发电机端口电压幅值与故障点电阻大小变化关系

2.3 故障调查分析

经检修人员排查发现，在发电机对应变压器低压侧B相电压互感器柜的第二组绝缘子出现裂痕，导致在工作时接地故障使绝缘子进一步损坏，最后完全损坏掉落。

3 故障处理和经验总结

3.1 故障处理过程

在事故初步分析了可能的故障位置后，在申请主变停役事故检修期间，对发变组测量绝缘，最终确定故障位置是在发电机出口断路器外侧。检修人员对主变低压侧着重检查，相关操作如下：①拆解B相封闭母线20 kV侧、发电厂升压变低压侧、厂用变高压侧的电压互感器连接及GCB出口处的对地电容；②对B相进行打耐压，当电压升到42.5 kV时，出现放电击穿现象，并伴有声响，从异响确认发生短路区域；③在B相封闭母线内部，探查到主变低压侧电压互感器第二组绝缘子中有一支绝缘子爆裂；④清理封闭母线套管，更换破损绝缘子；⑤对检修后的故障封闭母线进行绝缘测试和打耐压试验，打耐压(51 kV，1 min)合格。

3.2 经验总结

购买设备及验收严格把控，确保安装的装置合格。排查其他封闭母线内的绝缘子，确保其他绝缘子没有隐含缺陷，防止相似事故再次发生。严格按照标准定期对设备进行检测，并严格按照相关行业标准，禁止设备带病服役。研究分析录波器记录的数据以及保护动作报文，进行理论分析确认故障位置增强故障排查分析能力。检查保护装置和录波器等对一次设备保护和监测的装置，确保一次设备在任何时刻都在保护与检测状态下。

4 结语

对于发电机中性点采用不同类型的接地[6]，在单相接地时它们的故障现象也会有所不同，但对比接地前后发电机电压与零序电流幅值，以及计算出过渡电阻大小，通过Matlab仿真不同故障相电压与过渡电阻关系，快速推断出接地点并及时给出处理。