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發(fā)電機(jī)定子接地故障探究
一、發(fā)電機(jī)定子一點(diǎn)接地的故障以及處理
1、定子接地的故障及判斷
發(fā)電機(jī)發(fā)出"定子接地"報(bào)警后，應(yīng)判明接地相別和真、假接地。當(dāng)定子一相為金屬性接地時(shí)，通過切換定子電壓表可測(cè)得接地相對(duì)地電壓為零，非接地相對(duì)地電壓為線電壓，各線電壓不變且平衡。定子絕緣電阻測(cè)量測(cè)得"定子接地"電壓表指示為零序電壓值。由于"定子接地"電壓表接在發(fā)電機(jī)電壓互感器開口三角繞組的兩端，因此，正常運(yùn)行時(shí)"定子接地"電壓表的指示為零(開口三角形接線的三相繞組相電壓相量和為零)，當(dāng)定子繞組出現(xiàn)一相接地時(shí)，因開口三角形連接的二次繞組連接的三相繞組相電壓為100/3V，故"定子接地"電壓表的指示應(yīng)為100/3=100V。如果一點(diǎn)接地發(fā)生在定子繞組的內(nèi)部或發(fā)電機(jī)出口，且為電阻性，或接地發(fā)生在發(fā)變組主變壓器低壓繞組內(nèi)，切換測(cè)量定子電壓表，測(cè)得接地相對(duì)地電壓大于零而小于相電壓，非接地相對(duì)地電壓大于相電壓而小于線電壓，"定子接地"指示小于100V。當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓互感器高壓側(cè)一相或兩相熔斷器熔斷時(shí)，其二次側(cè)開口三角繞組端電壓也要升高。如U相熔斷器熔斷，發(fā)電機(jī)各相對(duì)地電壓未發(fā)生變化，仍為相電壓，但電壓互感器的二次側(cè)電壓測(cè)量值因U相熔斷發(fā)生了變化，即UuvUwu降低，而Uvw仍為線電壓(線電壓不平衡)，各相對(duì)地電壓Uu0Uw0接近相電壓，Uu0明顯降低(相對(duì)地?zé)o電壓升高)，"定子接地"電壓表指示為100/3V，發(fā)"定子接地"信號(hào)(假接地)。 真假接地的根本區(qū)別：真接地時(shí)，定子電壓表指示接地相對(duì)地電壓降低(或等于零)，非接地相對(duì)地電壓升高(大于相電壓但不超過線電壓)，而線電壓仍平衡。假接地時(shí)，相對(duì)地電壓不會(huì)升高，線電壓也不平衡。
2、發(fā)電機(jī)定子接地的處理
規(guī)程規(guī)定：容量在150MW及以下的發(fā)電機(jī)，當(dāng)接地電容電流小于5A時(shí)，在未清除故障前允許發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)一點(diǎn)接地的情況下短時(shí)運(yùn)行，但最多不超過2h;單元接線的發(fā)電機(jī)變壓器組尋找接地的時(shí)間不得超過30min。對(duì)于容量或接地電容電流大于上述規(guī)定的發(fā)電機(jī)，當(dāng)定子電壓回路單相接地時(shí)，要求立即將發(fā)電機(jī)解列并滅磁。這是考慮接地發(fā)生在發(fā)電機(jī)內(nèi)部，接地電弧電流易使鐵心損壞，另外，接地電容電流能使鐵心熔化，熔化的鐵心又會(huì)引起損壞區(qū)域的擴(kuò)大，使有效鐵心"著火"，由單相短路發(fā)展為相間短路。當(dāng)接到"定子接地"報(bào)警后，應(yīng)判明真、假接地。若判明為真接地，應(yīng)檢查發(fā)電機(jī)本體及所連接的一次回路，如接地點(diǎn)在發(fā)電機(jī)外部，應(yīng)設(shè)法消除。如將廠用電倒地相對(duì)地電壓降低(或等于零)，非接地相對(duì)地電壓升高(大于相電壓但不超過線電壓)，而線電壓仍平衡。假接地時(shí)，相對(duì)地電壓不會(huì)升高，線電壓也不平衡。
二、同步發(fā)電機(jī)定子單相接地故障暫態(tài)仿真及保護(hù)方案
定子繞組單相接地故障是發(fā)電機(jī)最常見的一種故障，而且往往是更為嚴(yán)重的繞組內(nèi)部短路故障發(fā)生的先兆，定子繞組單相接地保護(hù)的可靠與靈敏動(dòng)作可以大大降低內(nèi)部短路故障的發(fā)生幾率，減少故障造成的損失。本文首先提出了利用基波零序電壓構(gòu)成的定子接地保護(hù)的原理，這種保護(hù)的方法簡單可靠，但是由于整定值較高，因此，當(dāng)中性點(diǎn)附近發(fā)生接地時(shí)，保護(hù)裝置不能動(dòng)作，因而在中性點(diǎn)附近會(huì)出現(xiàn)死區(qū)。為了彌補(bǔ)在中性點(diǎn)附近存在的死區(qū)，實(shí)現(xiàn)100%定子接地保護(hù)，我們提出了基于穩(wěn)態(tài)的三次諧波電壓的保護(hù)，但是傳統(tǒng)的三次諧波電壓保護(hù)在運(yùn)行中容易誤動(dòng)，并且隨著定子繞組對(duì)地電容的增加，靈敏度降低，很難滿足目前對(duì)保護(hù)靈敏度不斷提高的要求。目前，基于穩(wěn)態(tài)量的基波零序電壓與三次諧波電壓保護(hù)組合實(shí)現(xiàn)100%定子繞組接地保護(hù)得到廣泛的應(yīng)用。但是，當(dāng)接地故障的過渡電阻較大時(shí)，故障前后的穩(wěn)態(tài)量變化很小，但故障后仍存在故障暫態(tài)過程，根據(jù)發(fā)電機(jī)發(fā)生定子單相接地故障后機(jī)端和中性點(diǎn)零序電壓故障暫態(tài)分量近似相同的特點(diǎn)，提出了基于零序電壓故障暫態(tài)分量的發(fā)電機(jī)定子單相接地保護(hù)方案;第一種形式將基波零序電壓與三次諧波電壓分開處理;第二種形式無需將兩者分開，直接把機(jī)端和中性點(diǎn)兩側(cè)零序電壓故障暫態(tài)分量的和與差作為保護(hù)動(dòng)作信號(hào)與制動(dòng)信號(hào)，通過比較相應(yīng)信號(hào)的譜能量大小檢測(cè)定子單相接地故障。
1、單相接地故障保護(hù)方案研究的重要意義
我國電力工業(yè)已基本進(jìn)入大電網(wǎng)、大電廠、大機(jī)組、高電壓輸電、高度自動(dòng)控制的新時(shí)代。由于發(fā)電機(jī)單機(jī)容量很大，其安全運(yùn)行與否直接影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。同時(shí)，現(xiàn)代大型發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴，一旦發(fā)生故障遭受損壞，停機(jī)檢修需要較長時(shí)間，將造成巨大的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失。這些都對(duì)發(fā)電機(jī)的安全保障-繼電保護(hù)系統(tǒng)在可靠性、靈敏性、選擇性和快速性等方面提出了更高的要求。
運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和理論分析表明，定子繞組內(nèi)部故障對(duì)發(fā)電機(jī)的破壞最為嚴(yán)重。相比之下，雖然定子繞組單相接地故障對(duì)發(fā)電機(jī)的損傷程度較小，但由于它是發(fā)電機(jī)最常見的一種故障，而且往往是更為嚴(yán)重的內(nèi)部相間或匝間短路故障發(fā)生的先兆，定子繞組單相接地保護(hù)的可靠與靈敏動(dòng)作可以大大降低更為嚴(yán)重的內(nèi)部短路故障發(fā)生幾率。如果定子單相接地故障電流不大，對(duì)發(fā)電機(jī)定子鐵芯的損傷就可以避免，故障造成的經(jīng)濟(jì)損失減少。因此，定子繞組單相接地保護(hù)對(duì)預(yù)防嚴(yán)重的內(nèi)部短路故障具有重要意義。
2、國內(nèi)外關(guān)于單相接地故障保護(hù)方案研究的發(fā)展現(xiàn)狀
目前廣泛應(yīng)用的較為成熟的傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)定子單相接地保護(hù)方案有以下兩種。第一種是雙頻式定子單相接地保護(hù)，是對(duì)基波零序電壓型保護(hù)方案和三次諧波電壓型保護(hù)方案的統(tǒng)稱。其中基波零序電壓型保護(hù)方案是在發(fā)生單相接地時(shí)，通過檢測(cè)機(jī)端或中性點(diǎn)處零序電壓來判別接地故障，簡便易行。但由于發(fā)電機(jī)三相繞組對(duì)地電容不完全對(duì)稱，正常時(shí)中性點(diǎn)存在位移電壓，該方案在中性點(diǎn)附近存在保護(hù)死區(qū)，并且保護(hù)區(qū)內(nèi)經(jīng)過渡電阻接地時(shí)靈敏度不高，高壓側(cè)系統(tǒng)或高壓廠用變低壓系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障可能引起保護(hù)誤動(dòng)。三次諧波電壓型定子接地保護(hù)是利用單相接地故障前后發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)與機(jī)端處三次諧波電壓變化特點(diǎn)不同構(gòu)成的。正常運(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)三次諧波電壓比機(jī)端三次諧波電壓大;而在中性點(diǎn)附近發(fā)生接地故障時(shí)，機(jī)端三次諧波電壓增大，中性點(diǎn)三次諧波電壓降低�；诜�(wěn)態(tài)量的三次諧波電壓型保護(hù)主要是為了消除基波零序電壓型接地保護(hù)在中性點(diǎn)附近的保護(hù)死區(qū)。二者相配合就構(gòu)成了100%雙頻式定子接地保護(hù)。
僅利用機(jī)端或中性點(diǎn)單側(cè)三次諧波電壓構(gòu)成的保護(hù)靈敏度較低，且保護(hù)范圍較小，受運(yùn)行工況影響很大。由機(jī)端和中性點(diǎn)雙側(cè)三次諧波電壓構(gòu)成的判據(jù)，由于能夠綜合考慮三次諧波電壓的大小和相位變化，因而具有更高的靈敏度和可靠性，。但由于利用的是穩(wěn)態(tài)量，所以當(dāng)接地過渡電阻較大、故障位置在發(fā)電機(jī)繞組中部附近時(shí)，機(jī)端和中性點(diǎn)三次諧波電壓變化量很小，保護(hù)的靈敏度較低。
第二種外加電源注入式定子接地保護(hù)這類保護(hù)是根據(jù)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)整個(gè)三相定子回路對(duì)地是絕緣的，而發(fā)生單相接地故障時(shí)這種對(duì)地絕緣就被破壞，這是最直接區(qū)分正常運(yùn)行和故障的特征，在發(fā)電機(jī)定子回路與大地之間外加了一個(gè)信號(hào)電源。正常運(yùn)行時(shí)，信號(hào)電源不產(chǎn)生電流或產(chǎn)生的電流很小。發(fā)生接地故障時(shí)，該電源產(chǎn)生相應(yīng)頻率的較大接地電流，使保護(hù)動(dòng)作。因?yàn)樾盘?hào)是外加的，不受接地位置的限制，能完成100%定子接地保護(hù)的目的。該類保護(hù)在發(fā)電機(jī)靜止、啟停和運(yùn)行過程中均有保護(hù)作用，靈敏度高并有可以進(jìn)行絕緣監(jiān)測(cè)的突出優(yōu)點(diǎn)，有廣泛的應(yīng)用前景。但均需外加信號(hào)電源，對(duì)電壓的可靠性和性能有較高的要求，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試也比較復(fù)雜。
三、定子單相接地保護(hù)的展望
近年來，新技術(shù)不斷在電力系統(tǒng)中應(yīng)用也為繼電保護(hù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)光學(xué)電流、電壓互感器的開發(fā)和應(yīng)用，高性能數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)等新器件都會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)保護(hù)的性能產(chǎn)生深刻的影響。而且一些學(xué)者把自適應(yīng)理論、模糊集理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)等智能理論和技術(shù)應(yīng)用到繼電保護(hù)中，大大豐富了繼電保護(hù)理論，并促進(jìn)了其發(fā)展。
由于靈敏度直接受發(fā)電機(jī)三次諧波電勢(shì)的影響，由三次諧波構(gòu)成的保護(hù)運(yùn)行不太穩(wěn)定。傳統(tǒng)的基波零序和外加電源型保護(hù)方案基本上是基于穩(wěn)態(tài)量的，已比較成熟，而且其靈敏度的提高是有限的。所以當(dāng)前應(yīng)著重致力于新型基于暫態(tài)量保護(hù)的研究。
如上所述，我國在發(fā)電機(jī)定子單相接地暫態(tài)保護(hù)方面應(yīng)用自適應(yīng)和故障分量原理取得了一些進(jìn)展。但這些保護(hù)方案，在處理靈敏度和可靠性之間關(guān)系方面還存在不足，還需進(jìn)一步研究。另外，由于汽輪發(fā)電機(jī)的三次諧波電壓分布規(guī)律較強(qiáng)，一些新開發(fā)的方案都是針對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)的，所以有必要針對(duì)水輪發(fā)電機(jī)的三次諧波電壓的特點(diǎn)及其保護(hù)方案進(jìn)行研究。
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