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發(fā)電機定子接地故障探究
一、發(fā)電機定子一點接地的故障以及處理
1、定子接地的故障及判斷
發(fā)電機發(fā)出"定子接地"報警后，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，通過切換定子電壓表可測得接地相對地電壓為零，非接地相對地電壓為線電壓，各線電壓不變且平衡。定子絕緣電阻測量測得"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)電機電壓互感器開口三角繞組的兩端，因此，正常運行時"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，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。如果一點接地發(fā)生在定子繞組的內(nèi)部或發(fā)電機出口，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)，切換測量定子電壓表，測得接地相對地電壓大于零而小于相電壓，非接地相對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)電機電壓互感器高壓側(cè)一相或兩相熔斷器熔斷時，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)電機各相對地電壓未發(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)，各相對地電壓Uu0Uw0接近相電壓，Uu0明顯降低(相對地?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(假接地)。 真假接地的根本區(qū)別：真接地時，定子電壓表指示接地相對地電壓降低(或等于零)，非接地相對地電壓升高(大于相電壓但不超過線電壓)，而線電壓仍平衡。假接地時，相對地電壓不會升高，線電壓也不平衡。
2、發(fā)電機定子接地的處理
規(guī)程規(guī)定：容量在150MW及以下的發(fā)電機，當(dāng)接地電容電流小于5A時，在未清除故障前允許發(fā)電機在電網(wǎng)一點接地的情況下短時運行，但最多不超過2h;單元接線的發(fā)電機變壓器組尋找接地的時間不得超過30min。對于容量或接地電容電流大于上述規(guī)定的發(fā)電機，當(dāng)定子電壓回路單相接地時，要求立即將發(fā)電機解列并滅磁。這是考慮接地發(fā)生在發(fā)電機內(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)電機本體及所連接的一次回路，如接地點在發(fā)電機外部，應(yīng)設(shè)法消除。如將廠用電倒地相對地電壓降低(或等于零)，非接地相對地電壓升高(大于相電壓但不超過線電壓)，而線電壓仍平衡。假接地時，相對地電壓不會升高，線電壓也不平衡。
二、同步發(fā)電機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)中性點附近發(fā)生接地時，保護(hù)裝置不能動作，因而在中性點附近會出現(xiàn)死區(qū)。為了彌補在中性點附近存在的死區(qū)，實現(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)在運行中容易誤動，并且隨著定子繞組對地電容的增加，靈敏度降低，很難滿足目前對保護(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，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)電機發(fā)生定子單相接地故障后機端和中性點零序電壓故障暫態(tài)分量近似相同的特點，提出了基于零序電壓故障暫態(tài)分量的發(fā)電機定子單相接地保護(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，直接把機端和中性點兩側(cè)零序電壓故障暫態(tài)分量的和與差作為保護(hù)動作信號與制動信號，通過比較相應(yīng)信號的譜能量大小檢測定子單相接地故障。
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、大機組、高電壓輸電、高度自動控制的新時代。由于發(fā)電機單機容量很大，其安全運行與否直接影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。同時，現(xiàn)代大型發(fā)電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價昂貴，一旦發(fā)生故障遭受損壞，停機檢修需要較長時間，將造成巨大的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失。這些都對發(fā)電機的安全保障-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。
運行經(jīng)驗和理論分析表明，定子繞組內(nèi)部故障對發(fā)電機的破壞最為嚴(yán)重。相比之下，雖然定子繞組單相接地故障對發(fā)電機的損傷程度較小，但由于它是發(fā)電機最常見的一種故障，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，對發(fā)電機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，通過檢測機端或中性點處零序電壓來判別接地故障，簡便易行。但由于發(fā)電機三相繞組對地電容不完全對稱，正常時中性點存在位移電壓，該方案在中性點附近存在保護(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。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)電機中性點與機端處三次諧波電壓變化特點不同構(gòu)成的。正常運行時，中性點三次諧波電壓比機端三次諧波電壓大;而在中性點附近發(fā)生接地故障時，機端三次諧波電壓增大，中性點三次諧波電壓降低�；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)。
僅利用機端或中性點單側(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，受運行工況影響很大。由機端和中性點雙側(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)電機繞組中部附近時，機端和中性點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)電機正常運行時整個三相定子回路對地是絕緣的，而發(fā)生單相接地故障時這種對地絕緣就被破壞，這是最直接區(qū)分正常運行和故障的特征，在發(fā)電機定子回路與大地之間外加了一個信號電源。正常運行時，信號電源不產(chǎn)生電流或產(chǎn)生的電流很小。發(fā)生接地故障時，該電源產(chǎn)生相應(yīng)頻率的較大接地電流，使保護(hù)動作。因為信號是外加的，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)電機靜止、啟停和運行過程中均有保護(hù)作用，靈敏度高并有可以進(jìn)行絕緣監(jiān)測的突出優(yōu)點，有廣泛的應(yīng)用前景。但均需外加信號電源，對電壓的可靠性和性能有較高的要求，現(xiàn)場調(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)展奠定了堅實的物質(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)字信號處理器(DSP)等新器件都會對發(fā)電機保護(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)電機三次諧波電勢的影響，由三次諧波構(gòu)成的保護(hù)運行不太穩(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)電機的三次諧波電壓分布規(guī)律較強，一些新開發(fā)的方案都是針對汽輪發(fā)電機的，所以有必要針對水輪發(fā)電機的三次諧波電壓的特點及其保護(hù)方案進(jìn)行研究。
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