CN103414159B - 解决发电机定子接地保护滞后切除故障的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种解决发电机定子接地保护滞后切除故障的方法，包括以下3项措施：（1）用一次施加电压法检测二次电压采样值正确性，保证发电机出线侧发生接地故障时保护采集的中性点电压为（2）将基波零序电压定子接地保护设为两段：不灵敏段发信号，灵敏段跳闸；（3）将发电机基波零序电压定子接地保护的动作跳闸时间由1.5s改为0.2s。它们共同发挥作用，有效地解决发电机出现定子接地时保护滞后切除故障的问题。运行结果证明，采取措施后发电机定子接地保护原有的特性不受影响，定子接地时保护滞后切除故障的问题得到彻底解决。由此避免了定子接地保护延时过长动作导致的机组损坏程度加重的问题，对保证电网的正常运行发挥了重要作用。

Description

解决发电机定子接地保护滞后切除故障的方法

技术领域

本发明涉及电力***变电站保护技术，特别涉及一种解决发电机定子接地保护滞后切除故障的方法。

背景技术

目前烟台发电厂、聊城发电厂、潍坊发电厂等出现过若干起发电机定子接地，保护滞后切除故障，进而引发匝间短路、相间短路的重大事故。

例如，2007年潍坊发电厂#4发电机C相发生定子接地故障、进而发展为匝间短路故障，导致发电机定子C相引线被烧断，B、C相对地绝缘为0MΩ。发电机定子匝间的动作时间为0.2s，定子接地保护的整定时间为1.5s。最终是匝间保护动作跳机，定子接地保护没有动作。显然由于发现定子接地保护的整定时间太长，在定子接地后接地保护没有动作之前已经发展为匝间短路，匝间动作跳机在前，造成了事故的扩大。事故的扩大不仅加重了电厂损失，还危及到了电网的安全运行。

定子接地保护带有时限的原因是根据整定计算导则规定：发电机中性点经配电变压器高阻接地时，接地故障电流大于一般情况下均将大于允许值，所以单相接地保护应带时限动作于停机，其时限应与***接地保护相配合。

但上述规定显然无法满足实际生产的需要。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种解决发电机定子接地保护滞后切除故障的方法，它能够有效地解决发电机出现定子接地故障时保护滞后切除故障的问题，以降低发电机的损坏的程度；同时设置0.2s的延时可以躲过暂态过程的影响，不会误动作，由此有效地避免了保护误动、开关误跳、信号误发、机组误停的一系列问题，从而避免了设备事故扩大对电网造成的冲击影响。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种解决发电机定子接地保护滞后切除故障的方法，至少包括以下措施：

(1)采用一次施加电压法检测二次电压采样值的正确性，保证发电机出线侧发生接地故障时保护采集的中性点电压变比为

(2)将基波零序电压定子接地保护设为两段：灵敏段动作于发信号；不灵敏段动作于跳闸；

(3)动作时限无须与***接地保护相配合，将发电机基波零序电压定子接地保护的动作跳闸时间由1.5s改为0.2s；

以上3项措施共同实施从而解决发电机定子接地保护滞后切除故障。

所述灵敏段，动作电压U_d1＝10V，t_d1＝9s发信号；不灵敏段，动作电压U_d2＝20V，t_d2＝0.2s跳闸；

本发明在保证中性点二次电压采样值正确性的条件下，通过执行动作时限无须与***接地保护相配合的理念，能有效地缩短基波零序电压定子接地保护的动作跳闸时间，避免设备事故扩大，包括类似的定子引线故障可能扩展为定子线圈事故，从而避免不必要的损失。采取措施后发电机定子接地保护原有的特性不受影响，定子接地时保护滞后切除故障的问题得到彻底解决。由此避免了定子接地保护延时过长动作导致的机组损坏程度加重的问题，对保证电网的正常运行发挥了重要作用。

附图说明

图1为发电机***接线简图；

图2为发电机继电保护动作时序；

图3为匝间保护跳闸时刻的电流电压值波形图；

图4为主变高压侧发生单相接地故障时录波图形。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

本发明至少包括以下措施：

(1)采用一次施加电压法检测二次电压采样值的正确性，保证发电机出线侧发生接地故障时保护采集的中性点电压变比为

(2)将基波零序电压定子接地保护设为两段：灵敏段动作于发信号；不灵敏段动作于跳闸；

(3)动作时限无须与***接地保护相配合，将发电机基波零序电压定子接地保护的动作跳闸时间由1.5s改为0.2s。

以上3项措施只要能够共同发挥作用，就能够有效地解决发电机出现定子接地故障时保护滞后切除故障的问题，以降低发电机的损坏的程度；同时设置0.2s的延时可以躲过暂态过程的影响，不会误动作，由此有效地避免了保护误动、开关误跳、信号误发、机组误停的一系列问题。从而避免了设备事故扩大对电网造成的冲击影响。

实施例(以潍坊发电厂机组定子故障为例)

本发明分析了解决发电机中性点经配电变压器高阻接地***定子接地保护滞后切除故障的实例，展示了在确定发电机定子接地故障与匝间短路故障的时序、在确定发电机定子接地保护与匝间保护的动作时序，以及在分析发电机-变压器组式接线的***，主变高压侧零序电压对发电机侧零序电压的影响，在确定定子接地保护动作边界、确定发电机定子接地保护动作时间，建立合理的指标体系方面所做的工作。

在现场对故障发电机的受损情况，对发电机定子接地故障与匝间短路的故障的时序进行了检查，对发电机的故障录波图形进行了分析，确定了发电机定子接地保护快速动作的时间指标。

结合其他发电厂得出的“主变高压侧零序电压对发电机侧零序电压的影响可以忽略”的结论，考虑到定子接地保护须要躲过暂态过程影响的因素，最后确定，发电机定子接地保护动作时限无须与***接地保护相配合，只须将发电机基波零序电压定子接地保护的动作跳闸时间由1.5s改为0.2s。

一、故障现象

2007年7月4日，#4机组负荷维持在650MW运行，16：06发电机绝缘过热装置发出装置报警信号。16：20发现发电机内冷水压力升高，水压从0.23MPa逐渐上升到0.4MPa，内冷水各阀门状态正确，内冷水箱水位60cm，属正常。16：26，“发电机故障”信号发出、发变组保护柜“匝间保护”动作、#4锅炉MFT动作、机组全停、厂用电切换。同时，发现#4机组跳闸后内冷水压力升高到0.8MPa，发电机下部四个液位计均满水；跳机时汽机侧测温元件接线板处因漏氢着火。

机组的保护是RCS-985型发变组保护装置，按双重化配置，故障发生后，定子接地保护启动在先，匝间保护动作于跳闸，两套保护动作结果一致。发电机引线烧断后故障持续了约6分钟的时间。

疑点分析：(1)发电机中性点变比的选择；(2)定子接地保护动作时间的整定。

二、检查过程

1、DCS有关信息的检查

(1)发电机线棒出水温度上升

16时20分43秒，发电机#12～#18槽上层线棒出水温度及#37～#1槽下层线棒出水温度迅速上升，不到一分钟时间，温度由65℃左右升至85℃以上；上述槽的线棒层间温度也开始上升。机组跳闸时，#37槽线棒层间温度高达106℃，#12槽上层线棒出水温度达150℃以上。

(2)发电机零序电压与负序电流突变

机组跳闸时，发电机相电压A相升至12.42kV，B相升至13.17kV，C相降至8.26kV，线电压基本无变化，二次出现零序电压21V；发电机电流A相由20228A升至20908A，B相由20348A升至21096A，C相由20261A降至18959A，负序电流由50A左右增大到446A，最大负序电流增到3457A，零序电流较小。

(3)发电机机务参数超标

故障时发电机#7瓦振动由78μm增大到150μm左右；内冷水压力由0.25MPa逐渐升高到0.4MPa左右；发电机定子内冷水箱内出现氢气，氢气湿度开始增大。

2、保护A屏动作报文检查

保护A屏动作报文见下表

以7月4日16时28分45秒815ms为起点：经过1249ms匝间保护动作跳闸；经过1251ms匝间保护高定值段保护动作；经过1710ms外部重动1跳闸。

3、发电机检查

(1)发电机本体的检查

发电机励磁端C相并联分支中的2W2环形引线在188°与212.29°绝缘夹板之间的部分导线被烧断，烧断的部位长约400mm。与此故障部位相邻的2根环形引线1B1和1B2外绝缘表面已经炭化。2C2整支引线多处淌出黑色胶状物，2C1引线位于12点位置的部分表面绝缘变色。

汽机端#12、13、14、15、37、38、39、40、41槽下层线棒出槽口拐角处绝缘全部开裂，其中#37下层线棒出槽口处变形露铜，#40槽下层线棒出槽口拐角处铜线已断裂；#39、40两槽间铁芯齿压板局部熔化；#37、38、39下层线棒鼻端电联接已脱锡开焊。

(2)发电机的绝缘检查

停机后测量发电机定子的绝缘电阻，A相为130MΩ，B、C相为零；测量定子直流电阻，A、B相可以测出，C相无法测出；测量转子的绝缘电阻，结果为零。

4、保护定值检查

(1)定子接地保护定值

零序电压定值10.00V；零序电压高定值25.00V；零序电压保护延时1.50s；并网前三次谐波比率定值2.30；并网后三次谐波比率定值2.30；三次谐波电压差定值0.50；三次谐波保护延时1.50s；定子接地跳闸控制字1B73。

(2)匝间保护定值

纵向零序电压定值3.00V；纵向零序电压高定值10.00V；

零序电压保护延时0.20S；跳闸控制字1B73。

5、发电机参数与***结构

额定功率670.00MW；额定功率因数0.90；额定电压20.00kV；额定电流21.49kA；

机端TV变比11.55kV/57.74V/33.33V；专用TV变比11.55kV/57.74V/33.33V；

机端TA变比30kA/5A；中性点TA变比30kA/5A；

中性点接地变压器电压变比20kV/220V/100V。

发电机中性点经接地变压器接地，接地变压器高压侧额定电压为20kV，低压侧有两组，220V绕组接负载电阻，100V绕组当作中性点零序TV(20kV/100V)。***接线见图1。

三、原因分析

引起事故的主要原因是发电机定子出线水路外接回水管道管径偏小造成的。事故的发展过程为：首先由于气堵致使C相并联绕组中的2C₂引线烧断，连接线烧断后，2C支路开路，此时C相负荷全部转移到1C分支，导致1C支路电流达额定电流的200％，根据国标对定子过电流限值的规定(I²-1)t＝37.5秒，在1W支路承受2倍额定电流的情况下，其允许时间根据上式其值为不大于12.5秒。由于整个过程持续时间比较长，大约6分钟，造成整个分支的绕组快速升温过热，使定子线棒绝缘严重受损，逐步发展为接地和匝间短路，导致发电机定子线棒汽侧端部严重受损、转子严重污染。

其实，6月28日的“三次谐波比率信号”已经预示到发电机定子绕组存在着绝缘的隐患，只是没有引起足够的重视罢了。

1、继电保护动作时序的分析

根据报文得到的动作时序见图2。

基波零序电压定子接地保护延时定值为1.5s，匝间保护延时定值为0.2s，从动作时序上看，基波零序电压定子接地保护延时还没有到1.5s时，匝间保护就启动并经过约0.2s后动作于跳闸。

2、定子接地保护的行为分析

(1)定子接地故障后保护启动

根据打印的报文，保护启动后1～2周波内的各电压有效值见下表。

发电机A相电压UFA1	60.71V	发电机端零序电压U0	21.81V
				发电机B相电压UFB1	66.84V	中性点零序电压UN	10.67V
发电机C相电压UFC1	44.54V	发电机纵向零序电压UZ	2.43V
				专用TVA相电压UFA2	57.70V	机端三次谐波电压UF3	5.36
专用TVB相电压UFB2	56.59V	中性点三次谐波电压UN3	0.45
				专用TV相电压UFC2	55.86V	三次谐波电压差值UFN3	1.95
发电机过激磁UF	0.98

零序电压低定值段，发电机中性点零序电压U_N＝10.67V>定值10.0V；发电机机端零序电压U₀＝21.81V>10.0V×1.732＝17.32V。满足基波零序电压定子接地保护启动条件。

零序电压未达到高定值段。

三次谐波电压保护，机端与中性点三次谐波电压的比率满足：

U_F3/U_N3＝5.36V/0.45V＝11.9>定值2.3。

三次谐波电压差值满足：U_FN3＝1.95V>定值0.5V。

上述基波零序电压以及三次谐波电压的计算结果表明，此时的定子已经发生了接地故障，由于启动后延时未到1.5s，定子接地保护未能出口跳闸。

(2)中性点电压保护本来可以提前动作

根据机端TV以及中性点接地变的变比参数，机端零序电压应当是中性点零序电压的1.732倍，机端零序电压U₀＝21.81V时，中性点零序电压UN应当为U_N＝U₀/1.732＝21.81V/1.732＝12.59V，而实际测量得到的电压仅为10.67V，明显偏低。

对于机端TV用于电压测量，可以认为电压变比是比较准确的。而中性点零序电压通过接地变压器的100V电压抽头得到，准确性是值得怀疑的。因为接地变压器电压变比是在变压器空载状况下设计的变比，当变压器外接负载电阻Rn时，不仅存在着数值的误差，还存在有角度差；而且由于存在短路阻抗，使得低压侧电压比空载情况下更低，实际的变比已不是20kV/100V了。

对于这次事故，如果20kV/100V的变比准确，那么当机端U₀>17.32V时，中性点U_N>10V，保护就可以启动。基波零序电压定子接地保护可以更早的启动，在转变为匝间故障之前就可以跳闸。

(3)接地故障位置的估算

由于C相电压明显降低，可知接地故障发生在C相。若故障是金属性接地故障，则健全相A相和B相的电压应该相等或接近。从数据上看，B相电压略大于A相电压，可知此接地故障不是金属性接地故障，存在一定的过渡电阻。由于不知道接地过渡电阻的具体数值，无法较为准确的计算接地位置。考虑到A相电压与B相电压相差不算很大，近似认为是金属性接地故障，则故障位置：

α≈U0/100V＝21.81V/100V＝21.8％

即C相绕组在距离中性点20％附近出现了接地故障。

3、匝间保护的行为分析

在定子接地故障初期，纵向零序电压U_Z＝2.43V<定值3V。后来，纵向零序电压明显增大，说明发电机的匝间故障进一步发展。

通过RCS-985软件读取匝间保护跳闸时刻的电流、电压值，为看清不同时段的波形，将三段波形分开，并标注了相对启动时刻的时间，见图3。

根据对应于跳闸时刻T＝1248ms的各个量：I_A＝4.663A，I_B＝1.884A，I_C＝3.670A，U₀＝24.928V，U_N＝3.479V，U_Z＝17.991V对匝间保护的参数计算如下。

(1)匝间保护高定值段动作

U_Z＝17.991V>电压高定值10V，匝间保护高定值段动作。

(2)匝间保护灵敏段动作

匝间保护灵敏段动作方程为 $\left\{\begin{array}{c}{U}_Z>\left(1+\frac{I_m}{I_e}\right)U_{Z_{SET}}\\ \begin{array}{cc}{I}_m=3I_2& I_{\max }<I_e\end{array}\\ \begin{array}{cc}{I}_m=\left(I_{\max }-I_e\right)+3I_2& I_{\max }\&GreaterEqual;I_e\end{array}\end{array}\right.$

其中，U_Z为匝间保护灵敏段动作电压；U_ZSET为匝间保护灵敏段整定电压；Im为匝间保测量电流；Imax为匝间保护测量电流最大值；

Ie为发电机二次电流额定值，Ie＝21.49kA/30kA×5A＝3.582A；

发电机A相电流最大，I_A＝4.663A,且I_A>Ie；

计算发电机的负序电流，从RCS-985软件寻找电流波形过零点对应的相对时标，以此计算三相电流的相位关系，结果见下表。

相别	过零区间时标	过零点时标	相对时差	相对角度
					A相电流	130.86～130.96ms	130.91ms	0	0deg
B相电流	138.13～138.24ms	138.20ms	7.29ms	131.2deg
					C相电流	142.03～142.14ms	142.09ms	11.18ms	201.2deg

发电机负序电流：

$I_2=\frac{1}{3}\left|I_A+e^{j240\mathrm{deg}}\&CenterDot;I_B\&CenterDot;e^{j131.2\mathrm{deg}}+e^{j120\mathrm{deg}}\&CenterDot;I_C\&CenterDot;e^{j201.2\mathrm{deg}}\right|=3.190A$

Im＝(4.663-3.582)+3×3.190＝10.651A

将数据代入上式： $\left(1+\frac{I_m}{I_e}\right)\&times;U_{ZSET}=\left(1+\frac{10.651}{3.582}\right)\&times;3.0V=11.92V$

U_Z＝17.991V>11.92V

可见，匝间保护灵敏段动作。

(3)跳闸后匝间故障持续的原因是机组尚未灭磁

从录波波形上看，发电机匝间故障后，保护跳闸正确出口，跳闸后发电机电流很快降到零，磁场断路器也已跳开，转子电压先降为零，后变为负值；但是由于转子时间常数较大，转子电流下降相对较慢，发电机电压衰减较慢，跳闸后的几个周波内的电压甚至看不出有明显的衰减，因此匝间故障会持续，并加重了发电机损伤的程度。

综上所述，#4发电机的故障为C相定子单相接地故障转化为较为严重的匝间故障，特征非常明显。将发电机解体检查后证实，励磁端C相并联分支中的2C₂环形引线位于188°和212.29°绝缘夹板之间的部分导线被烧断，与理论分析一致。

防范措施：

1、确保中性点二次电压采样值的正确性

采用一次施加电压法检测二次电压采样值的正确性，保证发电机出线侧发生接地故障时保护采集的中性点电压变比为针对中性点零序电压测量值偏低的问题，可采取三种措施：

(1)降低中性点接地变压器电压变比，将20kV/100V更改为此时机端零序电压与中性点零序电压之间就不存在1.732倍的关系；

(2)在发电机中性点另外安装20kV/100V的单相TV用作测量发电机中性点电压；

(3)适当调整定子接地基波零序电压定值。如此，当出现故障时，基波零序电压定子接地保护会更可靠的动作，不至于导致发电机发生匝间故障，降低发电机的损坏的程度。

2、缩短基波零序电压定子接地保护的动作时间

根据以往的实际故障分析得出的结论：主变高压侧零序电压对发电机侧零序电压的影响可以忽略，考虑到定子接地保护须要躲过暂态过程影响的因素，最后确定发电机定子接地保护动作时限无须与***接地保护相配合，只须将发电机基波零序电压定子接地保护的动作跳闸时间由1.5s改为0.2s。

3、重视定子接地保护及三次谐波保护的动作信号重视定子接地保护及三次谐波的信号，重视匝间保护，以及时发现定子短路故障，并及时处理，以免发电机定子短路故障的发生。因为发电机定子短路故障后，修复发电机定子绕组的工作量非常大，经济损失将更大，相比而言发电机保护误动一次造成的损失要小得多。

聊城发电厂主变高压侧发生单相接地故障，发电机侧端零序电压3U₀＝5V，持续时间3周波，可见主变高压侧发生单相接地故障零序电压对发电机侧零序电压的影响可以忽略。主变高压侧发生单相接地故障时录波图形见图4。该录波图是确定定子接地保护动作边界，压缩定子接地保护动作时间，提高灵敏度的重要依据之一。

Claims (1)

1.一种解决发电机定子接地保护滞后切除故障的方法，其特征是，至少包括以下措施：

(1)采用一次施加电压法检测二次电压采样值的正确性，保证发电机出线侧发生接地故障时保护采集的中性点电压变比为

(2)将基波零序电压定子接地保护设为两段：灵敏段动作于发信号；不灵敏段动作于跳闸；所述灵敏段，动作电压U_d1＝10V，t_d1＝9s发信号；不灵敏段，动作电压U_d2＝20V，t_d2＝0.2s跳闸；

(3)动作时限无须与***接地保护相配合，将发电机基波零序电压定子接地保护的动作跳闸时间由1.5s改为0.2s；

以上3项措施共同实施从而解决发电机定子接地保护滞后切除故障。