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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(diǎn)接地的故障以及處理
1、定子接地的故障及判斷
發(fā)電機發(fā)出"定子接地"報警后，應判明接地相別和真、假接地。當定子一相為金屬性接地時(shí)，通過(guò)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(xiàn)電壓，各線(xiàn)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(kāi)口三角繞組的兩端，因此，正常運行時(shí)"定子接地"電壓表的指示為零(開(kāi)口三角形接線(xiàn)的三相繞組相電壓相量和為零)，當定子繞組出現一相接地時(shí)，因開(kāi)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"電壓表的指示應為100/3=100V。如果一點(diǎn)接地發(fā)生在定子繞組的內部或發(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，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(xiàn)電壓，"定子接地"指示小于100V。當發(fā)電機電壓互感器高壓側一相或兩相熔斷器熔斷時(shí)，其二次側開(kāi)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(xiàn)電壓(線(xiàn)電壓不平衡)，各相對地電壓Uu0Uw0接近相電壓，Uu0明顯降低(相對地無(wú)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)。 真假接地的根本區別：真接地時(shí)，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(guò)線(xiàn)電壓)，而線(xiàn)電壓仍平衡。假接地時(shí)，相對地電壓不會(huì )升高，線(xiàn)電壓也不平衡。
2、發(fā)電機定子接地的處理
規程規定：容量在150MW及以下的發(fā)電機，當接地電容電流小于5A時(shí)，在未清除故障前允許發(fā)電機在電網(wǎng)一點(diǎn)接地的情況下短時(shí)運行，但最多不超過(guò)2h;單元接線(xiàn)的發(fā)電機變壓器組尋找接地的時(shí)間不得超過(guò)30min。對于容量或接地電容電流大于上述規定的發(fā)電機，當定子電壓回路單相接地時(shí)，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 )引起損壞區域的擴大，使有效鐵心"著(zhù)火"，由單相短路發(fā)展為相間短路。當接到"定子接地"報警后，應判明真、假接地。若判明為真接地，應檢查發(fā)電機本體及所連接的一次回路，如接地點(diǎn)在發(fā)電機外部，應設法消除。如將廠(chǎng)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(guò)線(xiàn)電壓)，而線(xiàn)電壓仍平衡。假接地時(shí)，相對地電壓不會(huì )升高，線(xiàn)電壓也不平衡。
二、同步發(fā)電機定子單相接地故障暫態(tài)仿真及保護方案
定子繞組單相接地故障是發(fā)電機最常見(jiàn)的一種故障，而且往往是更為嚴重的繞組內部短路故障發(fā)生的先兆，定子繞組單相接地保護的可靠與靈敏動(dòng)作可以大大降低內部短路故障的發(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成的定子接地保護的原理，這種保護的方法簡(jiǎn)單可靠，但是由于整定值較高，因此，當中性點(diǎn)附近發(fā)生接地時(shí)，保護裝置不能動(dòng)作，因而在中性點(diǎn)附近會(huì )出現死區。為了彌補在中性點(diǎn)附近存在的死區，實(shí)現100%定子接地保護，我們提出了基于穩態(tài)的三次諧波電壓的保護，但是傳統的三次諧波電壓保護在運行中容易誤動(dòng)，并且隨著(zhù)定子繞組對地電容的增加，靈敏度降低，很難滿(mǎn)足目前對保護靈敏度不斷提高的要求。目前，基于穩態(tài)量的基波零序電壓與三次諧波電壓保護組合實(shí)現100%定子繞組接地保護得到廣泛的應用。但是，當接地故障的過(guò)渡電阻較大時(shí)，故障前后的穩態(tài)量變化很小，但故障后仍存在故障暫態(tài)過(guò)程，根據發(fā)電機發(fā)生定子單相接地故障后機端和中性點(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)電機定子單相接地保護方案;第一種形式將基波零序電壓與三次諧波電壓分開(kāi)處理;第二種形式無(wú)需將兩者分開(kāi)，直接把機端和中性點(diǎn)兩側零序電壓故障暫態(tài)分量的和與差作為保護動(dòng)作信號與制動(dòng)信號，通過(guò)比較相應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(chǎng)、大機組、高電壓輸電、高度自動(dòng)控制的新時(shí)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)的穩定性。同時(shí)，現代大型發(fā)電機結構復雜、造價(jià)昂貴，一旦發(fā)生故障遭受損壞，停機檢修需要較長(cháng)時(shí)間，將造成巨大的直接和間接經(jīng)濟損失。這些都對發(fā)電機的安全保障-繼電保護系統在可靠性、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，定子繞組內部故障對發(fā)電機的破壞最為嚴重。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(jiàn)的一種故障，而且往往是更為嚴重的內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的可靠與靈敏動(dòng)作可以大大降低更為嚴重的內部短路故障發(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)濟損失減少。因此，定子繞組單相接地保護對預防嚴重的內部短路故障具有重要意義。
2、國內外關(guān)于單相接地故障保護方案研究的發(fā)展現狀
目前廣泛應用的較為成熟的傳統的發(fā)電機定子單相接地保護方案有以下兩種。第一種是雙頻式定子單相接地保護，是對基波零序電壓型保護方案和三次諧波電壓型保護方案的統稱(chēng)。其中基波零序電壓型保護方案是在發(fā)生單相接地時(shí)，通過(guò)檢測機端或中性點(diǎn)處零序電壓來(lái)判別接地故障，簡(jiǎn)便易行。但由于發(fā)電機三相繞組對地電容不完全對稱(chēng)，正常時(shí)中性點(diǎn)存在位移電壓，該方案在中性點(diǎn)附近存在保護死區，并且保護區內經(jīng)過(guò)渡電阻接地時(shí)靈敏度不高，高壓側系統或高壓廠(chǎng)用變低壓系統發(fā)生單相接地故障可能引起保護誤動(dòng)。三次諧波電壓型定子接地保護是利用單相接地故障前后發(fā)電機中性點(diǎn)與機端處三次諧波電壓變化特點(diǎn)不同構成的。正常運行時(shí)，中性點(diǎn)三次諧波電壓比機端三次諧波電壓大;而在中性點(diǎn)附近發(fā)生接地故障時(shí)，機端三次諧波電壓增大，中性點(diǎn)三次諧波電壓降低�；诜�態(tài)量的三次諧波電壓型保護主要是為了消除基波零序電壓型接地保護在中性點(diǎn)附近的保護死區。二者相配合就構成了100%雙頻式定子接地保護。
僅利用機端或中性點(diǎn)單側三次諧波電壓構成的保護靈敏度較低，且保護范圍較小，受運行工況影響很大。由機端和中性點(diǎn)雙側三次諧波電壓構成的判據，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，。但由于利用的是穩態(tài)量，所以當接地過(guò)渡電阻較大、故障位置在發(fā)電機繞組中部附近時(shí)，機端和中性點(diǎn)三次諧波電壓變化量很小，保護的靈敏度較低。
第二種外加電源注入式定子接地保護這類(lèi)保護是根據發(fā)電機正常運行時(shí)整個(gè)三相定子回路對地是絕緣的，而發(fā)生單相接地故障時(shí)這種對地絕緣就被破壞，這是最直接區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(gè)信號電源。正常運行時(shí)，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(shí)，該電源產(chǎn)生相應頻率的較大接地電流，使保護動(dòng)作。因為信號是外加的，不受接地位置的限制，能完成100%定子接地保護的目的。該類(lèi)保護在發(fā)電機靜止、啟停和運行過(guò)程中均有保護作用，靈敏度高并有可以進(jìn)行絕緣監測的突出優(yōu)點(diǎn)，有廣泛的應用前景。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，現場(chǎng)調試也比較復雜。
三、定子單相接地保護的展望
近年來(lái)，新技術(shù)不斷在電力系統中應用也為繼電保護的發(fā)展奠定了堅實(shí)的物質(zhì)基礎光學(xué)電流、電壓互感器的開(kāi)發(fā)和應用，高性能數字信號處理器(DSP)等新器件都會(huì )對發(fā)電機保護的性能產(chǎn)生深刻的影響。而且一些學(xué)者把自適應理論、模糊集理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )和專(zhuān)家系統等智能理論和技術(shù)應用到繼電保護中，大大豐富了繼電保護理論，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，由三次諧波構成的保護運行不太穩定。傳統的基波零序和外加電源型保護方案基本上是基于穩態(tài)量的，已比較成熟，而且其靈敏度的提高是有限的。所以當前應著(zhù)重致力于新型基于暫態(tài)量保護的研究。
如上所述，我國在發(fā)電機定子單相接地暫態(tài)保護方面應用自適應和故障分量原理取得了一些進(jìn)展。但這些保護方案，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律較強，一些新開(kāi)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(diǎn)及其保護方案進(jìn)行研究。
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