一起发电机注入式定子接地保护动作原因分析

0引言

注入式定子接地保护原理为:通过接地变压器二次负载电阻或机端电压互感器(TV)的开口三角绕组注入20Hz低频交流信号,采集注入的20Hz电压信号和20 Hz电流信号,进行数字化处理后计算出定子对地测量电阻,监视定子绕组的对地绝缘状况,达到整定值即启动跳闸或发信报警,对于发电机的对称故障能起到较好的保护作用。现阶段针对定子接地保护动作的案例研究大都为定子真实接地引起零序过电压的情况[1—4],而对注入式定子接地保护装置误动却鲜有论述。本文针对某厂发生的一起发电机注入式定子接地保护误动事件,依次从注入式定子接地工作原理、保护误动的过程及现象、故障分析和结果验证进行了分析,并且为防止同类型故障再次发生,提出了相应防范措施及合理化建议。

1 基本原理

目前常见的发电机定子接地保护的基本原理有基波零序和3次谐波构成的100%定子接地保护、外加电源式定子接地保护等[5]。近年来,注入式定子接地保护得到了广泛运用,我国越来越多的大型水轮发电机采用了中性点经配电变压器接地的接地方式[6]。注入式定子接地保护等效电路如图1所示,图

中U●s为20 Hz注入电源,Rs为注入电源内阻,R₂+jX₂为接地变压器漏抗,R_m+jX_m为接地变压器激磁阻抗,R_n为接地变压器二次负载电阻,R_cp+jX_xp为机端并联阻抗,3C_Σ为发电机定子对地等效电容,R_g为接地电阻,S_g为发电机中性点隔离刀闸,U●₂₀'、l●₂₀'为装置测得的

20Hz电压、电流,U●20 、I●20为补偿后的20Hz电压、电流,图中所有量都归算到保护装置测量二次侧。

分析原理图并采用计算导纳的方法得到接地电阻计算公式,见式(1)(2),接地电阻R_g可由U●₂₀'、l●₂₀'、漏抗R₂+jX₂和并联电阻计算得到。

式中:K_R为电阻折算系数;R_e表示取复数实部;R_cp为机端并联阻抗电阻部分;R_m为接地变压器激磁阻抗电阻部分。

注入电源输出20Hz电压,加在发电机中性点接地变压器低压侧的负载电阻上,通过接地变压器,将20 Hz信号注入到发电机定子侧对地的零序回路 中。保护装置测量注入的20 Hz电压、电流,然后基于导纳法计算接地过渡电阻R_g,反映定子侧单相接地故障。

某厂配有注入式发电机定子接地保护,其回路接线图如图2所示。接地变压器的变比为20 kv/0.22 kv,分压电阻Rn为0.18 Ω,穿芯CT变比为800 A/5 A。接地电阻判据反映发电机定子绕组接地电阻的大小,设有两段接地电阻定值,高定值(10 kΩ)段作用于报警,低定值(5 kΩ)段作用于延时(0.5 s)跳闸。

2保护误动过程及现象

某日07:08:51.698,某电厂1号机组发电机保护I屏注入式定子接地保护动作跳闸,机组解列停机。查看保护装置动作报文。

查看某日07:08:51.698时刻定子接地保护跳闸波形,如图3所示,启动时刻保护计算接地电阻值4.9kΩ,小于跳闸值5 kΩ,且满足延时定值0.5s,保护相应发报警和跳闸信号,保护动作行为正确。经过软件计算,第一次“定子接地电阻判据”动作时机端和中性点三次谐波之比为44.57%。

从报警和跳闸波形可知,保护装置A、B、C三相电压和基波电压没有明显变化,三次谐波比率值较7、8月手抄数据也没有明显变化,最大比值在40%左右,不满足另外一套保护装置(基波+三次谐波)三次谐波电压比1.2倍的动作定值,因此另外一套保护装置(基波+三次谐波)保护未动作。

3 事故分析

对发电机及其连接附属设备等电气一次系统设备开展绝缘测试和耐压试验,绝缘电阻合格,耐压试验通过,未发现接地故障。由中性点和机端零序电压的变化情况也可知,发电机的中性点到机端并未出现定子接地的情况,由此初步判断一次设备没有发生单相接地故障,实际中定子对地阻值受到接地变压器的参数、20 Hz电流/电压通道测量误差、20 Hz注入电源的输出误差和发电机中性点的不平衡电压中的高次谐波等多重因素影响[7]。对注入式定子接地保护二次回路进行排查,并未发现“虚接”和“短接”的现象。因本次动作波形相较于实际定子接地有较大不同,因此在接地变及隔离变处开展各种故障测试,在正常运行情况下,系统产生容性电流,当发电机定子处发生单相接地故障或绝缘老化时,注入电流流过故障点,产生部分电阻性电流[8],因此在模拟故障时同时记录所测阻值的角度。测试结果如表1~7所示。

经过与表1~7的数据对比,判断电阻下降的原因为20 Hz电压采样回路阻值发生改变,因分压造成装置采样电压下降,与波形分析及模拟计算一致。

继续对20 Hz采样回路进行检查,检查注入式定子接地保护电源输入、电压采样、电流采样回路,未发现电缆破损、接线端子损坏、多点接地、寄生回路情况。

检查发现20 Hz采样回路中,接地变负载电阻箱及抽头引线如图4所示。接地变负载电阻箱中间抽头的铁质引线存在锈蚀,采样二次电缆压接在铁质引线上,因锈蚀原因造成接触电阻增加,采样电压降低。同时对比试验模拟数据,因20 Hz采样电压降低,采样电流不变,造成计算值电阻降低达报警和动作定值,与表3中电压回采回路UNLN串入电阻时采样电压及电流变化情况相一致,与故障时录波数据变化趋势相同,初步判断保护误动原因为20 Hz采样回路存在回路电阻变化造成采样失真。

对中性点接地负载电阻进行直流电阻测试为0.188 Ω,查看中性点接地电阻铭牌,其直流电阻设计值为0.168 Ω,阻值变化较大,与其引线锈蚀相符,确定本次保护误动作的原因为接地变负载电阻箱中间抽头的铁质引线存在锈蚀。

4结论与建议

综上分析,本次某厂注入式定子接地保护动作的直接原因是该注入式定子接地保护采样发生变化,逻辑依据采样值变化经计算判断为系统接地电阻发生变化,造成计算值与实际值不一致,保护装置误动。具体原因为接地变负载电阻箱铁质引线存在锈蚀,造成20 Hz电压采样回路接触电阻增加,采样失真,造成计算电阻与实际不符,注入式定子接地保护误动作。

为防止同类型故障再次发生,提出如下建议:

1)接地变负载电阻箱铁质引线存在锈蚀时及时进行打磨和更换,确保其接触电阻满足要求。

2)临时修改发电机注入式定子接地保护低定值段保护出口方式,将“跳闸”改为“报警”,待机组运行稳定后再投“跳闸”。

3)加强机组启机前及运行中发电机注入式定子接地保护中保护参数的巡查及统计,重点关注定子对地电阻、20 Hz采样电压/电流及阻抗相角的变化与趋势。

[参考文献]

[1]庞宏强,史振利,郭小勤.一起定子接地故障过程及原因分析[J].电工技术,2024(3):195-197.

[2]苏桐.一起大型发电机定子接地保护动作探研[J].工业控制计算机,2024,37(2):163-164.

[3]戚彦玉,芦玉柱,马伟.一起发电机定子接地保护动作原因分析及整改[J].冶金动力,2020(7):5-6.

[4] 唐军武.一起300MW发电机定子接地保护动作及故障分析处理[J].电站系统工程,2010,26(1):26-27.

[5]胡永亭,靳冰晔.晒谷坪水电站水力机械增容改造初步设计[J].水电与新能源,2016(12):13-17.

[6]周靖,傅剑文,郑梦阳,等.注入式定子接地保护接地变压器参数设计方法及应用 [J].水电与抽水蓄能,2022,8(1):94-98.

[7]徐智.大型水轮发电机注入式定子接地保护数据波动浅析[J].自动化应用,2017(8):142-144.

[8] 高正中,肖佳宜,王文文,等.660MW发电机注入式定子接地保护试验分析[J].电气技术,2016(11):111-114.

2025年第2期第2篇