楊代勇,楊 明,趙春明,李 漫,張敬武

(1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學研究院,長春 130021;2.大唐長春第二熱電有限責任公司,長春 130031;3.大唐長春第三熱電廠,長春 130103)

近年來吉林省發(fā)生的幾起發(fā)電機定子接地保護動作故障,綜合分析其主要原因有兩個:一是發(fā)電機定子繞組絕緣故障造成發(fā)電機某相定子繞組接地;二是發(fā)電機出口電壓互感器(TV)故障導致機端三相對地電壓不平衡,發(fā)電機定子接地保護動作。國內(nèi)對發(fā)電機定子繞組絕緣故障導致的三相對地電壓不平衡研究較多,因此,本文重點對發(fā)電機出口電壓互感器故障導致的三相對地電壓不平衡進行矢量分析和定量分析。

1 發(fā)電機接線方式

吉林省某電廠3號發(fā)電機接線方式如圖1所示。圖1中 TV1做發(fā)電機定子接地保護和故障錄波用,TV2做發(fā)電機勵磁測量表計和定子匝間短路保護,TV3做發(fā)電機勵磁電度表用,中性點 TVN做發(fā)電機定子接地保護用。發(fā)電機采用基波零序電壓定子接地保護方式。TV1的開口三角零序電壓3UO和中性點的零序電壓UO同時大于整定值時定子接地保護動作,即定子接地保護邏輯為 3UO和UO與的關(guān)系。

2 故障原因分析

圖1 3號發(fā)電機的接線圖

2.1 定子接地保護動作

吉林省某電廠 3號發(fā)電機型號為QFSN-200-2,定子額定電壓為 15.75 kV,定子額定電流為8 625 A。2012年 3月 11日 23:34:52 3號機發(fā)變組保護動作切機,故障時3號發(fā)電機負荷為90 MW,定子 U、V、W三相電流為:3 420 A、3 428 A、3 465 A,轉(zhuǎn)子電壓 192 V,轉(zhuǎn)子電流 937 A。

3號機發(fā)變組保護 A、B屏來“定子零序電壓”、“外部重動 1跳閘”報警信號,保護裝置及故障錄波器動作。發(fā)變組保護A、B屏發(fā)電機電壓波形幅值:U相UFU1為 49.48 V,V相UFV1為 70.02 V,W相UFW1為 59.55 V,發(fā)電機出口零序電壓UN為20.93 V,中性點零序電壓為 12.11 V,定子基波零序電壓保護定值為 12 V、2 s,達到保護動作值,保護作用于全停(23:34:54)。

2.2 故障原因分析

對 3號發(fā)電機一次、二次回路進行檢查,發(fā)電機出口電壓互感器二次回路絕緣電阻合格、接線正確,定子接地保護邏輯正確。發(fā)電機定子繞組絕緣電阻測量和直流耐壓試驗未發(fā)現(xiàn)異常;封閉母線絕緣試驗未發(fā)現(xiàn)異常;主變低壓側(cè)、高廠變高壓側(cè)、勵磁變、避雷器絕緣電阻測量和耐壓試驗結(jié)果合格。對發(fā)電機出口及中性點共 10臺電壓互感器(TV1、TV2、TV3、TVN)進行了相差比差和感應耐壓試驗,發(fā)現(xiàn)發(fā)電機出口 W相電壓互感器(TV1)相差比差和感應耐壓不合格。因此可以確定故障原因為發(fā)電機出口W相電壓互感器(TV1)發(fā)生匝間短路,導致發(fā)電機 U、V、W三相對地電壓不平衡,定子零序電壓接地保護動作。

3 3號機組三相電壓變化分析

3.1 故障分析條件假設

故障分析條件假設:

a.發(fā)電機內(nèi)阻抗忽略;

b.發(fā)電機出口及中性點對地電容忽略;

c.發(fā)電機出口W相電壓互感器(TV1)出現(xiàn)匝間短路故障,且系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)。

3.2 三相電壓不平衡分析

等效電路圖如圖2所示。發(fā)電機機端正常運行相電壓互感器阻抗為Z,故障相電壓互感器阻抗為,中性點電壓互感器阻抗為ZN。

設電流參考方向與相應電壓或電動勢方向相同,由節(jié)點電流平衡原理可得:

由式(2)化簡可得:

3.3 3號發(fā)電機三相不平衡電壓分析

圖2 故障分析等效電路圖

圖3 中性點電壓矢量圖

3號發(fā)電機出口三相和中性點電壓互感器型號相同,額定電壓比為發(fā)電機出口電壓互感器變比為 15.75/中性點電壓互感器變比為 15.75/

發(fā)電機出口電壓互感器保護動作時,U相UFU1為 49.48 V,V相 UFV1為 70.02 V,W相 UFW1為59.55 V。由于故障錄波測量各相電壓取自 TV1,故障電壓互感器為 TV1的 W相,因此 W相所測59.55 V非準確值。

由公式(3)、圖3可知:

由圖3示矢量圖計算得到 W相電壓值UF W1為55.45 V(二次值)。

中性點電壓計算值為:

對于中性點電壓而言,其計算值(7.30 V)小于實際值(12.11 V),造成這種情況的原因為由于故障時發(fā)電機的定子電壓中存在三次諧波分量,其對中性點電壓有貢獻。

3.4 三相電壓不平衡定量分析

中性點偏移造成三相對地電壓不對稱,在已知中性點電壓UNN′的大小及其與W相電壓UW所成角度(j)的情況下,根據(jù)余弦定理可以計算得出另外兩相電壓的模值:

j的大小(0～180°)定性決定著三相電壓模的大小關(guān)系,分析如下:

a.當 0°≤j＜ 60°,|UW|≤|UU|＜|UV|

b.當 60°≤j＜ 120°,|UU|≤|UW|＜|UV|

c. 當 120°≤j＜ 180°,|UU|≤|UW|＜|UV|

由圖3可知,3號機定子接地保護動作造成中性點電壓偏移角度屬于上述分析的第2種情況:

j=76°,|UU|≤|UW|＜|UV|

4 結(jié)論

發(fā)電機出口任一相電壓互感器發(fā)生故障時,都將導致 U、V、W三相對地電壓不平衡,在發(fā)電機機端電壓互感器二次的開口三角繞組與發(fā)電機中性點電壓互感器二次產(chǎn)生基波零序電壓,基波零序電壓的大小受故障程度的影響,兩者同時達到整定值時,定子接地保護動作。

中性點對地電壓的幅值和滯后故障相發(fā)電機電動勢的角度有著定量關(guān)系,因此可以根據(jù)故障錄波中的中性點對地電壓波形與發(fā)電機U、V、W三相定子電動勢波形來確定造成的定子接地保護動作的電壓互感器故障相,即通過發(fā)電機中性點對地電壓的波形滯后于某相電動勢波形來確定故障相。

[1]王維儉.電氣主設備繼電保護原理與應用[Z].北京:中國電力出版社,2001.