新聞主題	發(fā)電機定子接地的方式和危害

摘要：發(fā)電機定子接地是指發(fā)電機定子繞組回路與定子繞組回路直接相連的一次系統發(fā)生的單相接地短路。定子接地按接地時(shí)間長(cháng)短可分為瞬時(shí)接地、斷續接地和永久接地；按接地范圍可分為內部接地和外部接地；按接地性質(zhì)可分為金屬性接地、電弧接地和電阻接地；按接地原因可分為真接地和假接地。當發(fā)生定子接地故障的情況下，電流會(huì )從相位流向地，導致電路故障，甚至可能對設備和人員造成危害。因此，發(fā)電機定子接地問(wèn)題需要及時(shí)處理。

 

一、發(fā)電機定子繞組單相接地的特點(diǎn)

 

      斯坦福一般都是使用低壓發(fā)電機，其中性點(diǎn)都是不接地或經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地的，因此，當發(fā)電機內部單相接地時(shí)，流經(jīng)接地點(diǎn)的電流仍為發(fā)電機所在電壓網(wǎng)絡(luò )（即與發(fā)電機有直接電聯(lián)系的各元件）對地電容電流之總和，而不同之處在于故障點(diǎn)的零序電壓將隨發(fā)電機內部接地點(diǎn)的位置而改變。

      如圖1、圖2：假設A相接地發(fā)生在定子繞組距中心點(diǎn)a處，a表示由中心點(diǎn)到故障點(diǎn)的繞組占全部繞組匝數的百分數，則故障點(diǎn)各相電勢為aEA、aEB、aEC；而各相對地電壓分別為：

U_AD=0

U_BD=aEB-aEA

U_CD=aEC-aEA

      因此，故障點(diǎn)的零序電壓為

U_d0（a）=（U_AD+U_BD+U_CD）=-aEA3

      上式表明，故障點(diǎn)的零序電壓等于故障相的電勢，再反一個(gè)方向，但是前面要乘一個(gè)a，說(shuō)明發(fā)電機定子繞組單相接地時(shí)，故障點(diǎn)的零序電壓將隨著(zhù)故障點(diǎn)位置的不同而改變。同樣我們也可以求出發(fā)電機的零序電容電流和網(wǎng)絡(luò )的零序電容電流分別為

&f=j3wC0 f U&

d0（a）=-j3wC0 faE&A j3wC0lU&

d 0（a）=-j3wC0laE&A

      則故障點(diǎn)總的接地電流即為

d（a）=-j3w（C0 f+C0l）aE&A

      當發(fā)電機內部單相接地時(shí)，實(shí)際上無(wú)法直接獲得故障點(diǎn)的零序電壓Ud0（a），而只能借助于機端的電壓互感器來(lái)進(jìn)行測量。機端各相的對地電壓分別為 

U_AD=（1-a）EA

U_BD=EB-aEA

U_CD=EC-aEA

      由此可求得機端的零序電壓為

U_d0=1/3U_AD+U_BD+U_CD=-aE A=U_d0（a）

      由于取得了零序電流和零序電壓，因此我們可以利用零序電流構成定子接地保護，也可以利用零序電壓構成定子接地保護。但是無(wú)論是零序電流和零序電壓的接地保護，對定子繞組都不能達到100%的保護范圍。這對于大容量的機組而言，由于振動(dòng)較大而產(chǎn)生的機械損傷或發(fā)生漏水等原因，都可能使靠近中性點(diǎn)附近的繞組發(fā)生接地故障。如果這種故障不能及時(shí)發(fā)現或消除，則一種可能是進(jìn)一步發(fā)展成匝間或相間短路；另一種可能是如果又在其它地點(diǎn)發(fā)生接地，則形成兩點(diǎn)接地短路。

      這兩種結果都會(huì )造成發(fā)電機的嚴重損壞，因此，對大型發(fā)電機組，特別是定子繞組用水內冷的機組，應裝設能反應100%定子繞組的接地保護，100%定子接地保護裝置一般由兩部分組成，即是利用三次諧波電壓和基波零序電壓配合工作。其中三次諧波電壓構成的接地保護可以反應發(fā)電機繞組中a＜50%范圍以?xún)鹊膯蜗嘟拥毓收?，且當故障點(diǎn)接近于中性點(diǎn)時(shí)，保護的靈敏性越高；而利用基波零序電壓構成的接地保護，則可以反應a＞15%以上范圍的單相接地故障，且當故障點(diǎn)越接近于發(fā)電機出線(xiàn)端時(shí)，保護的靈敏性越高。因此，利用三次諧波電壓比值和基波零序電壓的組合，構成了100%的定子接地保護。

 

圖1  發(fā)電機定子繞組接地故障電壓電流分布圖

圖2  發(fā)電機定子繞組接地故障電壓電流相量圖

 

 

二、定子接地的分類(lèi)和危害

 

 

      同步交流發(fā)電機接地裝置電路如圖3所示，一般地線(xiàn)連接方法如圖4所示。

1、定子接地的分類(lèi)

（1）定子接地按接地時(shí)間長(cháng)短可分為瞬時(shí)接地、斷續接地和永久接地;

（2）按接地范圍可分為內部接地和外部接地;按接地性質(zhì)可分為金屬性接地、電弧接地和電阻接地;

（3）按接地原因可分為真接地和假接地。

2、中性點(diǎn)的接地方式

      發(fā)電機中性點(diǎn)的接地方式與定子單相接地故障電流的大小、定子繞組的過(guò)電壓、定子接地保護的實(shí)現等因素有關(guān)，盡管接地方式不同，但均要求單相接地電流盡量小些，動(dòng)態(tài)過(guò)電壓倍數低些和易于實(shí)現高靈敏度的定子接地保護。我國目前應用的發(fā)電機中性點(diǎn)接地方式主要有以下幾點(diǎn)。

（1）中性點(diǎn)經(jīng)單相電壓互感器（TVo）接地

      這種方事其實(shí)是利用了中性點(diǎn)不接地，而發(fā)電機中心點(diǎn)只是利用單相電壓互感器來(lái)測量基波電壓以及三次諧波電壓。采用這種接地方式需要使發(fā)電機的單相接地電容電流小于安全電流，想要保護無(wú)死區的定子接地也是可以的，但是需要注意不要使用互感器鐵芯的工作磁密太高的單相電壓，一般情況下起一次的額定電壓即可為發(fā)電機的額定電壓。

（2）中性點(diǎn)經(jīng)配電變壓器高阻接地

      這種方案是靠調整中性點(diǎn)接地變壓器二次側的電阻來(lái)限制接地故障時(shí)的有功電流。采用這種接地方式的目的，主要是為了降低機端金屬性接地時(shí)，健全相發(fā)電機定子繞組過(guò)電壓，減小發(fā)生諧振的可能性。

（3）中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地（欠補償方式)

      發(fā)電機中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地后，可使接地故障電流減小到安全電流以下（300 MW及上以發(fā)電機一般都欠補償到1 A以下），從而有效地防止了接地故障發(fā)展成相間或匝間短路。

3、定子接地的危害

     發(fā)電機的中性點(diǎn)是絕緣的，如果一相接地，表面看構不成回路，但是由于帶電體與處于地電位的鐵芯間有電容存在，發(fā)生一相接地，接地點(diǎn)就會(huì )有電容電流流過(guò)。單相接地電流的大小，與接地繞組的份額成正比。當機端發(fā)生金屬性接地，接地電流最大，而接地點(diǎn)越靠近中性點(diǎn)，接地電流越小，故障點(diǎn)有電流流過(guò)，就可能產(chǎn)生電弧，當接地電流大于5A時(shí)，就會(huì )有燒壞鐵芯的危險。

（1）輸出功率下降：因為接地會(huì )導致電路中短路現象，電流流失，功率自然而然下降。

（2）發(fā)電機振動(dòng)大：由于過(guò)電流引起的機械振動(dòng)和勵磁系統的短路，也會(huì )導致振動(dòng)大的現象。

（3）設備損壞：接地電流會(huì )引起設備局部過(guò)熱燒毀，引起設備故障。

 

圖3  發(fā)電機定子接地保護裝置電路圖

圖4  發(fā)電機定子地線(xiàn)連接示意圖

 

三、定子接地的現象判斷和處理

 

1、發(fā)電機定子接地的原因

      發(fā)電機定子接地是指發(fā)電機定子繞組中出現與接地的情況。造成發(fā)電機定子接地的原因有以下幾種：

（1）絕緣擊穿或老化：定子線(xiàn)圈繞制在鐵芯上，絕緣層起到隔離的作用。如果絕緣層破損或老化，會(huì )導致電流從繞組中直接流向鐵芯，并與接地發(fā)生聯(lián)系。

（2）機械損傷：在運行中，發(fā)電機中的零部件可能會(huì )發(fā)生故障或機械損傷，如定子鐵芯變形、線(xiàn)圈短路等，導致接地。

（3）安裝誤差：發(fā)電機的安裝過(guò)程中，安裝不到位或安裝過(guò)程中發(fā)生誤操作，可能會(huì )導致定子繞組的接地現象。

（4）過(guò)電壓。在電網(wǎng)過(guò)電壓的情況下，定子繞組會(huì )產(chǎn)生過(guò)電壓，在長(cháng)時(shí)間的過(guò)電壓作用下會(huì )出現繞組接地。

（5）繞組短路：發(fā)電機定子繞組中的兩個(gè)相位之間發(fā)生短路，也會(huì )導致接地故障。

（6）接線(xiàn)錯誤：發(fā)電機定子繞組的接線(xiàn)錯誤也會(huì )導致接地故障。

2、故障判斷方法

（1）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3U0=3ⅹ100/3=100V。

（2）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。

（3）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。

3、發(fā)電機定子接地的處理

（1）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。

（2）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)用電倒為備用電源供電，觀(guān)察接地是否消失。如果接地無(wú)法消除，對于200MW以上的機組，應在30min內停機。如果查明接地點(diǎn)在發(fā)電機內部（在窺視孔能見(jiàn)到放電火花或電?。?，應立即減負荷停機，并向上級調度匯報。如果現場(chǎng)檢查不能發(fā)現明顯故障，但“定子接地”報警又不消失，應視為發(fā)電機內部接地，30min內必須停機檢查處理。

（3）若判明為假接地，應檢查并判明發(fā)電機電壓互感器熔斷器熔斷的相別，視具體情況帶電或停機更換熔斷器。

 

總結：

      發(fā)電機定子接地故障是發(fā)電機的常見(jiàn)故障之一，由于大型發(fā)電機在電力系統中占有重要地位，其鐵芯工作磁密很高、材料利用率高、造價(jià)昂貴、結構復雜、損壞后修復工作困難?；诖?，文章結合具體案例，分析了定子接地的原因，并提出了故障處理及預防措施?？傊?，發(fā)電機定子接地是一種常見(jiàn)的電機故障，需要引起足夠的重視。在發(fā)電機的檢測、維護和管理方面，應采取一系列措施，盡可能減少發(fā)電機定子接地的發(fā)生，保持發(fā)電機的長(cháng)期穩定運行。

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