一起典型的發電機單相接地短路案例分析

王國仁，郝建成

（晉能控股山西電力股份有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

目前大容量發電機的中性點一般采用經單相變壓器高阻接地方式，這種接地方式下發電機單相接地故障電流一般被限制在15 A以下，但當發電機中性點由經單相變壓器高阻接地方式變為中性點直接接地方式后，接地電流將是發電機額定電流的數倍，如此大的電流將會給發電機及其附屬系統帶來相當大的危害[1]。本文通過介紹一起典型的發電機單相接地短路案例來說明發電機檢修管理的重要性，為大家提供借鑒。

1 發電機中性點接地的方式

一是中性點不接地。當發生單相接地故障時，其故障電流就是發電機三相對地電容電流，當此電流足夠小，單相接地故障處不產生電弧或者接地電弧瞬間熄滅，這個不產生電弧的最大接地電流被定義為發電機單相接地的安全電流，該電流并沒有燒毀鐵芯的危險。發電機中性點不接地方式，一般適用于小容量的發電機。

二是中性點經單相電壓互感器接地。實際上這也是一種中性點不接地方式，單相電壓互感器僅僅用來測量發電機中性點的基波和三次諧波電壓。對于單相接地電容電流小于安全電流的發電機可采用這種接地方式，這種接地方式能實現無死區的定子接地保護。

三是中性點經單相變壓器高阻接地。發電機中性點通過二次側接有電阻的接地變壓器接地，實際上就是經大電阻接地，變壓器的作用就是使低壓小電阻起高壓大電阻的作用，這樣可以簡化電阻器結構，降低造價。大電阻為故障點提供純阻性的電流，同時大電阻也起到了限制發生弧光接地時產生的過電壓的作用。為了定子鐵芯的安全，接地故障電流一般被限制在15 A以下，一般認為在此電流下持續5～10 min，定子鐵芯只受輕微損傷。

四是中性點經消弧線圈接地。在發生單相接地故障時，消弧線圈將在零序電壓作用下產生感性電流，從而對單相接地時的電容電流起補償作用(采用過補償方式，以避免串聯諧振過電壓)。這種方式也可以實現高靈敏度既無死區的定子接地保護。

五是中性點直接接地。在這種接地方式下，發生單相接地后的短路電流很大，需要立即跳開發電機滅磁開關和出口斷路器（或發變組出口斷路器）。

2 案例介紹

某發電廠2×600 MW機組，發變組單元接線，2臺主變壓器（以下簡稱“主變”）分別經“一個半”斷路器接線（3/2接線）與500 kV系統相連，系統接線與故障點情況如圖1所示。

圖1 系統接線與故障點示意圖

2.1 設備型號及參數

發電機為三相交流隱極式同步發電機，型號QFSN-600-2YHG，額定定子電壓20 kV，額定定子電流19 245 A，水氫氫冷卻方式；勵磁變壓器（以下簡稱“勵磁變”）型號為ZBDCR9-2000/20/ ，容量為2 300 kVA；接地變壓器型號為DDBC-60/20。

2.2 發電機中性點接地方式

發電機中性點經單相變壓器高阻接地，變壓器容量60 kVA，二次電阻0.3 Ω。

2.3 事故經過

1號600 MW汽輪發電機組帶270 MW負荷正常運行，聽到汽機房“嘭”的一聲巨響，負荷甩至0 MW，1號機發“勵磁系統故障”信號，發電機差動保護動作，主變差動保護動作，發電機解列，廠用電切換成功；2號發電機運行正常。

檢查發變組保護裝置記錄，故障發生16 ms主變差動速斷動作，隨后發電機比率差動、主變比率差動、主變工頻變化量差動相繼動作，發電機出口開關、發電機滅磁開關分別在52.6 ms和90.4 ms切除故障，經現場檢查故障點在勵磁變A相水平段管母第一組支持瓷瓶和發電機中性點C相套管，故障點在差動保護范圍內，保護動作行為正確；發電機接地零序電壓保護時限定值為2 s，動作時限沒有達到動作條件。

2.4 現場調查

現場檢查發現勵磁變A相母線水平段靠近90°角側的第一組16點方向支持瓷瓶被電弧損傷，勵磁母線外殼有電流放電痕跡，母線內部集落大量灰塵；發電機中性點C相套管磁裙被電弧炸裂，套管法蘭螺栓被燒熔。

故障錄波裝置顯示，發電機電壓顯示故障后t2時刻發電機A相電壓降低至1.279 kV，B、C相電壓略有升高，C相電壓升高至13.43 kV；發電機A、B、C相電流均增大，A相電流134 kA，B相電流30.493 kA，C相電流22.072 kA。發電機中性點電流在故障后半個周波內才有電流，持續約10 ms后消失。

2.5 故障分析

正常情況下由于發電機是非直接接地系統，發生單相接地后故障相電壓降低為零，中性點電壓不再為零，上升為相電壓，非故障相升高倍，接地后的電壓向量如圖2所示。一點接地后接地點流入的是整個系統的電容電流，接地電流一般被限制在15 A以下。

圖2 非直接接地系統單相接地后的電壓向量圖

分析故障錄波信息，可以確定故障初始階段電氣特征與非直接接地系統單相接地后的電氣特征相符，發電機中性點零序電流故障前中性點零序電流有0.3 A，故障后半個周波內電流才增大，說明了故障前發電機中性點是非直接接地系統，當d1點接地后過電壓瞬間將d2點絕緣擊穿，隨后故障擴大為發電機A相多點接地短路，d2點接地后中性點零序電流互感器CT（current transformer）有一部分分流被故障錄波裝置記錄了下來。

結合現場實際情況，分析為勵磁變A相母線水平段靠近90°角側的第一組16點方向支持瓷瓶存在絕緣缺陷，運行中對封母外殼放電形成d1接地點，弧光接地產生過電壓，導致發電機中性點導體對C相套管法蘭放電形成d2接地點，d1、d2接地點共同造成發電機A相兩點接地短路。d2點接地情況如圖3所示。

2.6 故障造成的危害

故障電流形成了短路電動力和弧光沖擊波，引起以下后果。

a）造成勵磁變A相及部分管母等設備損壞。短路電動力和弧光沖擊波在d1點（勵磁變A相）沿封母管道向外沖擊，造成勵磁變A相封母外殼90°角處燒熔，管母在角焊縫處燒熔，再向下沖擊使A相勵磁變軟連接撕裂，線圈接線鼻子掉下，管母熔鋁掉落到A相勵磁變上。

b）造成封母A相、中性點CT套管及中性點匯流母線等設備損壞。短路電動力和弧光沖擊波在d2點（中性點）沿中性點封閉外殼向中性點接地柜處沖擊，將發電機A相封母上的中性點引線外殼在直角彎處炸裂搭在發電機A相封母外殼上，中性點引線在母排處撅斷，此時，故障電流由勵磁變d1點通過發電機封母A 相外殼到中性點封閉外殼再到發電機中性點A相形成閉合回路，燒熔了中性點引線外殼和發電機封母A相外殼。

c）造成發電機中性點CT套管損壞。中性點導體對C相套管法蘭放電，放電電弧導致發電機中性點C相套管的絕緣迅速下降，一部分故障電流通過發電機中性點C相CT流回中性點到達A相。

3 發電機中性點直接接地系統發電機單相接地短路電流計算

3.1 基礎參數（已折算至SB=1 000 MVA）

系統阻抗標幺值XS＝0.023 5；主變阻抗標幺值X*T＝0.256 9；發電機阻抗標幺值：正序X*G1＝0.305 7，負序X*G2＝0.301 7，零序X0＝0.143 5。

3.2 短路電流計算

正、負、零序網絡情況如圖4所示。

圖4 正、負、零序網絡圖

正序阻抗X1∑=｛［(0.305 7+0.256 9)//0.023 5］+0.256 9｝//0.305 7=0.145 995

負序阻抗X2∑=｛［(0.301 7+0.256 9)//0.023 5］+0.256 9｝//0.301 7=0.145 075

零序阻抗X0∑=0.143 5

20 kV等級基準電流IB=28 867.51 A

發生A相單相接地短路時

流過發電機正序電流計算如下。

系統側正序阻抗：X1∑=［(0.305 7+0.256 9］//0.023 5)+0.256 9=0.279 458

發電機側正序阻抗：X*G1=0.305 7

流過發電機負序電流計算如下。

系統側負序阻抗：X2∑=［(0.301 7+0.256 9)//0.023 5］+0.256 9=0.279 451

發電機側負序阻抗：X*G2=0.301 7

流過發電機零序電流：I0=66 427.76A

發電機A相電流：IA=31 724.37+31 942.31+66 427.76=130 094.44 A

發電機B相電流：IB=a2I1+aI2+I0=34 354.74 A

發電機C相電流：IC=aI1+a2I2+I0=34 354.74 A

結論：計算電流與錄波器電流大概一致，說明發電機中性點由非有效接地系統變成了直接接地系統的推論正確。

4 原因分析

a）勵磁變A相水平段管母第一組支持瓷瓶存在絕緣缺陷，運行中瓷瓶對管母外殼放電形成d1接地點，是造成本次事故的直接原因。

b）管母外殼放電形成d1接地點，并產生弧光過電壓[2]，瞬間將中性點C相套管絕緣擊穿，形成d2接地點，d1、d2接地點共同造成發電機A相接地短路故障（如圖5所示），故障電流形成了巨大的短路電動力和弧光沖擊波，造成了設備損壞。發生中性點C相套管絕緣擊穿的原因是因為該套管在檢修中造成損傷或運行中留下污漬，造成該套管在過電壓情況下絕緣擊穿，中性點C相套管存在臟污或裂紋是造成本次事故擴大的主要原因。

圖5 故障點示意圖

c）勵磁變A相水平段管母第一組支持瓷瓶與勵磁變之間沒有用盤式絕緣子封堵，長期與空氣接觸集聚了大量粉塵，瓷瓶不干凈造成絕緣強度下降是本次事故的一個間接原因。

5 采取的措施

通過對這起典型的發電機單相接地短路案例的分析，總結了引起此次事故的3個原因，提出了以下幾方面的防范措施。

a）加強發電機檢修管理，檢修中對發電機支持瓷瓶的清掃、檢查應作為重點。機組在等級檢修中應在電氣瓷瓶的清掃過程中嚴格進行監護，避免損傷瓷瓶或留有污漬；檢修中對發電機封閉母線的支持瓷瓶逐個進行清掃、檢查，不能僅靠整體耐壓試驗來進行檢測。舉一反三，對發電機套管、盤式絕緣子、電壓互感器瓷瓶、主變瓷瓶、避雷器瓷瓶等均應進行認真細致的檢查并應設W/H點進行驗證。

b）加強電氣設備的絕緣監督，定期對電氣設備進行絕緣分析和絕緣監督檢查，依據《電力設備預防性試驗規程》認真開展電氣設備的交接和預防性試驗工作。

c）采取有效措施嚴防發電機中性點由非有效接地系統變成直接接地系統。根據設計規范對中性點引線加裝絕緣熱縮套，并采取對中性點外殼內壁刷絕緣漆等有效措施，確保發電機中性點接地電阻柜等設備運行可靠穩定。