新聞主題	發(fā)電機(jī)定子接地的方式和危害

摘要：發(fā)電機(jī)定子接地是指發(fā)電機(jī)定子繞組回路與定子繞組回路直接相連的一次系統(tǒng)發(fā)生的單相接地短路。定子接地按接地時(shí)間長短可分為瞬時(shí)接地、斷續(xù)接地和永久接地；按接地范圍可分為內(nèi)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(dāng)發(fā)生定子接地故障的情況下，電流會(huì)從相位流向地，導(dǎo)致電路故障，甚至可能對(duì)設(shè)備和人員造成危害。因此，發(fā)電機(jī)定子接地問題需要及時(shí)處理。

 

一、發(fā)電機(jī)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(jī)，其中性點(diǎn)都是不接地或經(jīng)消弧線圈接地的，因此，當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部單相接地時(shí)，流經(jīng)接地點(diǎn)的電流仍為發(fā)電機(jī)所在電壓網(wǎng)絡(luò)（即與發(fā)電機(jī)有直接電聯(lián)系的各元件）對(duì)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(jī)內(nèi)部接地點(diǎn)的位置而改變。

      如圖1、圖2：假設(shè)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(shù)的百分?jǐn)?shù)，則故障點(diǎn)各相電勢為aEA、aEB、aEC；而各相對(duì)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，說明發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地時(shí)，故障點(diǎn)的零序電壓將隨著故障點(diǎn)位置的不同而改變。同樣我們也可以求出發(fā)電機(jī)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(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部單相接地時(shí)，實(shí)際上無法直接獲得故障點(diǎn)的零序電壓Ud0（a），而只能借助于機(jī)端的電壓互感器來進(jìn)行測量。機(jī)端各相的對(duì)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(jī)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(gòu)成定子接地保護(hù)，也可以利用零序電壓構(gòu)成定子接地保護(hù)。但是無論是零序電流和零序電壓的接地保護(hù)，對(duì)定子繞組都不能達(dá)到100%的保護(hù)范圍。這對(duì)于大容量的機(jī)組而言，由于振動(dòng)較大而產(chǎn)生的機(jī)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(xiàn)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(jié)果都會(huì)造成發(fā)電機(jī)的嚴(yán)重?fù)p壞，因此，對(duì)大型發(fā)電機(jī)組，特別是定子繞組用水內(nèi)冷的機(jī)組，應(yīng)裝設(shè)能反應(yīng)100%定子繞組的接地保護(hù)，100%定子接地保護(hù)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(gòu)成的接地保護(hù)可以反應(yīng)發(fā)電機(jī)繞組中a＜50%范圍以內(nèi)的單相接地故障，且當(dāng)故障點(diǎn)接近于中性點(diǎn)時(shí)，保護(hù)的靈敏性越高；而利用基波零序電壓構(gòu)成的接地保護(hù)，則可以反應(yīng)a＞15%以上范圍的單相接地故障，且當(dāng)故障點(diǎn)越接近于發(fā)電機(jī)出線端時(shí)，保護(hù)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(gòu)成了100%的定子接地保護(hù)。

 

圖1  發(fā)電機(jī)定子繞組接地故障電壓電流分布圖

圖2  發(fā)電機(jī)定子繞組接地故障電壓電流相量圖

 

 

二、定子接地的分類和危害

 

 

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

1、定子接地的分類

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

（2）按接地范圍可分為內(nèi)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(jī)中性點(diǎn)的接地方式與定子單相接地故障電流的大小、定子繞組的過電壓、定子接地保護(hù)的實(shí)現(xiàn)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)過電壓倍數(shù)低些和易于實(shí)現(xiàn)高靈敏度的定子接地保護(hù)。我國目前應(yīng)用的發(fā)電機(jī)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(jī)中心點(diǎn)只是利用單相電壓互感器來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(jī)的單相接地電容電流小于安全電流，想要保護(hù)無死區(qū)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(jī)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(diào)整中性點(diǎn)接地變壓器二次側(cè)的電阻來限制接地故障時(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(jī)端金屬性接地時(shí)，健全相發(fā)電機(jī)定子繞組過電壓，減小發(fā)生諧振的可能性。

（3）中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地（欠補(bǔ)償方式)

      發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地后，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(jī)一般都欠補(bǔ)償?shù)? 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(jī)的中性點(diǎn)是絕緣的，如果一相接地，表面看構(gòu)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。單相接地電流的大小，與接地繞組的份額成正比。當(dāng)機(jī)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，就可能產(chǎn)生電弧，當(dāng)接地電流大于5A時(shí)，就會(huì)有燒壞鐵芯的危險(xiǎn)。

（1）輸出功率下降：因?yàn)榻拥貢?huì)導(dǎo)致電路中短路現(xiàn)象，電流流失，功率自然而然下降。

（2）發(fā)電機(jī)振動(dòng)大：由于過電流引起的機(jī)械振動(dòng)和勵(lì)磁系統(tǒng)的短路，也會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)大的現(xiàn)象。

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

 

圖3  發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)裝置電路圖

圖4  發(fā)電機(jī)定子地線連接示意圖

 

三、定子接地的現(xiàn)象判斷和處理

 

1、發(fā)電機(jī)定子接地的原因

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

（1）絕緣擊穿或老化：定子線圈繞制在鐵芯上，絕緣層起到隔離的作用。如果絕緣層破損或老化，會(huì)導(dǎo)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(jī)械損傷：在運(yùn)行中，發(fā)電機(jī)中的零部件可能會(huì)發(fā)生故障或機(jī)械損傷，如定子鐵芯變形、線圈短路等，導(dǎo)致接地。

（3）安裝誤差：發(fā)電機(jī)的安裝過程中，安裝不到位或安裝過程中發(fā)生誤操作，可能會(huì)導(dǎo)致定子繞組的接地現(xiàn)象。

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

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

（6）接線錯(cuò)誤：發(fā)電機(jī)定子繞組的接線錯(cuò)誤也會(huì)導(dǎo)致接地故障。

2、故障判斷方法

（1）發(fā)電機(jī)發(fā)出“定子接地”報(bào)警后，應(yīng)判明接地相別和真、假接地。當(dāng)定子一相為金屬性接地時(shí)，通過切換定子電壓表可測得接地相對(duì)地電壓為零，非接地相對(duì)地電壓為線電壓，各線電壓不變且平衡。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(jī)電壓互感器開口三角繞組的兩端，因此，正常運(yùn)行時(shí)“定子接地”電壓表的指示為零（開口三角形接線的三相繞組相電壓相量和為零），當(dāng)定子繞組出現(xiàn)一相接地時(shí)，因開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(nèi)部或發(fā)電機(jī)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(nèi)，切換測量定子電壓表，測得接地相對(duì)地電壓大于零而小于相電壓，非接地相對(duì)地電壓大于相電壓而小于線電壓，“定子接地”指示小于100V。

（3）當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓互感器高壓側(cè)一相或兩相熔斷器熔斷時(shí)，其二次側(cè)開口三角繞組端電壓也要升高。如U相熔斷器熔斷，發(fā)電機(jī)各相對(duì)地電壓未發(fā)生變化，仍為相電壓，但電壓互感器的二次側(cè)電壓測量值因U相熔斷發(fā)生了變化，即UuvUwu降低，而Uvw仍為線電壓（線電壓不平衡），各相對(duì)地電壓Uu0Uw0接近相電壓，Uu0明顯降低（相對(duì)地?zé)o電壓升高），“定子接地”電壓表指示為100/3V，發(fā)“定子接地”信號(hào)（假接地）。

      真假接地的根本區(qū)別：真接地時(shí)，定子電壓表指示接地相對(duì)地電壓降低（或等于零），非接地相對(duì)地電壓升高（大于相電壓但不超過線電壓），而線電壓仍平衡。假接地時(shí)，相對(duì)地電壓不會(huì)升高，線電壓也不平衡。

3、發(fā)電機(jī)定子接地的處理

（1）規(guī)程規(guī)定

      容量在150MW及以下的發(fā)電機(jī)，當(dāng)接地電容電流小于5A時(shí)，在未清除故障前允許發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)一點(diǎn)接地的情況下短時(shí)運(yùn)行，但最多不超過2h;單元接線的發(fā)電機(jī)變壓器組尋找接地的時(shí)間不得超過30min。對(duì)于容量或接地電容電流大于上述規(guī)定的發(fā)電機(jī)，當(dāng)定子電壓回路單相接地時(shí)，要求立即將發(fā)電機(jī)解列并滅磁。這是考慮接地發(fā)生在發(fā)電機(jī)內(nèi)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(qū)域的擴(kuò)大，使有效鐵心“著火”，由單相短路發(fā)展為相間短路。

（2）當(dāng)接到“定子接地”報(bào)警后，應(yīng)判明真、假接地。若判明為真接地，應(yīng)檢查發(fā)電機(jī)本體及所連接的一次回路，如接地點(diǎn)在發(fā)電機(jī)外部，應(yīng)設(shè)法消除。如將廠用電倒為備用電源供電，觀察接地是否消失。如果接地?zé)o法消除，對(duì)于200MW以上的機(jī)組，應(yīng)在30min內(nèi)停機(jī)。如果查明接地點(diǎn)在發(fā)電機(jī)內(nèi)部（在窺視孔能見到放電火花或電弧），應(yīng)立即減負(fù)荷停機(jī)，并向上級(jí)調(diào)度匯報(bào)。如果現(xiàn)場檢查不能發(fā)現(xiàn)明顯故障，但“定子接地”報(bào)警又不消失，應(yīng)視為發(fā)電機(jī)內(nèi)部接地，30min內(nèi)必須停機(jī)檢查處理。

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

 

總結(jié)：

      發(fā)電機(jī)定子接地故障是發(fā)電機(jī)的常見故障之一，由于大型發(fā)電機(jī)在電力系統(tǒng)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(jié)構(gòu)復(fù)雜、損壞后修復(fù)工作困難。基于此，文章結(jié)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(yù)防措施?？傊?，發(fā)電機(jī)定子接地是一種常見的電機(jī)故障，需要引起足夠的重視。在發(fā)電機(jī)的檢測、維護(hù)和管理方面，應(yīng)采取一系列措施，盡可能減少發(fā)電機(jī)定子接地的發(fā)生，保持發(fā)電機(jī)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

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