发电机三次谐波电压比率接地保护误发信分析

郭晓平，傅建华，许海标，杨 伦

(南海发电一厂有限公司，广东 佛山 528211)

0 引言

某电厂2号发电机组额定功率220 MW，机端额定电压为15．75 kV，发变组保护采用南瑞继保电气公司的PCS-985B-H2微机型发变组保护装置。定子接地保护A，B柜均采用基波零序过电压判据，保护从机端开始至发电机中性点85 %—95 %的定子绕组单相接地故障，采用三次谐波电压比率和差动判据，保护发电机中性点附近的定子绕组单相接地故障。A柜机端三次谐波电压取自机端TV1开口三角零序电压，B柜机端三次谐波电压取自机端TV2开口三角零序电压。A，B柜发电机中性点侧三次谐波电压均取自发电机中性点接地变TV0，如图1所示。

1 事件经过

2016-11-28T08：44，2号机组DCS光字牌显示：2号发电机定子接地报警；2号机发变组保护A套装置报警；2号机发变组保护B套装置报警。机组运行人员现场检查2号发变组保护A柜“三次谐波电压比率信号”、B柜“三次谐波电压比率信号”报出情况。

故障发生时，发电机带150 MW有功负荷，发变组A柜显示发电机机端电压二次值AC为97．01 V，BC为96．91 V，CA为97．03 V；B柜显示发电机机端电压二次值AC为97．01 V，BC为96．91 V，CA为97．17 V；发电机机端零序电压为0．02 V，发电机中性点零序电压为6．03 V，机端开口三角三次谐波电压为2．25 V，中性点三次谐波电压为0．59 V，三次谐波电压比率值为3．82。

图1 发电机TV一次接线

2 原因分析

2.1 三次谐波电压比率定子接地保护原理

三次谐波电压比率判据只保护发电机中性点以上25 %左右的定子接地，机端三次谐波电压取自机端开口三角零序电压，中性点侧三次谐波电压取自发电机中性点TV。

三次谐波电压比率定子接地保护动作方程：

式中：K3ωzd为机端三次谐波电压与中性点侧三次谐波电压比率保护的整定值，U3T，U3N为机端和中性点三次谐波电压值。

该厂按实测发电机并网前、后最大三次谐波电压比值乘以一可靠系数(1．2—1．5)整定。由于并网前、后测试值相差不大，故均取K3ωzd=1．2。

由于三次谐波电压定子绕组单相接地保护动作判据比较薄弱，在运行中只要稍有干扰，特别是中性点回路中稍有不正常时，该保护就可能误动作，故保护整定为动作延时5．5 s发信。

三次谐波电压比率定子绕组接地保护逻辑如图2所示。

2.2 动作情况分析及排查过程

2．2．1 保护动作信号正确

根据三次谐波比率原理，因为机端三次谐波电压 / 中性点三次谐波电压 =2．25/0．59=3．82，大于整定值1．2，所以三次谐波电压比率保护动作信号正确。

2．2．2 故障排查过程

由于发电机定子接地保护三次谐波电压比率接地保护信号动作，机端三相电压对地平衡，假如发电机真正发生接地故障，由于发电机基波零序电压保护只能保护发电机机端至中性点85 %—95 %的定子绕组单相接地，所以接地点应该位于发电机定子绕组靠近中性点位置。当发电机靠近中性点接地短路时，由于机端反应出的不平衡电压相对较小，机端三相电压仍趋于相对平衡，机端TV二次开口三角反应出的基波零序电压相对较小(本次报警发电机机端零序二次电压为0．02 V)，故排除发电机定子机端绕组接地的可能性。而定子接地保护三次谐波电压比率判据为配合定子接地基波零序电压保护构成100 %保护，只保护发电机中性点25 %左右的定子接地，利用发电机机端电压三次谐波与发电机中性点电压三次谐波比率作为动作条件，当比值大于整定值时发信报警。

经验表明：当机组正常运行时，发电机机端电压三次谐波略小于发电机中性点电压三次谐波，保护不动作；当发电机定子越靠近中性点接地短路时，发电机中性点电压三次谐波会越小，而远离中性点的机端电压三次谐波会越大，甚至大于中性点电压三次谐波，启动保护动作发信。

经过初步判断，检修人员对发电机及相关一次连接回路进行检查。由于机组正处于运行状态，检修及运行人员先通过对发电机中性点尾部7G接地刀闸、接地变压器、分压电阻以及通过发电机外部窥视孔对发电机内部定子绕组进行外观详细检查，均未发现明显放电或接地现象。

检修人员检查二次回路，以排除二次回路上的干扰或其他原因带来的保护误报警。

检修人员申请退出2号机发变组保护A屏所有出口压板及定子接地保护功能压板，用表计测量发电机中性点二次电压L603，B600电压频率及幅值。经测量中性点基波电压为0—6．08 V，三次谐波电压为0—0．44 V，机端零序电压基波为0，三次谐波为2．25 V。

解开发变组保护A屏中性点电压L603连片，观察装置中性点三次谐波及基波电压，发现无电压漂浮，显示为0，恢复连片。解开中性点发变组保护A屏电压B600连片，观察装置中性点三次谐波及基波电压，无电压漂浮，显示为0，恢复连片。检查确认装置零漂没问题。

图2 三次谐波电压比率定子绕组接地保护逻辑

解开发电机中性点TV端子箱L603，B600至2号机发变组保护A屏电缆观察装置中性点三次谐波及基波电压连片，电压显示基波为0．01 V，三次谐波为0．01 V。

用临时电缆代替原电缆接入L603，B600，接入A屏中性点电压回路，观察装置中性点基波电压及三次谐波：基波电压为0—6．08 V，三次谐波电压为0—0．34 V，三次谐波电压比值为2．25/0．34=6．617。更换临时电缆后，故障依旧存在。投回A屏保护出口压板及定子接地保护功能压板，A套保护恢复原运行方式。

按以上试验方式在B屏做相同试验，试验结果与A屏一致，排除保护装置内部及发电机中性点TV端子箱L603，B600至2号机发变组保护A屏、B屏电缆问题。恢复B套保护运行方式。按发电机中性点电压二次回路图纸(见图3)，排查L602及B600至发电机中性点接地变压器输出二次回路。

图3 发电机中性点电压二次回路

检修人员检查TV0输出二次端子均未发现松动等异常现象，L602及B600接线良好，测量其接线柱外部电压显示基波电压为0—6．11 V，三次谐波电压为0—0．37 V，与保护屏采样显示并无差异。测量接线柱内部铜排，发现电压显示与接线柱外部测量值不一致，其基波电压相对稳定为0．02 V，三次谐波电压为2．69 V。采用交叉测量法，以接有L602的接线柱内部铜排对B600接线柱外部端子测量，基波电压为0．02 V，三次谐波电压为2．69 V，数值稳定。以接有B600的接线柱内部铜排对L602接线柱外部端子测量，电压漂浮不定，与保护装置及先前测量数值相近。判断为L602接线端子导电不良等原因导致电压出现漂浮。单独对L602接线端子内部铜排及外接线螺丝进行压差测量，发现压差约为1．58 V，并非等电位。同一连接点而非等电位，再次确认应为接触不良导致电压漂浮。

2.3 应对措施

2．3．1 临时措施

将L602接线端子内部铜排及外接线螺栓采用临时短接线短接，再次观察发变组A柜及B柜，保护A屏发电机机端二次电压AB为98．48 V，BC为 98．63 V，CA为98．67 V；保护B屏发电机机端二次电压AB为98．46 V，BC为98．53 V，CA为98．76 V；发电机机端零序电压为0，发电机中性点零序电压为0．02 V，机端开口三角三次谐波电压为2．20 V，中性点三次谐波电压为2．64 V，三次谐波电压比率为0．831。2号发电机三次谐波电压比率定子接地保护报警信号消失。临时措施示意如图4所示。

图4 临时措施示意

根据现场实际检查情况，主设备问题被排除，确定为二次回路接触不良引起的发电机三次谐波电压比率定子接地保护误发信。铜排与导电螺栓接触不良，导致电压漂浮，基波电压虚高，发电机中性点二次电压回路三次谐波时而减少，引起三次谐波电压比率接地保护信号误动是本次事件的主要原因。为了确保机组安全稳定运行，不影响发电机正常发电，按图4中加装跳线的做法使机组维持稳定运行。

2．3．2 最终措施及分析

机组停机期间重新检查铜排与导电螺丝连接情况。拆下检查后发现金属垫片氧化，拆除临时措施，更换垫片后重新开机，电压稳定。

导致本次误报警的原因有：机组大修期间检查不到位；检修人员对发电机中性点变压器及分压电阻直阻的测量、变比的测量、设备外观的检查不到位；未对氧化严重的螺栓或垫片进行更换等。

3 结束语

三次谐波电压比率接地保护信号出现，并不一定表明中性点附近真正发生接地故障。它受发电机各PT的测量准确度，尤其是PT或二次电压回路的影响很大，如本次的发电机中性点二次电压回路铜排与导电螺栓接触不良，引起保护测量中性点三次谐波电压值偏小或波动。这为以后查找类似问题积累了经验。

很多三次谐波定子接地保护误发信是人为因素造成的，包括设计不合理、定值设定不合理、调试和维护不良等，具体如电压互感器熔断器没有压紧、同期回路的影响、干扰问题、二次回路中的极性接反等。当发电机出现三次谐波定子接地保护误发信时， 可以首先检查上述人为因素，以便尽快找出故障原因。定子三次谐波接地保护误发信号是发电机易出现的故障之一，保证二次测量接线正确、紧固，一次TV操作到位等是重要的反事故措施。按照预防性试验规程及运行规程，做好相关检查及严格执行操作规程，可以尽量避免不必要的停机。

1 张灿斌．汽轮发电机三次谐波电压定子接地保护的误动分析[J]．广东电力，2004，17(3)：26-28．