一起发电机零起升压三次谐波定子接地保护动作事件分析

张彬 钟文华 郭江磊 靳阿妮

摘要：通过对一起600 MW汽轮发电机零起升压试验过程中三次谐波比率定子接地保护发信事件分析，阐述发电机电压互感器一次绕组接线不完整对发电机及发电机定子接地保护装置运行造成的影响。发电机机端电压互感器一次绕组星形接线不完整，每相电压互感器通过对地分布寄生电容形成微小的励磁回路，在一次绕组回路不完整的情况下，二次星形及开口三角形皆有输出，但输出幅值严重偏差，对机组启动试验及定子接地保护造成一定的误判据。最后，结合此次事件，讨论总结电压互感器更换后试验及机组启动试验注意事项。

关键词：零起升压;电压互感器;定子接地保护;三次谐波

0    引言

南方某发电厂5号机采用上海汽轮机厂生产的QFSN-630-2型发电机组，其额定容量为630 MW，机端额定电压为20 kV。发电机采用发—变组单元接线方式接入500 kV系统，发电机装设出口开关，发电机出口由封闭母线经出口开关与主变压器及两台高压厂用变压器连接，不经出口开关与励磁变压器连接。发电机中性点经接地变高阻接地，接地变中性点基波零序电压、三次谐波电压送发电机保护A01、A04屏，用于发电机定子接地保护。发电机机端配置1YH、2YH、3YH、4YH四组单相式电压互感器，其中1YH为出口断路器自带。

2017年9月，5号机绿色改造期间，将机端2YH、3YH、4YH电压互感器进行了同型号整体更换，外部接线方式无变化，机组其他一、二次系统无变动。

5号发电机保护配置情况：5号发电机励磁系统采用南瑞继保PCS-9400静态自并励系统，发电机保护采用南瑞继保PCS-985G微机型保护装置，A01屏、A04屏双套完全冗余配置。发电机定子接地保护采用基波零序电压保护从机端开始85%～95%的定子绕组单相接地故障，采用三次谐波电压比率保护发电机中性点25%左右的定子绕组单相接地故障。机端三次谐波电压取自机端2YH开口三角形零序电压，中性点侧三次谐波电压取自发电机中性点YH0电压互感器，三次谐波电压比率定子接地保护投信号。

1    事件经过

2017年12月27日，5号机组绿色改造结束，经调度批准进行发电机空载零起升压试验。当日14：25：48，5号机带主变零起升压一、二次设备方式调整完成，机端电压互感器一次保险安装完成，小车推至工作位，励磁系统6 kV他励电源送电测试正常，5号发电机他励方式下零起升压试验正式开始。启励后发电机逐步开始建压，14：57：36，发电机保护A01屏、A04屏发装置报警信号，就地停止增磁，分析报警内容如下：

A01屏PCS-985G装置报文信息：装置报警、三次谐波比率信号、报警启动录波;A04屏985G装置报警与A01屏一致，报警记录时刻相同。

5号发电机故障录波器由保护装置故障开关量启动录波，具体录波如图1所示。

定子三次谐波报警时，发电机机端二次电压分别为28.123 V/

28.783 V/29.095 V，机端PT三相电压基本平衡，此时，主变低压侧（1YH）二次电压已经达到38.621 V。现场实际测量，故障录波器显示值与万用表测量结果一致，机端电压互感器三相电压较主变低压侧电压偏低（主变低压侧电压互感器本次检修未有变动），初步确认机端互感器模拟量采样畸变失真。

相同时刻，主变低压侧电压互感器1YH开口三角形与机端2YH开口三角形三次谐波对比结果如表1所示，由于发电机中性点互感器YH0电压未接入故障录波器，从保护装置录波图中读取中性点基波零序电压及三次谐波电压值。

从表1可知，装置报警时，同一个测量点，5号发电机机端开口三角形三次谐波电压值为主变低压侧开口三角形三次谐波电压的11倍，机端开口三角三次谐波大幅增加。PCS-985G保护装置三次谐波比率动作方程为：U3T/U3N>K3wzd，其中U3T和U3N分别为机端和中性点三次谐波电压值，K3wzd为设置动作定值，5号机并网前定值为0.85。U3T=0.838，U3N=0.287，U3T/U3N≈2.92，远远大于并网前三次谐波比率定值0.85，保护装置定子三次谐波比率保护动作正确。

比较5号主变低压侧电压Ua和5号主變高压侧电压Ua，报警时刻，主变高、低压侧二次电压分别为41.676 V、38.375 V，折算到一次值分别为208.382 kV、7.675 kV，高低压侧电压比为27.15，基本符合变比关系，可以进一步印证主变低压侧电压互感器采样正确。

此次事件中，发电机定子接地保护装置、故障录波器采样及动作逻辑正确，机端电压互感器模拟量采样失真，其开口三角形三次谐波电压值不能正确反映发电机机端实际三次谐波值，不能由此判据定子中性点附近有单相接地现象。

综合上述分析，基本将故障原因定位至本次检修过的机端电压互感器上，问题可能为机端电压互感器三相小车不到位、动静触头接触不良或者三相互感器一次保险接触不良。现场停止试验，灭磁，断开6 kV励磁系统他励电源，断开灭磁开关，重新对机端电压互感器小车及互感器一次保险进行检查整理。

16：30，机端电压互感器检查完成，互感器小车重新推入紧固正常，动静触头接触良好，一次保险测量无误后回装完成，机组再次启动进行试验。16：57，两套保护装置再次发“三次谐波比率定子接地信号”，故障录波器基波电压波形及三次谐波电压值与第一次启动试验结果相似。

现场讨论后决定暂时停止试验，对机端电压互感器进行解体详细检查。当打开机端电压互感器中性点封闭外箱时发现，机端电压互感器A、B、C相中性点未正确连接并接地，相当于一次星形接线中性点未连接也未接地。

对比其他机组接线方式后，按照星形接线方式重新对机端电压互感器中性点进行接线，接线整改完成后如图2所示，粗线部分为新增接线。

机端互感器恢复完成后重新启动进行试验，启动正常，机端电压从零升至额定过程中保护装置未再次发定子接地报警，现场缺陷处理正确有效。

2    原因分析

2.1    直接原因

误接线，机端电压互感器星形连接不完整，機端电压互感器模拟量采样偏差大、三次谐波电压采样大幅增加，导致三次谐波比率定子接地保护发信。

2.2    技术原因

在此次事件中，在机端电压互感器一次绕组星形接线不完整且未接地的前提下，从纯电路理论分析，一次绕组未形成励磁回路，二次侧不应有电压输出，但实际情况下，机端电压互感器二次有电压输出且三相基本平衡。通过现场实际情况分析提供其中一种可能的原因并进行验证：机端每相2YH、3YH、4YH三个电压互感器一次绕组中性点虽未直接接地，但电压互感器外壳接地，电压互感器一次绕组与外壳之间存在寄生分布电容，电压互感器通过与外壳的分布电容构成励磁回路，可以形成微小的励磁电流回路，具体如图3所示。

图3中，C1、C2、C3为A、B、C相电压互感器对地分布电容，假设C1、C2、C3容抗相等，则电压互感器二次电压也应基本平衡。通过现场录波图来看，前两次启动试验实际二次侧输出电压基本平衡，反过来印证了起初的推论。同时也是由于该大容抗的存在，使二次回路的输出电压较正常值低，也与现场实际试验结果一致。

通过比对5号机主变低压侧开口三角形三次谐波电压值，机端开口三角形三次谐波大是自身中性点缺失造成的，并非实际系统中的谐波。理论上电压互感器中性点缺失，会在二次回路上测量到一定含量的三次谐波电压。补充说明，由于三次谐波的零序特性，在主变低压侧三角形、发电机中性点经高阻接地方式下不具备三次谐波电流通路，三次谐波电压通过绕组对地分布电容及机端负载对地导纳的大小进行分布，此次5号机机端电压互感器中性点缺失，将会对发电机机端及中性点三次谐波电势的分布造成一定的影响。

3    结论

本文详细地介绍了一起发电机零起升压过程中三次谐波比率定子接地保护误发信事件的背景、原因及现场分析处理步骤。通过对此次事件的分析、总结、思考，得出以下技术及管理方面的经验教训：

（1）发电机三次谐波比率定子接地保护信号出现，不能简单地认定发电机中性点出现了单相接地故障，如同本文所述事件一样，机端电压互感器一次绕组星形接线不完整，直接影响其开口三角形三次谐波电压值的大小，进而导致发电机三次谐波定子接地保护误发信。还有其他与本文类似的故障，如机端电压互感器一次保险接触不良、互感器小车推入不到位动静触头接触不良，均可能造成三次谐波定子接地误发信。在以后的检修中遇到发电机三次谐波比率定子接地保护发信情况，可以先从这些简单容易的部分入手检查，大大提高设备消缺的速率。

（2）电压互感器单相试验不能验证整组接线的正确性。此次5号机更换机端电压互感器后也完成了互感器极性及变比等常规要求试验，但现场试验是对单个互感器逐个进行的，没有对整组互感器进行系统试验，单体设备正常不能保证整个系统的完好。在单体校验合格后，必须对整组互感器进行试验，以保证整个系统的完整性，这也是其他系统、设备定期检修的基本原则。

（3）更换过电压互感器后必须进行零起升压试验，试验合格后方可在励磁系统自动方式下起励及并网。发电机零起升压的主要目的也是为了验证检修过的一、二次设备电压回路是否完好，更换过电压互感器设备必须进行，类似于本文所述5号机事件，如不进行零起升压试验，将有可能造成发电机过电压，危害性极大。另外，零起升压试验过程中不能以变更过的电压互感器测量数据为参考，需选择其他参考点，如以主变低压侧或者主变高压侧电压作为参考点。

[参考文献]

[1] 南京南瑞继保电气有限公司.PCS-985G发电机保护装置说明书[Z].

收稿日期：2020-01-06

作者简介：张彬（1986—），男，甘肃定西人，工程师，主要从事火力发电厂电气二次检修工作。