中图分类号：TM 32
文献标志码：B 文章编号：1000-7229(2010)03-0099-03
发电机定子接地故障处理和分析
楼国才，王立大
(浙江省火电建设公司，杭州市，310016)
Analysis and Handling of A Generator Stator Ground Fault
LOU Gou-cai, WANG Li-da
(ZhejiangThermal Power Construction Company, HangZhou 310016, China)
ABSTRACT ：Stator ground fault protectionaction occurred
during commissioning of a 600MW generator in a certain power plant. According to the fault wave graphics and data, the paper analyzes generator voltage variation characteristic when the stator winding was grounded, and found that the main cause was the water pipe leakage at exciter end, which leads to the phase A stator grounded by high impedance through generator start-up test. The fault handling measures and the experience lessons were advised.
KEYWORDS:generator; stator ground fault; water pipe;
2
2.1
事故处理过程
二次系统检查
insulation failure
摘要：针对某电厂600MW 机组在试运行过程中的定子接地
保护的动作事故，根据现场的故障录波波形和数据，以及对定子接地时的电压变化特点进行分析，并通过升压试验，发现故障是因为励磁机侧A 相一根下层线棒引水管渗漏而造成的A 相定子经高阻接地故障。通过对整个事故进行处理分析，并对以后的调试及故障处理提出一些经验和建议。关键词：发电机；定子接地；引水管；绝缘破坏
doi:10.3969/j.issn.1000-7229.2010.03.025
1事故概述
跳机后首先对继电保护装置进行了全面的检查，
2套发电机保护的定子接地保护均动作，3次谐波定子接地保护没有动作，根据故障波形记录基波零序电压约为12.1V ，超过零序电压的定值(U op 为10V) ，延时2.0s 后动作。
从故障录波器记录波形中可以看出，发电机电流均为0.82A ，A 、B 、C 三相电压分别为51.09、62.58和54.43V ，发电机定子接地保护动作时发电机中性点零序电压为12.1314V ，机端零序电压为12.1534V ，并且两者波形完全相同，而发电机A 相电压明显比另外2相要低，同时发电机定子电流没有明显变化。
为了确认保护动作是否正确，对发变组的二次回路进行检查，重点检查了电压互感器的二次回路，检查结果符合规程要求，排除了由于二次回路不正确引起保护误动的可能。但是通过这些故障数据并不能确定是发电机内部故障还是外部故障。2.2一次系统检查
对发电机内冷水、氢、密封油系统等非电气系统进行了初步检查，没有发现发电机积水、漏氢、漏油等情况，系统工作正常；对定子冷却水的水质进行了化验，其电导率合格；对发电机本体、励磁变压器、出线封母、电压互感器、发电机出口断路器、中性点接地变压器及其附属设备等电气回路和设备的外观进行检查，未发现明显的故障特征。在未对发电机本体进行隔离的情况下（即整个电气一次回路包括励磁变、发电机出口断路器、出线封母和发电机本体等），用水内冷发电机绝缘电阻测试仪检查了发电机本体绝缘，绝缘电阻数值大于1000M Ω，并且吸收比和极化指数也满足要求。
2.3发电机定子接地时机端对地电压的变化特点
根据上述情况，初步怀疑为A 相定子接地。分析
某电厂4×600MW 机组发电机采用哈尔滨电机
厂的QFSN －600－2YHG 型汽轮发电机，定子绕组连接方式YY 型，水-氢冷机组，机端额定电压20kV ，中性点经接地变压器接地。接地变压器变比为20/0.173kV ，二次侧接有0.185Ω电阻。发电机保护采用南自DGT-801A 和南瑞RCS-985G 装置，定子接地保护采用基于稳态基波零序电压和三次谐波原理构成100%保护。
该电厂1号发电机在试运行期间发生事故跳闸。发出信号为发电机定子接地保护动作，发电机出口断路器跳闸，动作灭磁，关闭主汽门，当时机组负荷为120MW 。下面结合此次发电机定子接地故障实际情况，对大型发电机定子接地故障的处理进行分析。
发电机定子接地时机端对地电压的变化特点，在发电机中性点经高阻接地的系统中，假设A 相α位置（α为故障点到中性点的匝数占一相串联总匝数的百分比）经过渡电阻R g 发生接地故障，中性点接地电阻为R （折算n 到一次侧），如图1所示，发电机三相绕组电动势分别为E a 、E b 、E c ，机端三相对地电压分别为U ag 、U bg 、U cg ，三相对地电容分别为C a 、C b 、C c ，中性点电压U 0。
·
（7）
（8）
·
而本系统中R n =2472，ωC Σ=2.3794×10-4，故
，由式（8）可得非故障相B 相的
对地电压大于故障相A 相。同时由式（7）可以得到正常相C 相对地电压不小于另一正常相B 相对地电压。根据对经过渡电阻单相接地的基波零序定子接地的相量（图2）分析[1]，当0U BG >U AG 。结合公式和相量图的分析，A 相经电阻接地时。接地故障相的机端对地电压为最低，非故障相C 相对地电压为最高。
图1发电机定子绕组单相接地故障等效图
equivalent diagram
Fig.1Generator stator winding single-phase ground failure
（1）
根据公式（1）可得：
（2）
式中C Σ=C a +C b +C c 。
当发电机绕组的三相电动势和对地电容对称时，公式可以简化为
（3）
发电机机端三相对地电压分别为：
（4）
2A 相机端经R g 接地
Fig.2A-phase generator-end grounding through R g
但是从保护装置和故障录波器记录的故障数据可知，A 相电压（51.32V ）为最低，C 相电压（55.44V ）次之，B 相电压（61.65V ）最高，与上述理论分析有偏差。2.4发电机零起升压试验
在对一、二次系统检查未发现问题，又根据理论分析和实际电压值存在较大的偏差，因此无法正确定位故障。而汽轮机又是保持3000r/min转速的情况下，决定对1号发电机系统进行零起升压试验，零起升压之前，对发电机定子接地保护定值进行修改，U OP 设为3V ，动作时间改为0s 。
在零起升压过程中密切监视发电机中性点电压，随着发电机电压的升高，中性点电压越来越大，在机端电压到3.8kV 时，发电机定子接地保护动作，此时从保护动作记录的数据来看：A 相电压最低
（5）
（6）
比较三相对地电压的大小：
8.15V ，B 相电压次之为8.29V ，C 相电压最高10.65
V ，零序电压2.97V 。与2.3节分析一致，所以，可以确定发电机系统内A 相确实有故障存在。2.5发电机故障点查找
再次对整个电气一次回路，用水内冷发电机绝缘电阻测试仪检查绝缘，绝缘电阻数值为50M Ω，比发电机零升前有明显的减少。解开发电机中性点连接线，拆发电机出口软连接，测量发电机本体绝缘，定子A 相绝缘数值为50M Ω，B 、C 相绝缘数值均超过1000M Ω，为了确定故障点，对发电机A 相进行直流耐压试验(带水) ，升到4000V 后，在励磁机侧A 相1根下层线棒(7、8点位置) 的引水管有放电现象，继续检查发现该引水管中间有水渗出，从而确认了发电机的故障部位。
更换这2根引水管后，进行带水的直流耐压试验，试验通过后，机组并网运行正常，故障消除。
4经验总结
3事故原因分析
从故障部位来看，此次事故是由于引水管有缺陷，导致绝缘下降而被击穿引起的定子接地。被击穿的这根引水管内外表面未发现沿面闪络的痕迹，根据现场情况分析此次事故原因是：击穿部位在制造或安装过程中受局部应力，造成细微裂纹；运行中，额定冷却水压力下微渗水，导致电场分布发生变化，水中泄漏电流增加(击穿的引水管处于A 相高电位区) 、水局部发热严重时汽化，汽化的水蒸气将形成一个高电导层，进一步加剧发热直至闪络，严重时局部烧熔引水管，造成引水管漏水，发生相对地短路。而这种情况下的过渡电阻非常大。
机组跳闸后检查发电机绝缘时没有发现引水管的缺陷，主要是由于此时引水管的绝缘值还比较高，而水内冷发电机绝缘电阻测试仪的电压为2500V ，容量所限不能发现它的绝缘缺陷。
三相对地电压和理论值计算存在偏差，在分析第一次动作时的三相电压和零起升压时的三相电压可以发现。第一次动作时的对地电压和理论分析不符，而零起升压时的对地电压却和理论值相符。比较二者的不同点，除了2次动作时的一次电压大小不同外，二者的一次系统也不同。在并网试运时要考虑到通过变压器的耦合电容，以及电网的不对称度。文献[2]认为发电机的三相电势和对地电容都无法完全对称，以及电网不对称度会影响中性点电压的偏移。而中性点电压的偏移会使理论计算和实际产生偏差。
（1）保护动作后应该对一次系统进行全面而仔细的检查，在确认保护装置不是误动的前提下，一定要通过高压试验方法来确定故障点。在本次事故的处理过程中，机组跳闸后只是检查了一次系统的绝缘，而由于绝缘测试仪的电压等级和容量的问题没有发现发电机的绝缘问题，拖延了故障处理时间。
（2）继电保护调试工作者要加强故障时的理论分析，即要注意等效计算模型的选择和实际现场各因素的考虑。理论分析和实际结果不一定完全符合，这主要是实际故障的复杂性，以及等效模型在计算过程中为了方便，往往简略了部分数据或者基于三相参数一致进行计算，这可能与实际存在差异。
（3）统计国内近几年发生的定子接地事故中，由于引水管缺陷引起的接地事故占了相当比例，主要原因是引水管的质量不过关，或是在安装过程中因不注意而造成引水管绝缘损坏。作为现场试验人员，调试和大修时应加强定子冷却水系统的水压试验和直流泄漏测量（正常水压下进行直流耐压试验），对引水管进行重点检查，以便及时发现引水管的问题。
5参考文献
国电力出版社，2002.
[1]王维俭. 电气主设备继电保护原理与应用[M]．2版. 北京：中[2]殷建刚，彭丰，王维俭. 合理配置发电机中性点接地方式[J].电力
设备，2001，2（4）：67-70.
[3]刘万顺，电气系统故障分析[M]．北京：中国电力出版社.1998. [4]王维俭，侯炳蕴. 大型机组继电保护理论基础.[M].2版. 北京：水利
电力出版社, ，1989.
[5]毕大强，王祥珩，李德佳，等. 发电机定子绕组单相接地故障的定
位方法[J].电力系统自动化，2004，28（22）：55-57.
[6]史世文. 大机组继电保护.[M].北京：水利电力出版社，1987. [7]涂光瑜. 汽轮发电机及电气设备[M]. 北京:中国电力出版社,1998. [8]徐金兵，楼国才. 发电机100%定子接地保护误动作分析[J].中国
电力，2007，40（5）：67-70.
[9]毕大强，王祥珩，桂林，等. 基于零序电压故障暂态分量的发电机
定子单相接地保护方案研究[J].中国电机工程学报，2003，23（11）：39-44.
收稿日期：2009-11-06作者简介：
楼国才（1977—），男，大学本科，工程师，从事电力系统继电保护调试。E-mail ：[1**********]@139.com。
修回日期：2010-01-15
(责任编辑：马明)
中图分类号：TM 32
文献标志码：B 文章编号：1000-7229(2010)03-0099-03
发电机定子接地故障处理和分析
楼国才，王立大
(浙江省火电建设公司，杭州市，310016)
Analysis and Handling of A Generator Stator Ground Fault
LOU Gou-cai, WANG Li-da
(ZhejiangThermal Power Construction Company, HangZhou 310016, China)
ABSTRACT ：Stator ground fault protectionaction occurred
during commissioning of a 600MW generator in a certain power plant. According to the fault wave graphics and data, the paper analyzes generator voltage variation characteristic when the stator winding was grounded, and found that the main cause was the water pipe leakage at exciter end, which leads to the phase A stator grounded by high impedance through generator start-up test. The fault handling measures and the experience lessons were advised.
KEYWORDS:generator; stator ground fault; water pipe;
2
2.1
事故处理过程
二次系统检查
insulation failure
摘要：针对某电厂600MW 机组在试运行过程中的定子接地
保护的动作事故，根据现场的故障录波波形和数据，以及对定子接地时的电压变化特点进行分析，并通过升压试验，发现故障是因为励磁机侧A 相一根下层线棒引水管渗漏而造成的A 相定子经高阻接地故障。通过对整个事故进行处理分析，并对以后的调试及故障处理提出一些经验和建议。关键词：发电机；定子接地；引水管；绝缘破坏
doi:10.3969/j.issn.1000-7229.2010.03.025
1事故概述
跳机后首先对继电保护装置进行了全面的检查，
2套发电机保护的定子接地保护均动作，3次谐波定子接地保护没有动作，根据故障波形记录基波零序电压约为12.1V ，超过零序电压的定值(U op 为10V) ，延时2.0s 后动作。
从故障录波器记录波形中可以看出，发电机电流均为0.82A ，A 、B 、C 三相电压分别为51.09、62.58和54.43V ，发电机定子接地保护动作时发电机中性点零序电压为12.1314V ，机端零序电压为12.1534V ，并且两者波形完全相同，而发电机A 相电压明显比另外2相要低，同时发电机定子电流没有明显变化。
为了确认保护动作是否正确，对发变组的二次回路进行检查，重点检查了电压互感器的二次回路，检查结果符合规程要求，排除了由于二次回路不正确引起保护误动的可能。但是通过这些故障数据并不能确定是发电机内部故障还是外部故障。2.2一次系统检查
对发电机内冷水、氢、密封油系统等非电气系统进行了初步检查，没有发现发电机积水、漏氢、漏油等情况，系统工作正常；对定子冷却水的水质进行了化验，其电导率合格；对发电机本体、励磁变压器、出线封母、电压互感器、发电机出口断路器、中性点接地变压器及其附属设备等电气回路和设备的外观进行检查，未发现明显的故障特征。在未对发电机本体进行隔离的情况下（即整个电气一次回路包括励磁变、发电机出口断路器、出线封母和发电机本体等），用水内冷发电机绝缘电阻测试仪检查了发电机本体绝缘，绝缘电阻数值大于1000M Ω，并且吸收比和极化指数也满足要求。
2.3发电机定子接地时机端对地电压的变化特点
根据上述情况，初步怀疑为A 相定子接地。分析
某电厂4×600MW 机组发电机采用哈尔滨电机
厂的QFSN －600－2YHG 型汽轮发电机，定子绕组连接方式YY 型，水-氢冷机组，机端额定电压20kV ，中性点经接地变压器接地。接地变压器变比为20/0.173kV ，二次侧接有0.185Ω电阻。发电机保护采用南自DGT-801A 和南瑞RCS-985G 装置，定子接地保护采用基于稳态基波零序电压和三次谐波原理构成100%保护。
该电厂1号发电机在试运行期间发生事故跳闸。发出信号为发电机定子接地保护动作，发电机出口断路器跳闸，动作灭磁，关闭主汽门，当时机组负荷为120MW 。下面结合此次发电机定子接地故障实际情况，对大型发电机定子接地故障的处理进行分析。
发电机定子接地时机端对地电压的变化特点，在发电机中性点经高阻接地的系统中，假设A 相α位置（α为故障点到中性点的匝数占一相串联总匝数的百分比）经过渡电阻R g 发生接地故障，中性点接地电阻为R （折算n 到一次侧），如图1所示，发电机三相绕组电动势分别为E a 、E b 、E c ，机端三相对地电压分别为U ag 、U bg 、U cg ，三相对地电容分别为C a 、C b 、C c ，中性点电压U 0。
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（7）
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而本系统中R n =2472，ωC Σ=2.3794×10-4，故
，由式（8）可得非故障相B 相的
对地电压大于故障相A 相。同时由式（7）可以得到正常相C 相对地电压不小于另一正常相B 相对地电压。根据对经过渡电阻单相接地的基波零序定子接地的相量（图2）分析[1]，当0U BG >U AG 。结合公式和相量图的分析，A 相经电阻接地时。接地故障相的机端对地电压为最低，非故障相C 相对地电压为最高。
图1发电机定子绕组单相接地故障等效图
equivalent diagram
Fig.1Generator stator winding single-phase ground failure
（1）
根据公式（1）可得：
（2）
式中C Σ=C a +C b +C c 。
当发电机绕组的三相电动势和对地电容对称时，公式可以简化为
（3）
发电机机端三相对地电压分别为：
（4）
2A 相机端经R g 接地
Fig.2A-phase generator-end grounding through R g
但是从保护装置和故障录波器记录的故障数据可知，A 相电压（51.32V ）为最低，C 相电压（55.44V ）次之，B 相电压（61.65V ）最高，与上述理论分析有偏差。2.4发电机零起升压试验
在对一、二次系统检查未发现问题，又根据理论分析和实际电压值存在较大的偏差，因此无法正确定位故障。而汽轮机又是保持3000r/min转速的情况下，决定对1号发电机系统进行零起升压试验，零起升压之前，对发电机定子接地保护定值进行修改，U OP 设为3V ，动作时间改为0s 。
在零起升压过程中密切监视发电机中性点电压，随着发电机电压的升高，中性点电压越来越大，在机端电压到3.8kV 时，发电机定子接地保护动作，此时从保护动作记录的数据来看：A 相电压最低
（5）
（6）
比较三相对地电压的大小：
8.15V ，B 相电压次之为8.29V ，C 相电压最高10.65
V ，零序电压2.97V 。与2.3节分析一致，所以，可以确定发电机系统内A 相确实有故障存在。2.5发电机故障点查找
再次对整个电气一次回路，用水内冷发电机绝缘电阻测试仪检查绝缘，绝缘电阻数值为50M Ω，比发电机零升前有明显的减少。解开发电机中性点连接线，拆发电机出口软连接，测量发电机本体绝缘，定子A 相绝缘数值为50M Ω，B 、C 相绝缘数值均超过1000M Ω，为了确定故障点，对发电机A 相进行直流耐压试验(带水) ，升到4000V 后，在励磁机侧A 相1根下层线棒(7、8点位置) 的引水管有放电现象，继续检查发现该引水管中间有水渗出，从而确认了发电机的故障部位。
更换这2根引水管后，进行带水的直流耐压试验，试验通过后，机组并网运行正常，故障消除。
4经验总结
3事故原因分析
从故障部位来看，此次事故是由于引水管有缺陷，导致绝缘下降而被击穿引起的定子接地。被击穿的这根引水管内外表面未发现沿面闪络的痕迹，根据现场情况分析此次事故原因是：击穿部位在制造或安装过程中受局部应力，造成细微裂纹；运行中，额定冷却水压力下微渗水，导致电场分布发生变化，水中泄漏电流增加(击穿的引水管处于A 相高电位区) 、水局部发热严重时汽化，汽化的水蒸气将形成一个高电导层，进一步加剧发热直至闪络，严重时局部烧熔引水管，造成引水管漏水，发生相对地短路。而这种情况下的过渡电阻非常大。
机组跳闸后检查发电机绝缘时没有发现引水管的缺陷，主要是由于此时引水管的绝缘值还比较高，而水内冷发电机绝缘电阻测试仪的电压为2500V ，容量所限不能发现它的绝缘缺陷。
三相对地电压和理论值计算存在偏差，在分析第一次动作时的三相电压和零起升压时的三相电压可以发现。第一次动作时的对地电压和理论分析不符，而零起升压时的对地电压却和理论值相符。比较二者的不同点，除了2次动作时的一次电压大小不同外，二者的一次系统也不同。在并网试运时要考虑到通过变压器的耦合电容，以及电网的不对称度。文献[2]认为发电机的三相电势和对地电容都无法完全对称，以及电网不对称度会影响中性点电压的偏移。而中性点电压的偏移会使理论计算和实际产生偏差。
（1）保护动作后应该对一次系统进行全面而仔细的检查，在确认保护装置不是误动的前提下，一定要通过高压试验方法来确定故障点。在本次事故的处理过程中，机组跳闸后只是检查了一次系统的绝缘，而由于绝缘测试仪的电压等级和容量的问题没有发现发电机的绝缘问题，拖延了故障处理时间。
（2）继电保护调试工作者要加强故障时的理论分析，即要注意等效计算模型的选择和实际现场各因素的考虑。理论分析和实际结果不一定完全符合，这主要是实际故障的复杂性，以及等效模型在计算过程中为了方便，往往简略了部分数据或者基于三相参数一致进行计算，这可能与实际存在差异。
（3）统计国内近几年发生的定子接地事故中，由于引水管缺陷引起的接地事故占了相当比例，主要原因是引水管的质量不过关，或是在安装过程中因不注意而造成引水管绝缘损坏。作为现场试验人员，调试和大修时应加强定子冷却水系统的水压试验和直流泄漏测量（正常水压下进行直流耐压试验），对引水管进行重点检查，以便及时发现引水管的问题。
5参考文献
国电力出版社，2002.
[1]王维俭. 电气主设备继电保护原理与应用[M]．2版. 北京：中[2]殷建刚，彭丰，王维俭. 合理配置发电机中性点接地方式[J].电力
设备，2001，2（4）：67-70.
[3]刘万顺，电气系统故障分析[M]．北京：中国电力出版社.1998. [4]王维俭，侯炳蕴. 大型机组继电保护理论基础.[M].2版. 北京：水利
电力出版社, ，1989.
[5]毕大强，王祥珩，李德佳，等. 发电机定子绕组单相接地故障的定
位方法[J].电力系统自动化，2004，28（22）：55-57.
[6]史世文. 大机组继电保护.[M].北京：水利电力出版社，1987. [7]涂光瑜. 汽轮发电机及电气设备[M]. 北京:中国电力出版社,1998. [8]徐金兵，楼国才. 发电机100%定子接地保护误动作分析[J].中国
电力，2007，40（5）：67-70.
[9]毕大强，王祥珩，桂林，等. 基于零序电压故障暂态分量的发电机
定子单相接地保护方案研究[J].中国电机工程学报，2003，23（11）：39-44.
收稿日期：2009-11-06作者简介：
楼国才（1977—），男，大学本科，工程师，从事电力系统继电保护调试。E-mail ：[1**********]@139.com。
修回日期：2010-01-15
(责任编辑：马明)