发电机定子接地故障探究
一、发电机定子一点接地的故障以及处理
1、定子接地的故障及判断
发电机发出"定子接地"报警后，应判明接地相别和真、假接地。当定子一相为金属性接地时，通过切换定子电压表可测得接地相对地电压为零，非接地相对地电压为线电压，各线电压不变且平衡。定子绝缘电阻测量测得"定子接地"电压表指示为零序电压值。由于"定子接地"电压表接在发电机电压互感器开口三角绕组的两端，因此，正常运行时"定子接地"电压表的指示为零(开口三角形接线的三相绕组相电压相量和为零)，当定子绕组出现一相接地时，因开口三角形连接的二次绕组连接的三相绕组相电压为100/3V，故"定子接地"电压表的指示应为100/3=100V。如果一点接地发生在定子绕组的内部或发电机出口，且为电阻性，或接地发生在发变组主变压器低压绕组内，切换测量定子电压表，测得接地相对地电压大于零而小于相电压，非接地相对地电压大于相电压而小于线电压，"定子接地"指示小于100V。当发电机电压互感器高压侧一相或两相熔断器熔断时，其二次侧开口三角绕组端电压也要升高。如U相熔断器熔断，发电机各相对地电压未发生变化，仍为相电压，但电压互感器的二次侧电压测量值因U相熔断发生了变化，即UuvUwu降低，而Uvw仍为线电压(线电压不平衡)，各相对地电压Uu0Uw0接近相电压，Uu0明显降低(相对地无电压升高)，"定子接地"电压表指示为100/3V，发"定子接地"信号(假接地)。 真假接地的根本区别：真接地时，定子电压表指示接地相对地电压降低(或等于零)，非接地相对地电压升高(大于相电压但不超过线电压)，而线电压仍平衡。假接地时，相对地电压不会升高，线电压也不平衡。
2、发电机定子接地的处理
规程规定：容量在150MW及以下的发电机，当接地电容电流小于5A时，在未清除故障前允许发电机在电网一点接地的情况下短时运行，但最多不超过2h;单元接线的发电机变压器组寻找接地的时间不得超过30min。对于容量或接地电容电流大于上述规定的发电机，当定子电压回路单相接地时，要求立即将发电机解列并灭磁。这是考虑接地发生在发电机内部，接地电弧电流易使铁心损坏，另外，接地电容电流能使铁心熔化，熔化的铁心又会引起损坏区域的扩大，使有效铁心"着火"，由单相短路发展为相间短路。当接到"定子接地"报警后，应判明真、假接地。若判明为真接地，应检查发电机本体及所连接的一次回路，如接地点在发电机外部，应设法消除。如将厂用电倒地相对地电压降低(或等于零)，非接地相对地电压升高(大于相电压但不超过线电压)，而线电压仍平衡。假接地时，相对地电压不会升高，线电压也不平衡。
二、同步发电机定子单相接地故障暂态仿真及保护方案
定子绕组单相接地故障是发电机最常见的一种故障，而且往往是更为严重的绕组内部短路故障发生的先兆，定子绕组单相接地保护的可靠与灵敏动作可以大大降低内部短路故障的发生几率，减少故障造成的损失。本文首先提出了利用基波零序电压构成的定子接地保护的原理，这种保护的方法简单可靠，但是由于整定值较高，因此，当中性点附近发生接地时，保护装置不能动作，因而在中性点附近会出现死区。为了弥补在中性点附近存在的死区，实现100%定子接地保护，我们提出了基于稳态的三次谐波电压的保护，但是传统的三次谐波电压保护在运行中容易误动，并且随着定子绕组对地电容的增加，灵敏度降低，很难满足目前对保护灵敏度不断提高的要求。目前，基于稳态量的基波零序电压与三次谐波电压保护组合实现100%定子绕组接地保护得到广泛的应用。但是，当接地故障的过渡电阻较大时，故障前后的稳态量变化很小，但故障后仍存在故障暂态过程，根据发电机发生定子单相接地故障后机端和中性点零序电压故障暂态分量近似相同的特点，提出了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;第一种形式将基波零序电压与三次谐波电压分开处理;第二种形式无需将两者分开，直接把机端和中性点两侧零序电压故障暂态分量的和与差作为保护动作信号与制动信号，通过比较相应信号的谱能量大小检测定子单相接地故障。
1、单相接地故障保护方案研究的重要意义
我国电力工业已基本进入大电网、大电厂、大机组、高电压输电、高度自动控制的`新时代。由于发电机单机容量很大，其安全运行与否直接影响电网的稳定性。同时，现代大型发电机结构复杂、造价昂贵，一旦发生故障遭受损坏，停机检修需要较长时间，将造成巨大的直接和间接经济损失。这些都对发电机的安全保障-继电保护系统在可靠性、灵敏性、选择性和快速性等方面提出了更高的要求。
运行经验和理论分析表明，定子绕组内部故障对发电机的破坏最为严重。相比之下，虽然定子绕组单相接地故障对发电机的损伤程度较小，但由于它是发电机最常见的一种故障，而且往往是更为严重的内部相间或匝间短路故障发生的先兆，定子绕组单相接地保护的可靠与灵敏动作可以大大降低更为严重的内部短路故障发生几率。如果定子单相接地故障电流不大，对发电机定子铁芯的损伤就可以避免，故障造成的经济损失减少。因此，定子绕组单相接地保护对预防严重的内部短路故障具有重要意义。
2、国内外关于单相接地故障保护方案研究的发展现状
目前广泛应用的较为成熟的传统的发电机定子单相接地保护方案有以下两种。第一种是双频式定子单相接地保护，是对基波零序电压型保护方案和三次谐波电压型保护方案的统称。其中基波零序电压型保护方案是在发生单相接地时，通过检测机端或中性点处零序电压来判别接地故障，简便易行。但由于发电机三相绕组对地电容不完全对称，正常时中性点存在位移电压，该方案在中性点附近存在保护死区，并且保护区内经过渡电阻接地时灵敏度不高，高压侧系统或高压厂用变低压系统发生单相接地故障可能引起保护误动。三次谐波电压型定子接地保护是利用单相接地故障前后发电机中性点与机端处三次谐波电压变化特点不同构成的。正常运行时，中性点三次谐波电压比机端三次谐波电压大;而在中性点附近发生接地故障时，机端三次谐波电压增大，中性点三次谐波电压降低。基于稳态量的三次谐波电压型保护主要是为了消除基波零序电压型接地保护在中性点附近的保护死区。二者相配合就构成了100%双频式定子接地保护。
仅利用机端或中性点单侧三次谐波电压构成的保护灵敏度较低，且保护范围较小，受运行工况影响很大。由机端和中性点双侧三次谐波电压构成的判据，由于能够综合考虑三次谐波电压的大小和相位变化，因而具有更高的灵敏度和可靠性，。但由于利用的是稳态量，所以当接地过渡电阻较大、故障位置在发电机绕组中部附近时，机端和中性点三次谐波电压变化量很小，保护的灵敏度较低。
第二种外加电源注入式定子接地保护这类保护是根据发电机正常运行时整个三相定子回路对地是绝缘的，而发生单相接地故障时这种对地绝缘就被破坏，这是最直接区分正常运行和故障的特征，在发电机定子回路与大地之间外加了一个信号电源。正常运行时，信号电源不产生电流或产生的电流很小。发生接地故障时，该电源产生相应频率的较大接地电流，使保护动作。因为信号是外加的，不受接地位置的限制，能完成100%定子接地保护的目的。该类保护在发电机静止、启停和运行过程中均有保护作用，灵敏度高并有可以进行绝缘监测的突出优点，有广泛的应用前景。但均需外加信号电源，对电压的可靠性和性能有较高的要求，现场调试也比较复杂。
三、定子单相接地保护的展望
近年来，新技术不断在电力系统中应用也为继电保护的发展奠定了坚实的物质基础光学电流、电压互感器的开发和应用，高性能数字信号处理器(DSP)等新器件都会对发电机保护的性能产生深刻的影响。而且一些学者把自适应理论、模糊集理论、人工神经网络和专家系统等智能理论和技术应用到继电保护中，大大丰富了继电保护理论，并促进了其发展。
由于灵敏度直接受发电机三次谐波电势的影响，由三次谐波构成的保护运行不太稳定。传统的基波零序和外加电源型保护方案基本上是基于稳态量的，已比较成熟，而且其灵敏度的提高是有限的。所以当前应着重致力于新型基于暂态量保护的研究。
如上所述，我国在发电机定子单相接地暂态保护方面应用自适应和故障分量原理取得了一些进展。但这些保护方案，在处理灵敏度和可靠性之间关系方面还存在不足，还需进一步研究。另外，由于汽轮发电机的三次谐波电压分布规律较强，一些新开发的方案都是针对汽轮发电机的，所以有必要针对水轮发电机的三次谐波电压的特点及其保护方案进行研究。
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