水轮发电机定子绕组单相接地故障分析

摘要：定子绕组作为水轮发电机的重要组成部分之一，如果发生故障，尤其是单相接地故障，则会对整个机组的正常运行造成影响。基于此点，文章从水轮发电机定子绕组单相接地故障的危害分析入手，详细论述了水轮发电机定子绕组单相接地故障及保护方案。期望通过本文的研究能够对水轮发电机运行可靠性的提升有所帮助。

关键词：水轮发电机；定子绕组；单相接地；故障；保护 1水轮发电机定子绕组单相接地故障的危害分析

水轮发电机是一种大型的发电设备，定子绕组是该设备的重要组成部分之一，在水轮发电机运行的过程中，定子绕组常常会发生单相接地故障，这是较为常见的电气故障。当发电机的定子绕组出现单相接地之后，若是保护未能正常动作，则会使非故障相绕组的对地电压随之升高，变为线电压，这样一来，极有可能造成定子绕组绝缘中较为薄弱的部位出现接地，进而形成两点接地短路，一旦发生短路，会导致事故范围进一步扩大。不仅如此，在单相接地故障发生后，从故障点处流过的电容电流会产生电弧，受到电弧的影响，定子铁芯可能会烧损，从而引起匝间或是相间短路，容易造成发电机严重受损，短路电流越大且持续的时间越长，发电机受损的程度就越严重。鉴于水轮发电机定子绕组单相接地故障的危害性，必须在故障出现时，采取合理可行的方法和措施，对故障进行处理，争取在最短的时间内消除故障，使水轮发电机恢复正常运行，以此来降低故障损失。 2水轮发电机定子绕组单相接地故障及保护方案 2.1故障问题

某水电站中的水轮发电机组在运行的过程中，监控系统发出如下提示：A、B盘发电机保护定子接地保护动作，总出口动作、电气事故停机。当机组出现故障后，通过对故障录波进行查看发现，保护动作为A、B套定子接地保护，从录波波形中可以获悉机端开口三角电压故障时的电压值为12.74V，经过0.5s的延时之后正常跳闸。当发生故障时，定子绕组中A相的电压值为64V，B相和C相的电压值分别为45.8V和56.2V，定子绕组A和C相的电流相同，为0.713A，B相电流为0.724A。检修人员根据故障录波，初步判断水轮发电机定子绕组中的B相发生单相接地故障。

2.2故障检查步骤及要点

2.2.1当接到监控系统发出的报警之后，维修人员快速赶往现场，对故障进行检查。到达现场之后，先对主变低压侧、出口母线以及励磁高压侧进行检查，但均为发现异常现象；随后通过摇表对定子绕组的绝缘进行测试，结果发现，定子绕组的绝缘电阻为0Ω。由故障录波可知，水轮发电机定子绕组的B相电压在故障发生后出现了较为明显的下降现象，维修人员在对保护动作进行分析后，初步将接地故障点位确定为B相。

2.2.2为进一步验证，一组维修人员对风洞进行检查，另一组维修人员对发电机定子绕组的B相软连接进行检查，分别对定子绕组中的A、B、C三相进行绝缘电阻测试，其中A相和C相均可以增加电压至2500V，并且绝缘电阻值也基本正常，为43.5MΩ，而对B相增加电压时，只能够加到500V左右，此时得到的绝缘电阻值仅为0.23MΩ。由此可见，发电机定子绕组单相接地的故障点位在B相上。 2.2.3当单相接地故障的点位明确之后，维修人员对定子线圈的分布情况进行观察，在上风洞听到几个槽存在放电的异响声，随后对这几个槽进行检查，发现

其中一个槽的挡风板螺栓断裂，垫片插入线棒内，致使线棒对铁芯放电。 2.3故障分析与处理

2.3.1成因分析。当故障发生之后，维修人员通过对水轮发电机以往的维护检修记录进行查询后发现，在去年的一次冬季检修时，机组挡风板有一处较为明显的裂纹，并在检修中对挡风板进行更换，但在更换挡风板时，因配套的螺栓缺失，所以并未对螺栓进行更换，而是使用原有挡风板的螺栓替代，原有的螺栓材质为不锈钢，当扭矩达到55Nm后，螺栓出现断裂。因螺栓重复使用，导致碟簧变形，压紧力下降。造成此次定子绕组单相接地故障的主要原因是未更换配套螺栓，重复使用原有螺栓使碟簧变形，弹性补偿达不到要求，在运行中出现松动的迹象，与螺杆产生摩擦，致使碟簧发热，磨断螺杆。碟簧受到风力作用，逐步侵入到线棒当中，从而使主绝缘破坏，而铜导体经垫片向铁芯放电，造成单相接地故障。 2.3.2故常处理方法。找到故障原因之后，维修人员对击穿的线棒进行更换处理，并对烧损的铁芯叠片进行修复，选用新的螺栓和垫片对挡风板进行重新固定，并将该螺栓的检修列入到检修项目当中，定期对其状态进行评估。在故障处理的过程中，对挡风板进行拆卸时，必须严格按照三级验收程序执行，螺栓及垫片紧固完毕后，应通过画线的方法进行标识，为定期检查提供便利条件。故障排除后，水轮发电机恢复正常运行，机组运行至今，该故障问题未再次出现。 2.4接地保护方案

由于水轮发电机定子绕组单相接地故障的发生几率较高，一旦故障发生，将会对机组的正常运行造成影响。为减少并避免此类故障问题的发生，降低故障损失，应当做好定子绕组单相接地保护，这是水轮发电机继电保护的关键内容。国内很多水电站采用的保护方法是基波零序电压加三次谐波电压保护，以此来实现对定子绕组的接地保护。虽然这种保护方法简单可靠，但在实际应用中发现，接地保护的死区较大，且保护容易发生误动作，尤其是在对地电容增大的情况下，保护的灵敏度会大幅度降低。为解决这一问题，提高接地保护的可靠性，下面提出一种基于故障分量的保护方案。

2.4.1保护原理。水轮发电机处于正常运行状态时，机端与中性点之间的三次谐波电压的相位差在90°-180°之间，如果因为某些原因，如改变机组运行方式等，使三次谐波电压发生变化时，变化量的比值会处于近似不变的情况，相位差也会保持基本一定的规律。如果向量的夹角超过90°，那么向量和的模会小于差的模；若是向量的夹角在90°以内时，则向量和的模要与差的模大。基于这一前提，以故障分量的和作为保护动作量，以差作为制动量，能够使定子绕组接地保护的灵敏度获得大幅度提升。图1 为三次谐波电压故障分量的简化电路。

2.4.2保护方案。按照水轮发电机定子绕组单相接地故障发生前后，机端与中性点的零序电压变化情况，提出基于故障分量实现接地保护的方案。

①在方案中，可用工频周期对故障分量的计算间隔进行确定，结合实际情况，可为一个周期，也可为两个周期。以故障分量的相位差作为保护动作的选择性判据，能够使动作可靠性获得大幅度提升，根据保护原理可知，在相位差超过90°的情况下，故障分量基本相同，而当相位差接近0°时，整定小于90°即可满足保护要求。

②为在现有的基础上，使保护动作判据的可靠性进一步提升，避免干扰的影响，可在判据连续满足N次后，判断定子绕组发生单相接地故障，其中N可以取1/2个工频周期内的采样点数。从水轮发电机安全、稳定、可靠运行的角度出发，发电机定子绕组的单相接地保护至少应当具备如下性质：当单相接地故障发生时，只要特征信号的幅值出现轻微变化，判据

便应当动作。而在机组处于正常运行状态时，即便特征信号出现缓变，判据也不应当动作。本文所提出的保护方案中动作判据能够满足上述要求，这是因为故障分量是定子绕组单相接地故障突变程度的集中体现，而增量所具有的近似性，使得判据的动作量要大于制动量，因此，保护能够灵敏地动作。

③当机端与中性点的相位差超过90°时，即使电压出现较大的缓变，判据的动作量始终小于制动量，所以不会出现误动作的情况。这种保护方案不但具有较强的鲁棒性，而且整定过程非常简单，通过该方案对水轮发电机的定子绕组进行保护，能够使单相接地故障的影响范围降至最低程度。 结论：

综上所述，水轮发电机在运行的过程中，受到一些因素的影响，使得定子绕组常常会出现单相接地故障，一旦该问题发生，将会使机组无法保持正常运行，从而严重影响水电站的生产效率。为此，应当在定子绕组单相接地故障出现后，及时查明故障成因，并采取行之有效的方法和措施加以处理，从而消除故障，使机组恢复运行。同时，应对定子绕组接地保护方案进行优化改进，提高保护的动作灵敏度，避免误动作，这对于故障率的降低具有重要的现实意义。 参考文献

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