新聞主題	發電機定子接地的方式和危害

摘要：發電機定子接地是指發電機定子繞組回路與定子繞組回路直接相連的一次系統發生的單相接地短路。定子接地按接地時間長短可分為瞬時接地、斷續接地和永久接地；按接地范圍可分為內部接地和外部接地；按接地性質可分為金屬性接地、電弧接地和電阻接地；按接地原因可分為真接地和假接地。當發生定子接地故障的情況下，電流會從相位流向地，導致電路故障，甚至可能對設備和人員造成危害。因此，發電機定子接地問題需要及時處理。

 

一、發電機定子繞組單相接地的特點

 

      斯坦福一般都是使用低壓發電機，其中性點都是不接地或經消弧線圈接地的，因此，當發電機內部單相接地時，流經接地點的電流仍為發電機所在電壓網絡（即與發電機有直接電聯系的各元件）對地電容電流之總和，而不同之處在于故障點的零序電壓將隨發電機內部接地點的位置而改變。

      如圖1、圖2：假設A相接地發生在定子繞組距中心點a處，a表示由中心點到故障點的繞組占全部繞組匝數的百分數，則故障點各相電勢為aEA、aEB、aEC；而各相對地電壓分別為：

U_AD=0

U_BD=aEB-aEA

U_CD=aEC-aEA

      因此，故障點的零序電壓為

U_d0（a）=（U_AD+U_BD+U_CD）=-aEA3

      上式表明，故障點的零序電壓等于故障相的電勢，再反一個方向，但是前面要乘一個a，說明發電機定子繞組單相接地時，故障點的零序電壓將隨著故障點位置的不同而改變。同樣我們也可以求出發電機的零序電容電流和網絡的零序電容電流分別為

&f=j3wC0 f U&

d0（a）=-j3wC0 faE&A j3wC0lU&

d 0（a）=-j3wC0laE&A

      則故障點總的接地電流即為

d（a）=-j3w（C0 f+C0l）aE&A

      當發電機內部單相接地時，實際上無法直接獲得故障點的零序電壓Ud0（a），而只能借助于機端的電壓互感器來進行測量。機端各相的對地電壓分別為 

U_AD=（1-a）EA

U_BD=EB-aEA

U_CD=EC-aEA

      由此可求得機端的零序電壓為

U_d0=1/3U_AD+U_BD+U_CD=-aE A=U_d0（a）

      由于取得了零序電流和零序電壓，因此我們可以利用零序電流構成定子接地保護，也可以利用零序電壓構成定子接地保護。但是無論是零序電流和零序電壓的接地保護，對定子繞組都不能達到100%的保護范圍。這對于大容量的機組而言，由于振動較大而產生的機械損傷或發生漏水等原因，都可能使靠近中性點附近的繞組發生接地故障。如果這種故障不能及時發現或消除，則一種可能是進一步發展成匝間或相間短路；另一種可能是如果又在其它地點發生接地，則形成兩點接地短路。

      這兩種結果都會造成發電機的嚴重損壞，因此，對大型發電機組，特別是定子繞組用水內冷的機組，應裝設能反應100%定子繞組的接地保護，100%定子接地保護裝置一般由兩部分組成，即是利用三次諧波電壓和基波零序電壓配合工作。其中三次諧波電壓構成的接地保護可以反應發電機繞組中a＜50%范圍以內的單相接地故障，且當故障點接近于中性點時，保護的靈敏性越高；而利用基波零序電壓構成的接地保護，則可以反應a＞15%以上范圍的單相接地故障，且當故障點越接近于發電機出線端時，保護的靈敏性越高。因此，利用三次諧波電壓比值和基波零序電壓的組合，構成了100%的定子接地保護。

 

圖1  發電機定子繞組接地故障電壓電流分布圖

圖2  發電機定子繞組接地故障電壓電流相量圖

 

 

二、定子接地的分類和危害

 

 

      同步交流發電機接地裝置電路如圖3所示，一般地線連接方法如圖4所示。

1、定子接地的分類

（1）定子接地按接地時間長短可分為瞬時接地、斷續接地和永久接地;

（2）按接地范圍可分為內部接地和外部接地;按接地性質可分為金屬性接地、電弧接地和電阻接地;

（3）按接地原因可分為真接地和假接地。

2、中性點的接地方式

      發電機中性點的接地方式與定子單相接地故障電流的大小、定子繞組的過電壓、定子接地保護的實現等因素有關，盡管接地方式不同，但均要求單相接地電流盡量小些，動態過電壓倍數低些和易于實現高靈敏度的定子接地保護。我國目前應用的發電機中性點接地方式主要有以下幾點。

（1）中性點經單相電壓互感器（TVo）接地

      這種方事其實是利用了中性點不接地，而發電機中心點只是利用單相電壓互感器來測量基波電壓以及三次諧波電壓。采用這種接地方式需要使發電機的單相接地電容電流小于安全電流，想要保護無死區的定子接地也是可以的，但是需要注意不要使用互感器鐵芯的工作磁密太高的單相電壓，一般情況下起一次的額定電壓即可為發電機的額定電壓。

（2）中性點經配電變壓器高阻接地

      這種方案是靠調整中性點接地變壓器二次側的電阻來限制接地故障時的有功電流。采用這種接地方式的目的，主要是為了降低機端金屬性接地時，健全相發電機定子繞組過電壓，減小發生諧振的可能性。

（3）中性點經消弧線圈接地（欠補償方式)

      發電機中性點經消弧線圈接地后，可使接地故障電流減小到安全電流以下（300 MW及上以發電機一般都欠補償到1 A以下），從而有效地防止了接地故障發展成相間或匝間短路。

3、定子接地的危害

     發電機的中性點是絕緣的，如果一相接地，表面看構不成回路，但是由于帶電體與處于地電位的鐵芯間有電容存在，發生一相接地，接地點就會有電容電流流過。單相接地電流的大小，與接地繞組的份額成正比。當機端發生金屬性接地，接地電流最大，而接地點越靠近中性點，接地電流越小，故障點有電流流過，就可能產生電弧，當接地電流大于5A時，就會有燒壞鐵芯的危險。

（1）輸出功率下降：因為接地會導致電路中短路現象，電流流失，功率自然而然下降。

（2）發電機振動大：由于過電流引起的機械振動和勵磁系統的短路，也會導致振動大的現象。

（3）設備損壞：接地電流會引起設備局部過熱燒毀，引起設備故障。

 

圖3  發電機定子接地保護裝置電路圖

圖4  發電機定子地線連接示意圖

 

三、定子接地的現象判斷和處理

 

1、發電機定子接地的原因

      發電機定子接地是指發電機定子繞組中出現與接地的情況。造成發電機定子接地的原因有以下幾種：

（1）絕緣擊穿或老化：定子線圈繞制在鐵芯上，絕緣層起到隔離的作用。如果絕緣層破損或老化，會導致電流從繞組中直接流向鐵芯，并與接地發生聯系。

（2）機械損傷：在運行中，發電機中的零部件可能會發生故障或機械損傷，如定子鐵芯變形、線圈短路等，導致接地。

（3）安裝誤差：發電機的安裝過程中，安裝不到位或安裝過程中發生誤操作，可能會導致定子繞組的接地現象。

（4）過電壓。在電網過電壓的情況下，定子繞組會產生過電壓，在長時間的過電壓作用下會出現繞組接地。

（5）繞組短路：發電機定子繞組中的兩個相位之間發生短路，也會導致接地故障。

（6）接線錯誤：發電機定子繞組的接線錯誤也會導致接地故障。

2、故障判斷方法

（1）發電機發出“定子接地”報警后，應判明接地相別和真、假接地。當定子一相為金屬性接地時，通過切換定子電壓表可測得接地相對地電壓為零，非接地相對地電壓為線電壓，各線電壓不變且平衡。定子絕緣電阻測量測得“定子接地”電壓表指示為零序電壓值。由于“定子接地”電壓表接在發電機電壓互感器開口三角繞組的兩端，因此，正常運行時“定子接地”電壓表的指示為零（開口三角形接線的三相繞組相電壓相量和為零），當定子繞組出現一相接地時，因開口三角形連接的二次繞組連接的三相繞組相電壓為100/3V，故“定子接地”電壓表的指示3U0=3ⅹ100/3=100V。

（2）如果一點接地發生在定子繞組的內部或發電機出口，且為電阻性，或接地發生在發變組主變壓器低壓繞組內，切換測量定子電壓表，測得接地相對地電壓大于零而小于相電壓，非接地相對地電壓大于相電壓而小于線電壓，“定子接地”指示小于100V。

（3）當發電機電壓互感器高壓側一相或兩相熔斷器熔斷時，其二次側開口三角繞組端電壓也要升高。如U相熔斷器熔斷，發電機各相對地電壓未發生變化，仍為相電壓，但電壓互感器的二次側電壓測量值因U相熔斷發生了變化，即UuvUwu降低，而Uvw仍為線電壓（線電壓不平衡），各相對地電壓Uu0Uw0接近相電壓，Uu0明顯降低（相對地無電壓升高），“定子接地”電壓表指示為100/3V，發“定子接地”信號（假接地）。

      真假接地的根本區別：真接地時，定子電壓表指示接地相對地電壓降低（或等于零），非接地相對地電壓升高（大于相電壓但不超過線電壓），而線電壓仍平衡。假接地時，相對地電壓不會升高，線電壓也不平衡。

3、發電機定子接地的處理

（1）規程規定

      容量在150MW及以下的發電機，當接地電容電流小于5A時，在未清除故障前允許發電機在電網一點接地的情況下短時運行，但最多不超過2h;單元接線的發電機變壓器組尋找接地的時間不得超過30min。對于容量或接地電容電流大于上述規定的發電機，當定子電壓回路單相接地時，要求立即將發電機解列并滅磁。這是考慮接地發生在發電機內部，接地電弧電流易使鐵心損壞，另外，接地電容電流能使鐵心熔化，熔化的鐵心又會引起損壞區域的擴大，使有效鐵心“著火”，由單相短路發展為相間短路。

（2）當接到“定子接地”報警后，應判明真、假接地。若判明為真接地，應檢查發電機本體及所連接的一次回路，如接地點在發電機外部，應設法消除。如將廠用電倒為備用電源供電，觀察接地是否消失。如果接地無法消除，對于200MW以上的機組，應在30min內停機。如果查明接地點在發電機內部（在窺視孔能見到放電火花或電弧），應立即減負荷停機，并向上級調度匯報。如果現場檢查不能發現明顯故障，但“定子接地”報警又不消失，應視為發電機內部接地，30min內必須停機檢查處理。

（3）若判明為假接地，應檢查并判明發電機電壓互感器熔斷器熔斷的相別，視具體情況帶電或停機更換熔斷器。

 

總結：

      發電機定子接地故障是發電機的常見故障之一，由于大型發電機在電力系統中占有重要地位，其鐵芯工作磁密很高、材料利用率高、造價昂貴、結構復雜、損壞后修復工作困難。基于此，文章結合具體案例，分析了定子接地的原因，并提出了故障處理及預防措施。總之，發電機定子接地是一種常見的電機故障，需要引起足夠的重視。在發電機的檢測、維護和管理方面，應采取一系列措施，盡可能減少發電機定子接地的發生，保持發電機的長期穩定運行。

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