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发电机定子接地的方式和危害 |
摘要：发电机定子接地是指发电机定子绕组回路与定子绕组回路直接相连的一次系统发生的单相接地短路。定子接地按接地时间长短可分为瞬时接地、断续接地和永久接地；按接地范围可分为内部接地和外部接地；按接地性质可分为金属性接地、电弧接地和电阻接地；按接地原因可分为真接地和假接地。当发生定子接地故障的情况下，电流会从相位流向地，导致电路故障，甚至可能对设备和人员造成危害。因此，发电机定子接地问题需要及时处理。
一、发电机定子绕组单相接地的特点
斯坦福一般都是使用低压发电机，其中性点都是不接地或经消弧线圈接地的，因此，当发电机内部单相接地时，流经接地点的电流仍为发电机所在电压网络（即与发电机有直接电联系的各元件）对地电容电流之总和，而不同之处在于故障点的零序电压将随发电机内部接地点的位置而改变。
如图1、图2：假设A相接地发生在定子绕组距中心点a处，a表示由中心点到故障点的绕组占全部绕组匝数的百分数，则故障点各相电势为aEA、aEB、aEC；而各相对地电压分别为：
UAD=0
UBD=aEB-aEA
UCD=aEC-aEA
因此，故障点的零序电压为
Ud0（a）=（UAD+UBD+UCD）=-aEA3
上式表明，故障点的零序电压等于故障相的电势，再反一个方向，但是前面要乘一个a，说明发电机定子绕组单相接地时，故障点的零序电压将随着故障点位置的不同而改变。同样我们也可以求出发电机的零序电容电流和网络的零序电容电流分别为
&f=j3wC0 f U&
d0（a）=-j3wC0 faE&A j3wC0lU&
d 0（a）=-j3wC0laE&A
则故障点总的接地电流即为
d（a）=-j3w（C0 f+C0l）aE&A
当发电机内部单相接地时，实际上无法直接获得故障点的零序电压Ud0（a），而只能借助于机端的电压互感器来进行测量。机端各相的对地电压分别为
UAD=（1-a）EA
UBD=EB-aEA
UCD=EC-aEA
由此可求得机端的零序电压为
Ud0=1/3UAD+UBD+UCD=-aE A=Ud0（a）
由于取得了零序电流和零序电压，因此我们可以利用零序电流构成定子接地保护，也可以利用零序电压构成定子接地保护。但是无论是零序电流和零序电压的接地保护，对定子绕组都不能达到100%的保护范围。这对于大容量的机组而言，由于振动较大而产生的机械损伤或发生漏水等原因，都可能使靠近中性点附近的绕组发生接地故障。如果这种故障不能及时发现或消除，则一种可能是进一步发展成匝间或相间短路；另一种可能是如果又在其它地点发生接地，则形成两点接地短路。
这两种结果都会造成发电机的严重损坏，因此，对大型发电机组，特别是定子绕组用水内冷的机组，应装设能反应100%定子绕组的接地保护，100%定子接地保护装置一般由两部分组成，即是利用三次谐波电压和基波零序电压配合工作。其中三次谐波电压构成的接地保护可以反应发电机绕组中a＜50%范围以内的单相接地故障，且当故障点接近于中性点时，保护的灵敏性越高；而利用基波零序电压构成的接地保护，则可以反应a＞15%以上范围的单相接地故障，且当故障点越接近于发电机出线端时，保护的灵敏性越高。因此，利用三次谐波电压比值和基波零序电压的组合，构成了100%的定子接地保护。
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图1 发电机定子绕组接地故障电压电流分布图 |
图2 发电机定子绕组接地故障电压电流相量图 |
二、定子接地的分类和危害
同步交流发电机接地装置电路如图3所示，一般地线连接方法如图4所示。
1、定子接地的分类
（1）定子接地按接地时间长短可分为瞬时接地、断续接地和永久接地;
（2）按接地范围可分为内部接地和外部接地;按接地性质可分为金属性接地、电弧接地和电阻接地;
（3）按接地原因可分为真接地和假接地。
2、中性点的接地方式
发电机中性点的接地方式与定子单相接地故障电流的大小、定子绕组的过电压、定子接地保护的实现等因素有关，尽管接地方式不同，但均要求单相接地电流尽量小些，动态过电压倍数低些和易于实现高灵敏度的定子接地保护。我国目前应用的发电机中性点接地方式主要有以下几点。
（1）中性点经单相电压互感器（TVo）接地
这种方事其实是利用了中性点不接地，而发电机中心点只是利用单相电压互感器来测量基波电压以及三次谐波电压。采用这种接地方式需要使发电机的单相接地电容电流小于安全电流，想要保护无死区的定子接地也是可以的，但是需要注意不要使用互感器铁芯的工作磁密太高的单相电压，一般情况下起一次的额定电压即可为发电机的额定电压。
（2）中性点经配电变压器高阻接地
这种方案是靠调整中性点接地变压器二次侧的电阻来限制接地故障时的有功电流。采用这种接地方式的目的，主要是为了降低机端金属性接地时，健全相发电机定子绕组过电压，减小发生谐振的可能性。
（3）中性点经消弧线圈接地（欠补偿方式)
发电机中性点经消弧线圈接地后，可使接地故障电流减小到安全电流以下（300 MW及上以发电机一般都欠补偿到1 A以下），从而有效地防止了接地故障发展成相间或匝间短路。
3、定子接地的危害
发电机的中性点是绝缘的，如果一相接地，表面看构不成回路，但是由于带电体与处于地电位的铁芯间有电容存在，发生一相接地，接地点就会有电容电流流过。单相接地电流的大小，与接地绕组的份额成正比。当机端发生金属性接地，接地电流最大，而接地点越靠近中性点，接地电流越小，故障点有电流流过，就可能产生电弧，当接地电流大于5A时，就会有烧坏铁芯的危险。
（1）输出功率下降：因为接地会导致电路中短路现象，电流流失，功率自然而然下降。
（2）发电机振动大：由于过电流引起的机械振动和励磁系统的短路，也会导致振动大的现象。
（3）设备损坏：接地电流会引起设备局部过热烧毁，引起设备故障。
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图3 发电机定子接地保护装置电路图 |
图4 发电机定子地线连接示意图 |
三、定子接地的现象判断和处理
1、发电机定子接地的原因
发电机定子接地是指发电机定子绕组中出现与接地的情况。造成发电机定子接地的原因有以下几种：
（1）绝缘击穿或老化：定子线圈绕制在铁芯上，绝缘层起到隔离的作用。如果绝缘层破损或老化，会导致电流从绕组中直接流向铁芯，并与接地发生联系。
（2）机械损伤：在运行中，发电机中的零部件可能会发生故障或机械损伤，如定子铁芯变形、线圈短路等，导致接地。
（3）安装误差：发电机的安装过程中，安装不到位或安装过程中发生误操作，可能会导致定子绕组的接地现象。
（4）过电压。在电网过电压的情况下，定子绕组会产生过电压，在长时间的过电压作用下会出现绕组接地。
（5）绕组短路：发电机定子绕组中的两个相位之间发生短路，也会导致接地故障。
（6）接线错误：发电机定子绕组的接线错误也会导致接地故障。
2、故障判断方法
（1）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3U0=3ⅹ100/3=100V。
（2）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。
（3）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。
3、发电机定子接地的处理
（1）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。
（2）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。如将厂用电倒为备用电源供电，观察接地是否消失。如果接地无法消除，对于200MW以上的机组，应在30min内停机。如果查明接地点在发电机内部（在窥视孔能见到放电火花或电弧），应立即减负荷停机，并向上级调度汇报。如果现场检查不能发现明显故障，但“定子接地”报警又不消失，应视为发电机内部接地，30min内必须停机检查处理。
（3）若判明为假接地，应检查并判明发电机电压互感器熔断器熔断的相别，视具体情况带电或停机更换熔断器。
总结：
发电机定子接地故障是发电机的常见故障之一，由于大型发电机在电力系统中占有重要地位，其铁芯工作磁密很高、材料利用率高、造价昂贵、结构复杂、损坏后修复工作困难。基于此，文章结合具体案例，分析了定子接地的原因，并提出了故障处理及预防措施。总之，发电机定子接地是一种常见的电机故障，需要引起足够的重视。在发电机的检测、维护和管理方面，应采取一系列措施，尽可能减少发电机定子接地的发生，保持发电机的长期稳定运行。
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