发电机定子单相接地故障电流的计算和测试

时间：2024-07-28

陈敏，郭爱军

（国家能源集团江西电力有限公司万安水力发电厂，江西吉安 343800）

1 引言

发电机定子接地故障是最常见的发电机故障，大型发电机组在发生接地故障时会产生较大的对地电容电流，为将接地故障电流限制在允许范围内，中性点常采用消弧线圈接地方式运行，而测试发电机定子单相接地故障电流是为了检验发电机在发生单相接地时消弧线圈是否能够有效地补偿故障电流，保证接地电弧瞬间熄灭，以消除弧光间歇接地过电压，防止事故进一步扩大为匝间或相间短路。

需要知道发电机单相接地故障电流的大小，究其原因，主要有3点。

（1）发电机的定子一点接地保护动作出口方式的整定和这个电流大小有关。根据DLT 684-2012《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》的规定，当发电机定子单相接地故障电流大小超过规定值，发电机定子一点接地保护动作后就必须出口跳闸停机，而小于这个值，则允许保护仅动作于告警，由运行值班人员确认后，采取转移负荷解列停机的方式进行处置。

（2）知道中性点不接地时发电机单相接地故障电容电流的大小后，与消弧线圈标注的补偿电流比较，可以定性地判断消弧线圈是否工作在欠补偿状态。

（3）消弧线圈投入后发电机单相接地故障电流必须小于制造厂的规定，制造厂无明确规定时，这个电流应小于15 A，否则在运行中发生定子绕组内部单相接地故障，有可能对定子铁心造成不可修复的损伤。

本文以万安水力发电厂1号发电机为例，通过简单估算和现场实测这两种方法对发电机定子单相接地故障电流进行讨论，所得结论不一定适合其它发电厂，仅供同行参考。

2 发电机定子单相接地故障电流的计算

发电机定子单相接地故障点可能在定子绕组从机端到中性点的任意位置，但因为机端对地电压最高，所以在机端发生单相接地故障时故障电流最大，因此，我们只计算机端单相接地时的故障电流。

2.1 发电机中性点不接地时，定子单相接地故障电容电流的计算

通常采用如图1、2所示电路及矢量图分析发电机中性点不接地时的单相接地故障。

其中图1所示为中性点不接地系统C相接地故障分析电路，发电机机端C相发生接地短路，非故障的A、B相的对地电容被等效为发电机机端的集中参数电容Co（假定各相对称，各相对地电容相等），N为发电机的中性点。

图1 中性点不接地系统C相接地故障分析电路

图2 中性点不接地系统C相接地故障矢量图

图2 所示为中性点不接地系统C相接地故障时的电压电流矢量图。根据矢量分析，可以得到C相接地短路时电容电流的计算式如下：

故障点总的短路电容电流：

非故障的A、B相各自提供的短路电容电流：

故障相C相提供的短路电容电流：

式中：

I0——单相接地短路时流入故障点的总电容电流我们平时所说的单相接地故障电容电流即指这个电流；

IA0、IB0、IC0——A、B、C相各自提供的电容电流；

Uph——相电压；

Co——单相对地电容；

ω——电角度频率（ω=2πf，对于基波，f=50 Hz）。

2.2 我厂1号机组发电机中性点不接地时，单相接地故障电容电流计算

1号机组的主接线如图3所示，发电机额定功率为105 MW，定子额定电压为15.75 kV。主变1B为110 kV/15.75 kV变压器，额定容量为120 000 kVA。厂变11B为15.75 kV/10 kV变压器，额定容量为5 000 kVA。

图3 1号机组主接线图

对于1号机组中性点不接地时单相接地故障，需要计算两种运行方式下的故障电流：

（1）当发电机出口隔离刀闸9101G拉开，计算发电机空载运行下的单相接地故障电容电流，并用这个电流值与中性点消弧线圈当前运行档位下的标称补偿电感电流进行比较，确认发电机空载运行下发生单相接地故障时，中性点消弧线圈补偿的电感电流小于单相接地故障时的电容电流，即处于欠补偿状态。

（2）发电机出口隔离刀闸9101G合上，厂用电支路9011G刀闸及901DL开关合上，即发电机接带主变1B及高压厂用电变压器11B状态下，计算发电机的单相接地故障电流，在此种运行方式下，发电机单相对地电容值最大，单相接地故障时的电容电流最大。

依据式（1），计算单相接地故障总电容电流Io时，需要知道对地电容的大小。我们分别测量了主变1B低压侧对地三相电容，厂用电变压器11B高压侧对地三相电容，发电机定子绕组三相电容，测得结果分别是30.15 nF、8.8 nF、2.3 μF。测量方法是用电容表在图3所示的a、b、c点位置测量对地电容，注意测量时变压器、发电机两侧从高低压侧隔离，发电机的消弧线圈刀闸拉开，并事先用接地线对变压器及发电机绕组充分放电。

根据上述电容测量结果，计算单相对地电容Co。

当发电机出口隔离刀闸9101G拉开，发电机空载运行时，定子单相对地电容Co为：

当发电机接带主变1B及高压厂用电变压器11B状态下，发电机机端单相对地电容Co为：

发电机额定相电压：

电角度频率（对于基波，f=50 Hz）ω=2πf=314；

分别代入式（1）计算1号机组单相接地故障总电容电流Io，结果如表1所示。

表1 消弧线圈拉开时故障点电容电流计算值

依据表1计算结果，对发电机空载运行时中性点消弧线圈补偿状态核对如下：

1号机组的消弧线圈型号为XDJ1-120/15，额定相电压9 100 V，消弧线圈共有5个档位，当前运行档位I档，该档位的标称补偿电感电流6.3 A，小于故障总电容电流计算结果6.57 A，消弧线圈处于欠补偿状态。

2.3 我厂1号发电机中性点经消弧线圈接地时，单相接地故障电流计算

当发电机中性点经消弧线圈接地，发生单相接地故障时，流入故障点的总的故障电流，除了前述电容电流，还有消弧线圈提供的电感电流，这两个电流呈180°，互相抵消。中性点经消弧线圈接地系统C相接地故障电流分布示意如图4所示。

图4 中性点经消弧线圈接地，C相接地故障电流分布示意图

依据前面电容电流计算结果及消弧线圈当前运行档位的标称补偿电感电流，简单相减即得到总的故障电流，如表2所示。

表2 消弧线圈投入时故障点电流计算值

依据表2计算结果，并根据《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》的相关规定，1号发电机的定子一点接地保护动作出口方式可以整定为延时告警。

3 发电机定子单相接地故障电流的测试

实际模拟试验考虑到本试验的危险性，为安全起见，做这个试验时，一般不做全电压接地，只做20%～30%电压下接地，然后将实测值线性外推，计算得到全电压下的故障电流。

图5 1号机组单相接地故障试验接线图

2020年，我们委托电科院对我厂1号机组进行了单相接地故障试验，试验接线如图5所示。试验时发电机出口隔离刀闸9101G合上，厂用电支路9011G刀闸及901DL开关合上，即发电机接带主变1B及高厂变11B状态下的测试，但主变1B高压侧及厂变11B低压侧断开。图5中，电压表V测量正常运行时的中性点偏移电压；电流表A1测量短路时中性线电流IL，也即消弧线圈补偿电流；电流表A2测量接地时流入故障点的总故障电流Ik。分别在消弧线圈拉开和消弧线圈投入两种方式下测量。

3.1 消弧线圈拉开时，单相接地故障电容电流测试

表3 消弧线圈拉开时故障点电容电流测试结果

消弧线圈拉开，发电机接带主变1B及高厂变11B运行，此时消弧线圈补偿电流为0，机端短路时总的短路电流即故障总电容电流Io，计算结果为6.77 A，试验测试结果为6.65 A，两者基本一致，误差很小。

3.2 消弧线圈投入时单相接地故障电流测试

表4 消弧线圈投入时故障点电流测试结果

消弧线圈投入，发电机接带主变1B及高厂变11B运行，此时，机端短路时总的短路电流Ik为故障总电容电流Io叠加消弧线圈补偿电流后的残余电流，计算结果为0.47 A，试验测试结果为0.8 A，两者误差较大，相差1.7倍。这个误差的主要来原是消弧线圈补偿的电感电流，计算所用的铭牌值为6.3 A，但根据测试数据的推算值为6.04 A。