电机系统接地与PT保险熔断电压变化分析

一． 前言

广东某电厂一期共5台600MW发电机组，均为上海汽轮发电机有限公司制造，电机型号为QFSN-600-2。其中1、2号机组以发变组单元接线方式与电网220KV系统相连，发电机出口不设独立开关；3、4、5号机组与电网500KV系统相连，发电机出口设独立开关与主变低压侧相连。发电机励磁系统为ABB供货的UNITROL-5000静态有刷励磁系统，励磁变压器从发电机封闭母线出口引接。发电机出口PT采用三组独立的单相电压感器，发电机中性点经接地变接地用于100%定子接地保护。

在机组正常运行时，发生过多起由于高压保险接触不良引起励磁系统调节异常故障，另1号机组发生过由于发电机至高厂变引出线间由于封母密封不严进水，导致机组接地保护动作跳闸事故。当发电机运行中监视零序电压有升高现象时，我们可以根据电气量的变化来加以分析判断，采取合理方法来避免或扩大事故。

由于现在大多数公司采用集控值班模式，运行人员普遍电气技能水平欠佳，分析和处理问题能力不足，耽误异常与事故处理时间。下面我们就发电机系统单相接地故障与发电机高低压保险熔断时电气量变化不同来展开分析。

二、系统接地与PT保险熔断电压变化分析：

1.中性点不接地系统接地时的电压变化分析：

① 正常运行时，加在电压互感器TV1的三相一次线圈的电压为UA0、UBO、UCO 。 把三相看成完全对称，则在二次侧感应相应的相电压Ua0、Ubo、Uc0 ，N1为TV1一二次线圈的匝数比。在开口三角形中三相感应电压Ua0′、Ubo′、Uc0′， N2为TV2一次线圈与开三角绕组的匝数比 ，则3U0= Ua0′+Ubo′+UCO′= （UA0+ UBO+ UCO）/ N2。

我们在实际运行中，通常规定二次侧测量绕组额定UCO线电压为100V，所以二次侧相电压Ua0=100/√3 V 。N1= UA0/ Ua0 =UN/√3 / 100/√3 ，由于系统三相可以看着完全对称，所以3U0=0V，我们可以认为系统没有零序电压产生。

②当发生单相接地时，以A相发生单相接地为例分析：

a: 当A相接地时，由于TV1一次侧A相绕组被短接，加在TV1一次侧A相绕组上的电压为零，则在A相绕组上没有电流流过，由于A相绕组上无交变电流，所以就没有交变的磁通存在，在二次侧也就没有感应电压，故Ua0=0。

加在TV1一次侧B相绕组的电压为电源线电压UAB 。所以实际上在二次侧测量绕组B相上的电压Ubo=UAB/N1 。 我们在二次侧所看到的实际上是线电压。

同样道理，TV1一次侧C相绕组的电压为电源线电压UBC。

由以上分析我们可以看出：当系统发生金属性接地时，对于不接地系统来说，接地相的电压为接近于零，而非接地相的电压升高为相电压的√3倍，显示为系统线电压。对于说发生单相接地故障时候，接地相电压为接近于零而不是零，主要是因为电压互感器一般为三相五柱式的电压互感器，二次侧A相绕组上受到B、C相磁通变化的影响。而现在大型发电机机组出口PT不再采用三相五柱式类型的，故相互之间不存在磁通影响，单相直接接地相电压为零。

b: 分析开口三角绕组的变化：

当发生A相单相接地故障的时候

3U0= Ua0′+Ubo′+UCO′= （UA0+ UBO+ UCO）/ N2= （UAB+ UBC） /N2

我们通常规定，对于不接地系统，当发生金属性单相接地的时候，二次侧零序电压为100V，所以实际上3U0=100V。可以计算变比N2=（UAB+ UBC）/100。

3U0的大小为3Ua，方向与Ua方向相反。

UAB+ UBC= 3Ua∠-1800

N2=（UAB+ UBC）/100= Ua/ 100/3

所以我们在实际上选择变比的时候，开三角二次绕组是测量保护二次绕组的变比的1/√3。经过以上分析我们可以看出不接地系统电压互感器变比的选择：

UN/√3 / 100/√3 /100/3

③当发生非金属性接地时

设流过接地的电容电流大小为IC ，则加在电阻R上的电压为RIC。所以

Ua0=RIC/ N1， Ub0=(UAB+RIC)/ N1，Uc0=(UAc+RIC)/ N1

RIC与 UA 方向相同

当发生非金属性接地的时候：

3U0= Ua0′+Ubo′+UCO′=（UAB+ UBC+3RIC）/N2=100V+3RIC/N2

故开三角的电压在0-100V之间 。

2高压保险熔断时的电压分析

①当发生一相高压保险熔断的时候，以C相为例分析，由于TV1一次侧C相绕组被断开， TV1一次侧C相绕组上则没有激磁电流流过，由于C相绕组上无交变电流，所以就没有交变的磁通存在，在二次侧也就没有感应电压。所以： UC0=0

加在TV1一次侧B相绕组的电压为电源相电压UB0 。所以实际上在二次侧测量绕组B相上的电压Ubo=UB0/N1 。 我们在二次侧所看到的实际上仍是相电压。

同样道理，TV1一次侧C相绕组的电压为电源线电压UC0。

由以上分析我们可以看出：

当电压互感器高压保险熔断的时候，熔断相电压为零，另两相电压大小不变，在测量系统线电压的线电势的时候，a、b相为全线电势100V，而a、c和b、c相的线电势则为相电势57.7V

②分析开口三角绕组的变化：

当发生C相高压保险熔断的时候：

Ua0′= UA0/N2， Ubo′= UBO/N2， UCO′= UCO /N2 =0

3U0= Ua0′+Ubo′+UCO′= （UA0+ UBO+ UCO）/ N2= （UB0+ Ua） /N2

实际上UB0+ Ua0 =- Uc0 ， 故 3U0=- Uc0/ N2

高压保险熔断的时候，开口三角显示电压为相电压的大小。

3低压保险熔断时的电压分析

当发生一相低压保险熔断的时候，由于TV1一次侧C相绕组被断开， 我们在测量线电势的时候，则a、b相线电势为100V，另两线电势为0.我们这分析是以空载二次母线来分析的电压测量大小。但是实际上，我们所接的二次电压回路中，二次是带有高阻抗负载的，所以实际上我们测量的时候就不是0了。当我们在测量a、c相线电势的时候，我们测量仪表可以走二次回路成为通路，实际上测量显示另外两线电势大小为50V左右，约为全电势的一半（其实计算时候，若以二次负载完全对称，测量电势就是全电势的一半）。

原则上分析空载母线时候，测量C相相电压为零，实际上测量时候应该为57.7V相电压的一半左右大小。

三、 高压保险接触不良时的电压分析：

该厂2、4号机组在系统与负荷稳定运行中曾发生零序电压升高，机端线电压发生变化，励磁电流波动现象。经电二与运行联合查找，用测温仪检测出有一PT高压保险温度异常，达到80度以上，更换保险后正常。故障处理过程：

①退出故障PT所对应的相关相关保护及励磁调节装置（切换通道），断开PT二次空开，对发电机故障PT停电。

②检查故障PT本体及熔断器，测量接触电阻。

③更换熔断器，重新投入PT运行，投入相关保护，检查励磁装置自动跟踪状态。

1、电压变化规律分析：

我们在实际工作中还应以分析测量电压的变化规律，便于及时找出故障的原因，及时处理，以免造成不必要的损失。下面就高压保险接触不良时电压变化规律做出分析，以供运行人员参考。

以C相为例，当C相保险接触不良的时候，实际上就相当于在我们C相电压互感器中串入了一个电阻，使C相一次激磁电流的大小和方向发生了改变。

由电气变压器的原理，一次侧的交变磁通在二次侧感应出交变的电势，当C相串入电阻的时候，激磁电流的大小变为Ic′=Uco/(R+XL),所以C相激磁电流的大小会降低，但是电压与电流之间的夹角由原来的900 变为了β (β为一次电压互感器电压与电流的夹角)。

所以a、c相之间电压的夹角由原来的1200变成2100-β(β大小在0在900之间)。

现在我们来分析电压大小的变化：

设定接触电阻的R=a XL ，其中a大小为正数，那么tgβ=1/a

Cosβ=a/√1+a2 ，Sinβ= 1/√1+a2

所以Uac=√（Ua2+Uc2-2UaUc Cos（210-β）

Uac/ Ua=√（Ua2+Uc2-2UaUc Cos（210-β）/Ua=√（1+（√3a+2）/(1+a2)）

设Uac/ Ua≥√3时，a≤√3/2=0.866

经过计算，当接触电阻大小为电压互感器电抗大小的0-0.866倍之间的时候，Uac显示电压会大于正常线电势，当大于0.866倍时，显示电势会小于正常线电势。

设定f(X)=Y=1+（√3a+2）/(1+a2)

有（Y-1）a2-√3a+（Y-3）=0

计算函数曲线的顶点，设定=B2-4AC =0其中B=-√3A=（Y-1） C=（Y-3）

计算得Y=2+√7/2=3.225

故Uac显示最大值为√3.225=1.823倍的相电压。此电压值时电阻大小

a=-B/2A=√3/(2+√7)=0.389

经过以上分析可以看出：

a大小在0-0.389之间时，Uac是逐渐上升的，最大值为相电压的1.823倍。

在0.389-0.866之间时是逐渐下降的曲线。但是此时电压仍大于线电压。当大于0.866倍时，电压是逐渐下降的，当为无穷大时，相当于断线，电压大小为相电压。

Ubc由于电压夹角减小，Uc0的大小也减小，故Ubc是一直下降的，最终断线时 ，大小为相电压。

Uab的大小不会发生变化。

我们分析上面电压的变化规律是以励磁不参与调节，系统为无穷大系统来分析的，当投入励磁自动调节的时候，由于静态励磁系统检测到机端电压下降，励磁电流会自动增加，导致电压升高。

故在初显示接触不良的时候，应该Uab、Uac的电压会升高。但最终保险熔断，Uab为正常，Ubc、Uac电压会下降为相电压。

2、应对措施：

①在每次机组启动前，对高压熔断器进行检查，测量熔断器电阻是否合格。

②操作过程中保证熔断器上下方接触良好。

③加强值班员技能培训，掌握发电机PT回路故障的判断能力与处理方法。

3、设计中存在的不足之处：

由于发电机的分相电压未能在DCS上有测点显示，运行人员在监盘中无法准确的判断到底是哪一相故障，最后在电二协助下，会同电气一次采用测温的办法才确定故障相高压保险。同类情况在1号机组发生接地故障时也有所体现，虽然接地保护准确动作，但是从表计显示中看，无法确定接地故障相，经停机拆除连接片后单独测量后才予以确定。

（作者简介：吴林云，男，籍贯湖北松滋；1996年7月毕业于长春水利电力高等专科学校电力系发电厂及电力系统专业。）