发电机电压互感器一次熔断器熔断引起停机的故障分析

2014-03-06张兵海孟凡超苏艳宾

河北电力技术 2014年2期

张兵海，孟凡超，苏艳宾，谌伟

（1.国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021；2.国电河北龙山发电有限责任公司，河北邯郸 056400；3.神华河北国华定州发电有限责任公司，河北保定 073000）

近年来，河北多次发生发电机电压互感器（TV）一次熔断器在正常运行过程中突然熔断，造成发电机组非计划停机的故障，故障停机的继电保护有发电机过激磁保护、定子3U0接地保护和定子匝间保护。发电机TV一次熔断器熔断后在安全措施可靠的情况下允许在运行状态进行更换，不要求机组立即停机，因此在发变组保护、励磁调节器中均设计有TV断线的判别逻辑（用于反应TV一次、二次断线），用于闭锁TV断线后可能误动作的发变组保护或者将双通道配置的励磁调节器切换到未断线TV对应的通道。从案例分析可知，由于发电机TV运行位置的特殊性，发生一次熔断器熔断后的TV断线逻辑通常来不及动作或动作门槛不满足而不能动作，进而导致故障扩大引起保护动作导致机组跳闸。在TV一次熔断器的选用方面，国际标准、国家标准、行业标准均是只有标准号而没有实际内容，无标准可依导致TV一次熔断器在制造、试验、选型、运行、维护等方面不够规范。以下从实际案例入手对发电机TV一次熔断器的几起典型故障情况进行分析探讨。

1 几起典型故障介绍

1.1 案例1

河北省南部电网某600 MW机组运行过程中，发电机机端TV1 W相一次熔断器熔断，熔断后W相电压并未降到0 V，但由于断口弧光的存在，使W相电压略有降低。发变组A套保护使用TV1电压，A套保护报TV断线，发变组B套保护使用TV2电压，B套保护无报警；励磁调节器A通道为TV1电压，B通道为TV2电压，励磁调节器均无报警。励磁调节器A通道TV断线逻辑未动作，未进行通道切换。自动运行方式的励磁调节器以机端三相相电压的平均值为基准进行励磁调节，由于故障TV的W相电压降低，A通道测到的三相电压均值降低。励磁调节器增加励磁电流，但A通道测到的三相机端电压并未随着升高（实际机端电压已升高），因此励磁调节器继续升高励磁电流，最终导致发电机过电压。发电机过励磁保护动作门槛为大于1.1 Ue进入发电机过激磁保护的反时限动作区，录波数据显示发电机电压已超过1.2 Ue，因此发电机过励磁保护动作跳闸。发电机保护及励磁调节器机端TV配置见图1。

1.2 案例2

冀北电网某300 MW机组运行过程中，发电机机TV1的U相一次熔断器熔断，熔断后同样因为弧光的存在引起U相TV谐振，发电机机端三相对地阻抗改变，导致取用发电机中性点TV的发电机定子3 Ue接地保护动作跳闸，录波截图见图2。

图1 发电机保护及励磁调节器机端TV配置

图2 案例2的发变组故障录波截图

1.3 案例3

河北省南部电网某200 MW机组运行过程中，发电机机端TV3（匝间保护专用）W相一次熔断器熔断，同样因为弧光的存在，TV断线逻辑没有启动，未能将发电机匝间保护闭锁，匝间保护也未取用负序功率方向闭锁，最终发电机匝间保护动作跳闸。

1.4 案例4

河北省南部电网某600 MW机组运行过程中，发电机机端电压互感器TV1的V相一次熔断器熔断，因为弧光的存在，现象同案例1。当时发电机机端电压已接近1.1 Ue，因为运行人员反应较快且现场有检修人员，将励磁调节器通道进行了切换，从而避免了一次停机故障。

2 故障的原因分析

熔断器熔断后因为工作位置电压非常高，反复拉弧是不可避免的，熄弧速度取决于熔断形成的断口大小和灭弧介质的特性［1］。TV一次熔断器灭弧介质一般为石英沙。正常运行TV一次熔断器熔断与短路熔断不同，短路时电流较大，从而形成的断口也大，通过石英沙的流动可实现快速熄弧；正常运行过程由于TV并无异常，因此熔断前的熔断器通过电流非常小（小于0.5 A），从而形成的断口也非常小，引起石英沙流动的可能性较小，只能通过反复拉弧使断口扩大后，由填补断口的石英沙来促进灭弧，因此正常运行过程中的熔断器从熔断到彻底熄弧断开需要的时间较长。在长时间的拉弧过程中，因为弧光电阻的存在，对应相的发电机机端电压降低不明显，因此保护和励磁的TV断线逻辑不能可靠动作，从而不能对保护进行闭锁或者使励磁调节器切换通道，进而导致发电机电压异常，或者因为弧光的存在导致对应相TV谐振，最终导致相应继电保护动作跳闸。

熔断器分为带瓷芯（中间瓷柱）和不带瓷芯2种，在正常运行过程中的熔断熄弧速度方面有明显差别。带瓷芯熔断器的熔丝缠绕在瓷柱上，且匝间间距较大，不带瓷芯熔断器熔丝匝间间距较小；带瓷芯熔断器熔丝张力也比不带瓷芯熔丝的张力大，不带瓷芯熔丝熔断后张力仅取决于熔丝重力，此重力对断口扩大的影响非常小，见图3。因此不带瓷芯熔断器在小于其额定电流工作时，其熔断熄弧速度远小于带瓷芯熔断器。

图3 带瓷芯和不带瓷芯的TV一次熔断器熔断后的解体（左为不带瓷芯，右为带瓷芯）

以上4个案例中发电机TV一次熔断器均为不带瓷芯的熔断器。GB 15166—2008《高压交流熔断器》对应于IEC 60282，由于IEC 60282－7内容空缺，GB 15166.7－2008《高压交流熔断器第7部分：电压互感器保护用熔断器的选用导则》也是空缺的，并且GB 15166—2008并未对熔断器正常运行时的熔断熄弧时间进行规定，因为熄弧特性取决于熔断器的结构设计、制造工艺和材料，在三者相近的情况下，燃弧熄弧水平主要依靠熔断后的断口大小。由图3可知，带瓷芯熔断器熔断后断口明显大于不带瓷芯熔断器，因此发电机TV的一次熔断器应选择为带瓷芯熔断器。

一般发电机TV一次熔断器额定电流为0.5 A，GB 15166—2008中规定的弧前时间、燃弧时间以及安秒特性等参数，均为回路电流大于额定电流时所对应的特性。按照TV额定二次负载及励磁特性计算可知，在正常电压情况下，TV一次工作电流小于0.1 A，因此正常运行熔断器熔断后的断口间距不明显，而且由于电流小于额定电流，熄弧特性差于被保护设备短路时的熄弧特性，只有通过弧光燃烧使断口扩大到足以熄弧的间距时才可以完全熔断。从熔断后燃弧到完全熔断需要一定的时间，由于弧光的存在，可能造成TV谐振、TV断线逻辑不满足动作条件等，使定子接地保护、匝间保护、过励磁保护动作。

3 故障的预防措施

a.根据GB 15166.2—2008《高压交流熔断器第2部分：限流熔断器》第9条选用导则说明，高压熔断器至少应受到与被保护设备中精密制造元件同等程度的重视，跌落后或受过严重机械撞击后，应进行严格检查。该条款尤其对于不带瓷芯的TV熔断器重要。埋于石英沙中的熔丝在偏离瓷套管中间位置，因为阻值特性变化，在运行过程中其薄弱部分在机组因外部过电压的暂态冲击时肯定易于熔断。由GB 15166.7—2008的缺失，在TV保护用熔断器的选择时，建议选择带瓷芯的熔断器，对于在运的不带瓷芯的熔断器投用时应进行阻值的精确测试（而不是简单测试其通断），测试数据与原始数据比较并进行横向的相间数据比较。虽然因为移位变形所致的阻值变化不明显，但仍有必要做此项试验。

b.调整励磁调节器中TV判断逻辑。双通道配置的每一个通道应按主从关系引入2组TV电压，在原有TV断线判断逻辑（只判测一组TV电压）基础上增加2组TV的横向比较逻辑。这样可以避免只判断一组TV电压时由于动作门槛原因所带来的保护盲区，有助于出现以上故障时的早期通道切换，并应增加励磁系统的远方（指DCS画面）运行人员的“切换通道”控制，便于发现问题后及时进行励磁的通道切换，再通过闭锁投退相关保护，在不停机情况下更换故障熔断器。

c.对于TV一次熔断器熔断后燃弧引起TV谐振（或称为TV铁心饱合）的问题［3］，因为发电机系统不是直接接地系统，发生发电机定子绕组非金属性接地故障后，如果接地保护未及时动作跳闸或动作延时较长，电容电流的因素可能造成接地相TV谐振，使TV损坏或一次熔断器熔断。选择饱合倍数高的TV，在熔断器熔断断口燃弧过程中不易发生谐振或饱合，通过运行人员采取措施后不致于导致接地保护动作跳机。

d.发电机定子3 U0接地保护当前多取用发电机中性点TV二次电压（或接地变压器二次电压），其好处是可不考虑发电机中性点TV断线闭锁，相对取用机端TV开口角电压可简化保护逻辑，但是在机端TV一次熔断器正常运行熔断后，断口燃弧引起TV饱合，定子对地三相阻抗不对称，导致发电机中性点电压偏移，如案例2，取用发电机中性点的定子3 U0接地保护将动作跳机，如采用机端TV开口角电压则因为有TV断线闭锁可有效避免跳机。研究认为，在保护动作和闭锁逻辑完整情况下，考虑TV故障和一次熔断器故障发生的概率，取用机端TV开口角电压的定子3 U0接地保护优于取用发电机中性点的情况。

e.发电机定子匝间保护一般均配置有负序功率方向闭锁逻辑，发生匝间专用TV一次熔断器熔断的情况，因为有负序功率方向元件的闭锁则可以防止匝间保护误动，部分厂家发电机定子匝间保护的闭锁不是负序功序方向元件，如案例3，发电机匝间保护分灵敏段和次灵敏段，次灵敏段无TV断线闭锁和其他闭锁且无动作延时，虽然门槛整定较高，但案例3情况仍可导致其动作跳闸。

研究认为，发电机定子匝间保护不宜投入没有任何闭锁的保护段，采用2组TV平衡原理的断线闭锁逻辑和负序功率方向元件的闭锁逻辑是比较完善的配置。

f.TV一次熔断器属于电气一次设备范畴，一次设备发生故障或异常需要停机是正常的。从发电机TV熔断器熔断的结果看，如其引起TV饱合、损坏TV已属于故障范围扩大，如果从运行中更换一次熔断器需要投退相关保护操作的复杂程度和在带电区域更换熔断器的安全性角度分析，熔断器熔断后停机更换是安全的，但由此带来的发电量损失及非停考核则需要进行各角度的斟酌权衡。