一起大型发电机中性点电流互感器故障诊断与分析

王明朗

(龙滩水电开发有限公司龙滩水力发电厂,广西天峨547300)

一起大型发电机中性点电流互感器故障诊断与分析

王明朗

(龙滩水电开发有限公司龙滩水力发电厂,广西天峨547300)

通过对某大型水力发电厂一起保护装置报警故障的诊断及分析,明确了由中性点电流互感器损坏导致故障的原因。依据该厂运行经验,提出了对发电机通风系统进行风道测试并进行相应的技术改造,以降低发电机风洞环境温度；在铭牌上按国标要求标注电流互感器的绝缘耐热等级；大型发电机应选用绝缘耐热等级为F级及以上的电流互感器；相邻相间电流互感器应有足够的抗干扰距离等改进措施。

电流互感器；环境温度；耐热等级；邻近效应

1 工程概况

某大型水力发电厂一期工程共装有7台额定功率为700 MW的空气冷却水轮发电机组。该厂机组定子绕组为F级绝缘,每相绕组接线采用8并联支路、“Y”型连接结构。在发电机中性点处,每相第1、3、5、7支路通过铜环引线装配连接在一起后三相再连接,构成中性点第一分支；每相第2、4、6、8支路通过铜环引线装配连接在一起后三相再连接,构成中性点第二分支。中性点第一分支与第二分支并联后经中性点接地变压器接地。发电机保护采用南京南瑞继保电气有限公司RCS-985GW型设备,依照双重化原则配置A、B两套保护装置。发电机中性点每分支三相各装设1台P级保护用电流互感器(CT),型号为LMZB12-20,互感器额定电流比为15 000/1 A,额定输出15 V·A,准确级5P级,准确限值系数40,每台CT各有两只二次绕组。发电机中性点电流互感器及保护装置电路见图1。

2 事故发生经过

2015年09月10日20∶00 6号发电机带689 MW有功负荷运行。20∶40监控报“6号发电机保护A套保护装置报警；6号发电机保护A套TA断线”；现场初步检查保护装置显示：裂相差动差流报警,不完全差动2差流报警,管理板报警；TA断线灯亮；装置报警灯亮；其他保护未见异常。立即对装置信息

图1 发电机中性点电流互感器及保护装置电路

进行检查并监视故障发展趋势。在此后至停机过程中,第一、第二分支B相CT的二次端子相继发生故障,电流发生偏差, A套裂相横差差流最大达到0.22 Ie,B套裂相横差差流最大达到0.18 Ie(发电机保护差流报警值为0.15 Ie,差动保护动作值为0.3 Ie)。裂相横差及不完全差动2保护相关中性点CT所测二次电流见表1。

表1 中性点CT所测故障电流

3 保护装置报警原因筛查

3.1 发电机电气一次设备检查

停机后,立即对发电机进行电气试验。使用2 500 V 摇表测得发电机定子绕组1 min的绝缘电阻为165 MΩ,10 min的绝缘电阻为506 MΩ,极化指数为3.07,满足环氧粉云母绝缘定子绕组极化指数不小于2.0的要求。定子绕组B相一分支直流电阻为1.473 mΩ(20 A)；一分支直流电阻为1.464 mΩ(20 A),互差为0.61%,满足各分支直流电阻相差不得大于最小值1%的要求。初步排除电气一次设备故障导致保护报警。

3.2 发电机保护装置检查

检查保护装置采样板正常。用继电保护测试仪在发电机中性点端子箱处,对保护装置分别加1 A三相对称电流量至发电机A、B套保护装置。检查两套保护装置CPU板、管理板所有采样幅值及相位均正常,进而排除发电机保护装置故障导致报警。

3.3 中性点CT回路检查

对连接至CT二次回路及CT外观进行检查,无明显异常。用CT分析仪对CT进行试验分析,其分析数据见表2。

将试验结果与上次预防性试验结果(见表3)进行对比发现,两个分支B相CT各端子二次绕组电阻、变比、比差、复合误差数值均发生较大偏差；该5P级保护用CT的复合误差均已超过5%的限值；测得CT变比严重超差,明显超过5P级保护用电流互感器在额定一次电流下±1%的比值差；各二次绕组均测不出拐点电压及拐点电势,查询相应绕组的励磁特性曲线,发现在进行励磁特性测试过程中,从低励磁起始,施加于二次端子上的正弦波电压与励磁电流之间近似线性关系,并无输出拐点的趋势；两台保护用CT已失去其暂态特性。故判断CT内部故障导致此次保护报警。

4 故障CT解剖检查

将故障CT剥除环氧树脂绝缘层进行解体检查,

表2 故障后CT分析数据

表3 预防性试验CT分析数据(故障前)

解剖后发现CT二次绕组、屏蔽绕组碳化现象严重,沿环形铁芯的二次绕组各部均有碳化现象,部分二次绕组铜引线有明显的过热变色情况发生；拆解二次绕组发现碳化现象一直延伸到铁芯部位,且二次绕组首尾端、屏蔽绕组接头处碳化现象尤为明显,铁芯上也附着有大量碳化物；各层绕组间的环氧漆绝缘均已脆化。

分析以上现象可得出：CT内部整体绝缘热老化明显；二次绕组过热,相邻铜引线及铜引线层间发生碳化,导致绕组匝间绝缘降低并出现多点不确定性短路现象,使得CT二次电流响应异常导致保护装置报警。

5 故障主要原因分析

5.1 发电机风洞温度较高

该电厂7台发电机均为立轴半伞式三相凸极同步发电机。发电机通风系统采用密闭自循环空气冷却方式。在定子机座外壁均匀地分布了16个空气冷却器,定子铁心、定子绕组及转子绕组均为空气冷却。空气的循环通过发电机转子的径向气流作用来实现,气流经转子磁轭环隙、磁极通风隙、气隙、定子铁芯和机座导入空气冷却器,通过空气冷却器冷却的气流再返回到转子上下端 。通风系统在设计初期由哈尔滨电机厂和法国Alstom公司通过利用相似原理进行了1∶5的通风模型试验,通过测试结果来分析通风系统的品质,以便计算各部风量和风速的分配等情况,并以此为依据选择了发电机的通风结构。

在实际生产运行过程中,对发电机风洞内各设备进行红外测温定期监测。各电气设备在运行环境中的温度与负荷呈稳定的正比关系,主要的定子绕组等电流致热型设备温升稳定,各监测点无明显异常,但所采集环境温度均较正常的环境温度明显偏高,发电机通风系统的冷却效率并未最大化利用。

由于该电厂投产相对其他大型水力发电厂较早,在设计期间进行的通风系统各项试验有一定的局限性,且通风模型结果只能说明通风设计满足相似规律,由于生产安装技术产生的误差影响不能进行充分论证。发电机风洞内设备主要为电流致热性设备,机组在夏季常处于大负荷运行状态,且风洞内的定子线圈有明显的电磁效应,使得风洞内设备均处于较强的电磁场环境中。大负荷运行期间,机组有功负荷在500 MW以上时,所测的环境温度均超过40 ℃。

风洞内环境温度较高,使CT主绝缘长期处于较高温度的运行环境中,导致主绝缘逐步发生劣化。中性点CT的安装位置对CT散热也有一定影响：中性点CT立放在支架上,安装于靠风洞内壁侧,以发电机轴为圆心呈扇形分布,安装高度与发电机定子铁芯上端水平面齐平,安装位置离风洞内壁较近,上端靠近发电机上机架,故可近似认为CT安装于风洞通风死角位置。通风系统流向此处的概率较小,导致CT散热效果不理想。环境温度较高且散热效果不理想,使CT主绝缘热老化速率增快,是CT损坏的原因之一。

5.2 CT绝缘等级不满足环境要求

出现故障的两台CT分别位于两个分支的B相,两台CT均为上次检修期间新更换的备品。

替换的两台备品与原CT制造厂家相同,铭牌上标注的型号、标准号、额定绝缘水平、额定电流比、额定输出、准确级、准确限值系数等参数均与原CT一致,生产日期为2010年4月,经绝缘试验、特性试验合格后安装到位。

在进行事故分析中发现,采购的这两台事故CT备品绝缘耐热等级均为B级,机组投产期间所使用的CT绝缘耐热等级均为F级。B级绝缘耐热等级为130 ℃,F级绝缘耐热等级为155 ℃。大负荷运行期间机组连续运行时间长,CT红外测温监测中虽未发现超过耐热等级的温度,但长时间暴露于高温、强磁场环境中,对CT绝缘会造成不可逆的损害,且这两台CT主绝缘耐热等级为B级,相对于其他F级绝缘的CT,更易受高温影响而加速绝缘老化并提前损坏。

大型发电机用CT除二次绕组外,还有屏蔽绕组,以代替传统的金属外壳屏蔽,保证CT的精度。当CT主绝缘有损伤后,风洞内的强磁场将直接在屏蔽绕组上感应出大电流；当CT主绝缘进一步劣化后,强磁场便直接作用于CT二次绕组,使二次绕组也产生感应电流。感应电流达到超过额定电流值,就会使CT内的绕组严重发热,并发生碳化烧损现象。因此,CT绝缘等级较低也是故障发生的重要原因之一。

5.3 CT受相邻导体邻近效应的影响

发电机中性点导体是直接穿过CT的,导体的轴线与CT中心轴线基本重合。在发电机运行时,通过导体上的电流在CT的铁心上形成感应磁场。导体离CT铁心越近,形成的磁感应强度越大,在CT二次绕组产生的感应电流也越大。6号机第一分支和第二分支母线均水平排列,三相CT间只有0.3 m左右的距离。由于大型发电机风洞内磁场强且复杂,各CT虽设有屏蔽绕组,但铁心不能排除受相邻导体邻近效应的影响。根据CT安装排列的位置分析,安装在中间的B相CT磁通极易受A、C两相导体影响。A、C两相导体所产生的磁场在B相CT上叠加,使B相CT铁心具有较高的磁感应强度。加上B相导体的感应,使CT铁心产生磁饱和,形成较强的磁滞损耗,导致铁心发热，这也是CT损坏的原因之一。

6 结 论

通过以上故障原因分析,可得出如下结论：

(1)该厂发电机通风系统可能存在风路紊乱现象。当机组在大负荷状态下运行时环境温度较高,导致CT长时间暴露于较高环境温度中,使CT绝缘老化而产生短路。应加强对发电机风洞内各设备的红外测温定期监测,同时尽快开展发电机通风系统测试,检测通风系统效率,以便对发电机通风系统提出相应的技术改造,以降低发电机风洞环境温度。

(2)针对此类大型发电机所用的母线式环氧树脂浇注CT,在设备出厂时,应要求制造厂在铭牌上按国标要求标注绝缘耐热等级。

(3)由该电厂运行经验来看,大型发电机应选用绝缘耐热等级为F级及以上的CT。同时应在CT相关国标规程、选用导则中明确提出该原则。

(4)大型发电机中性点电气回路设计时,应考虑电气设备的布置问题,尽量将相邻导体对CT的邻近效应影响降到最低。相邻相间CT要有足够的距离,还可考虑在相邻相间CT装设屏蔽外罩。

[1]林贵文, 任树峰. 大型发电机用电流互感器的屏蔽绕组结构[J]. 电力建设, 2006, 27(3): 58- 60．

[2]GB 20840.2—2014 互感器 第2部分： 电流互感器的补充技术要求 [S]．

[3]DL/T 866—2004 电流互感器和电压互感器选择及计算导则[S]．

[4]GB/T 11021—2014 电气绝缘 耐热性和表示方法[S]．

[5]杨树锋. 大型发电机中性点电流互感器故障分析[J]. 变压器, 2010, 47(1): 60- 63．

(责任编辑 焦雪梅)

Diagnosis and Analysis on a Fault of Neutral Point Current Transformer for Large Generator

WANG Minglang

(Longtan Hydropower Plant, Longtan Hydropower Development Co., Ltd., Tian’e 547300, Guangxi, China)

Through the diagnosis and analysis on a failure alarm of protection device in a large hydropower plant, it is clear that the fault is caused by the damage of neutral point current transformer. According to operation experiences, some improvement measures are proposed, such as conducting air passage test and technical reform of generator’s ventilation system to reduce wind tunnel ambient temperature of generator, marking the thermal class of current transformer on the label according to national standards, using the current transformer with a thermal Class F or above for large generators, and arranging current transformers of adjacent phase with sufficient anti-interference distance．

current transformer; ambient temperature; thermal class; proximity effect

2017- 02- 15

王明朗(1989—),男,四川成都人,助理工程师,从事电气一次设备检修维护及绝缘监督工作．

TV734;TM452(267)

A

0559- 9342(2017)04- 0051- 04