一起汽轮发电机PT保险熔断导致定子接地报警的分析

谢东

（大唐佛山热电有限责任公司 广东省佛山市 528500）

引言

某电厂是一个燃气-蒸汽联合循环的发电企业，现有两套GE公司生产的PG9171E型燃气轮发电机组配套2台WX18Z-054 LT汽轮发电机，两套机组分别于2003年7月和2004年4月投产。

某次大修后调试过程中因发电机出线PT保险熔断造成定子接地动作，灭磁开关动作停机，进行相关试验后，查找到故障点，更换保险后运行正常。该情况在同类型机组中曾多次出现，2006年该汽轮机大修后曾出现一次相同情况，均为修后起励过程中出现，由于该情况出线频次较低，所以并未引起高度重视，下面将定性的分析该情况出现原因及处理办法进行逐一描述。

1 设备概况

该汽机发电机额定容量为75.0MVA，出线额定电压为10.5kV，采用中性点装有一组避雷器保护，发电机出线与主变低压侧为单元接线，所连主变为YNd11接线，额定变比121/10.5kV高压侧出现电缆约为300m至高压侧断路器并网。发电机出线侧并联了两组电磁式电压互感器，1YH主要用于测量及定子接地保护，其中定子接地保护动作电压取自1YH二次侧开口三角两端，动作值为10V，1YH中性点接地，2YH主要用于测量及匝间短路保护，PT中性点与发电机中性点连接，本次故障的PT 1YH一次侧保险型号为RN2-10，额定熔断电流为0.5A。

其结构如图1所示。

图1 发电机及PT一次侧接线

2 事件背景及经过

该套机组在大修中抽出发电机转子进行检查，并完成主设备电气预防性试验。在PT完成空载试验后，对其保险进行直阻测试，三相直阻平衡且在与出厂值相同。

该汽机发电机起励至机端电压为约3200V时，发电机保护屏报定子接地动作，报警信号发出后，目测中性点小间无明显接地点，随后将转子转速降至0RPM，对定子三相进行绝缘测试，定子绝缘良好，检查PT高低压侧接线正确，保护回路定值、保护逻辑正确，最后发现为PTB相保险熔断，造成B相缺相，进而引起二次侧开口三角出现过电压，定子接地保护动作。

3 PT保险熔断原因分析

PT保险熔断原因主要有以下几个方面：

3.1 铁磁谐振过电压引起

铁磁谐振过电压为电磁式电压互感器常见现象，尤其是在中性点不接地系统中出现频率更高。

由于该机组发电机出口与变压器间属于硬链接，起励过程中，该机组属于零起升压，在起励的同时相当于向空载母线合闸并充电，充电过程中将有出现谐波，根据谐波频率的不同，谐波可分为基波谐振、高次谐波及分次谐波，其中高次谐波以3次谐波为主，分次谐波以1/2，1/3次谐波为主。

标准工况下，PT一次侧回路为感性回路，即ωL>1/（ωC），当PT一次侧回路谐振频率略小于某一频率时，且由于充电过程中出现的涌流造成电压互感器铁芯出现不同程度的饱和现象，此时，铁芯饱和相的电感会随着电流的增加而减少，则此时回路谐振频率升高，若契合该频率时，则会出现谐振现象，造成过电压及过电流[1]。

以下以1YHB相为例分析该PT的特性曲线：

图2 1YHB相空载特性曲线

由图2可见随着电流的增加，该相铁芯趋于饱和，当电流达到90mA时，电压达到额定值，其空载曲线斜率已明显下降，若PT中出现涌流时，其铁芯将出现饱和。

3.1.1 基波谐振

当PT谐振频率略小于基波频率时，在铁芯达到一定的饱和程度后将出现基波谐振。

3.1.2 高次谐波谐振

由傅里叶级数变换可知，在该回路中偶次谐波将会被抵消，所以回路中产生的谐波为奇次谐波，其中主要为三次谐波，然而在三相星型不接地电路中，三次谐波无法构建回路，所以发电机无法供给PT三次谐波电流。

当铁芯饱和时，PT线圈相当于三次谐波的发电机发出三次谐波，若回路谐振频率略低于三倍基频，则有可能出现三次谐振。同时由于各相回路间未形成通路，则三次谐波会直接作用于该相，因三相铁芯饱和程度不同，则三相合成导纳相差较大，随着各电流的变化，这个差距将会进一步拉大，同时相位也会相差较大，进而引起中性点偏移，某些相会出现过电压。

3.1.3 分次谐波

分次谐波的来源不同于高次谐波，其产生原因为母线的谐振频率略小于某一分频频率时，母线发生该分频谐振后由系统对地电容供给PT分频电流，通过PT一次线圈感应产生了该分频电压，但是由于此时PT励磁电流中存在一个类似滑差频率的分量存在，分次谐波频率会略小于工频分数倍。

发生分次谐振后，类似三次谐波谐振，电压中性点位移，出现过电压及过电流，根据研究，与高次谐振不同的是，分次谐振过电压并不是很高，而过电流可达额定电流的30～50倍，进而引起一次保险熔断过PT烧毁[2]。

在机组正常调峰时，每天启停的过程中不会出现这种情况，发生故障均为大修后起励过程中1YH保险熔断。同时，在机组设计时谐振的因素已纳入考虑并使设备谐振频率躲过常见谐波频率。故而故障起因为大修期间某个量出现了暂时性非常规变化引起。大修期间对变压器高低压侧进行了交直流耐压、直阻等试验，其中将存在剩磁而引起了分次谐振。

3.2 其他原因

除谐振外，PT一次保险熔断也有可能是其他原因引起，如：①PT高低压侧相间短路或对地单相接地；②保险额定电流仅为0.5A，剧烈震荡可能致使其熔丝震断；③PT突然投入造成涌流引起谐振。

根据以上原因进行分析：①在本次故障中，事后通过对PT高低压侧进行相间、对地绝缘测试，测试值均符合要求；②位于0m层的两组PT所在位置振动较小，同时如果是因为振动而引起，日常启停时也会出现这种故障，不符合实际情况；③PT在汽机之前就已投入，不符合本系统情况。

4 预防及处理

4.1 预防方法

根据图1所示电路，通过改变运行方式及回路参数两种方法可避免谐振的出现，大致方法如下：

4.1.1 使用空载特性曲线更好的PT

通过选型，选择空载特性更好的电压互感器，使得其铁芯更难以饱和，将降低因铁芯饱和引起谐振的可能。

4.1.2 在二次侧开口三角回路加装消谐装置

在九十年代时期，我国电力系统普遍在二次开口三角使用具有非线性电阻的灯泡以对谐振过电压进行抑制，但是随着发电机组容量及电网对地电容的升高，该方法逐步被淘汰。

目前有的系统中在PT二次开口加装一种可控硅多功能消谐装置，但是该方法受到电子元器件寿命影响，在运行中效果不是很明显，反而增加了维护量，未得到推广使用。

4.1.3 在PT一次侧中性点上串接非线性电阻消谐

通过在PT一次侧中性点加装非线性电阻能有效的抑制因谐振引起的过电压，并且能有效的吸收一次侧涌流。因该方法由于安装简单、维护量消、消谐效果明显目前广泛用于发电机及电网系统中，目前该技术应用范围也较为广泛。

4.2 处理方法

在大修期间对发电机、PT、变压器均进行了相关的维修工作及电气试验，机组修后试运出现PT保险熔断并引起定子接地保护动作后，检修人员需对整个系统进行逐个排查，首先考虑的将是人为因素，如：是否有杂物遗留，PT二次回路接线是否正确等，其次是考虑定子接地故障是否真实存在，需将发电机转速降至0RPM后进行绝缘测试进行确定。

然而按照规程要求，发电机组装完毕后试运之前需对其定子进行直流耐压及绝缘试验，试验结果合格后方能投运。试验后发电机引出部分遗留有杂物的可能性较小，则在目测发电机引出部分无遗留物后可以推断发电机定子接地可能性较小。

根据以上分析及同类型机组反馈，若调试期间发生该故障后可将PT一次保险熔断作为一个较大的可能性进行考虑，可在停转速额同时对PT保险进行检查，因发电机定子接地保护定子后，灭磁开关动作，定子出线电压降为零，此时饱和的PT一次线圈还存在少量磁能，PT对地电容也存在少量电能，当切除PT后全部电磁能转换成为电场能量，出现的过电压在PT的耐受范围内，且切除时刀闸触头间会出现多次电弧重燃，切除瞬间电压不会过大，可以在切除PT并挂地线后佩戴绝缘防护品拔下一次保险，通过检测确定三相保险是否熔断，若熔断，可在停机后检查发电机及PT一二次绝缘、保护定值、二次接线等参数无误后继续投入调试。这样将会大大的节省检测时间，保证了机组能更快速投入运行。

5 结语

发电机出口PT熔断在电力系统中时有发生，然而对于单个电厂发生的概率较低，因无重要设备损坏，查找到原因更换后未引起重大关注，本文通过探索其发生因素，逐个分析，归纳了几个概率较大的原因，提出了解决方法。