发电机出口电压互感器匝间短路故障分析与计算

2018-11-19马云飞

综合智慧能源 2018年10期

马云飞

(大唐华中电力试验研究院，郑州 450001)

0 引言

电压互感器(PT)作为电力系统中测量、保护的重要设备，在发电厂、变电所等输电和供电系统中得到广泛应用[1]。近年来，发电机出口PT一次绕组匝间短路导致保护动作甚至机组非停事故时有发生，严重影响电厂发电机的监控和稳定运行。文献[2]通过一次绕组匝间短路造成发电机基波零序保护动作跳机实例，从保护原理及故障信息的角度分别对基波零序电压型和注入式定子接地保护动作行为进行分析，考察了保护配合整定方案及灵敏度。文献[3]对机端PT一次绕组匝间短路时的电气特征进行分析，得出对地电压最高相的下一相即为故障相这一结论，通过故障案例验证了理论分析的正确性。目前，针对PT匝间短路故障案例的分析比较多[4-5]，但结合匝间短路前后电气等效电路图开展深入分析与计算的并不多见。

本文以一起发电机出口PT故障引起发电机变压器组(以下简称发变组)保护动作事件为例，通过故障录波波形、试验数据的综合分析判断，认为保护动作是由PT一次侧匝间短路引起的。其次对PT匝间短路引起故障相对地等效阻抗降低，进而引起机端电压不平衡进行等效电路的分析与计算。最后讨论了引起匝间短路的几种可能情况及预防措施。

1 故障实例

某发电厂#4发电机为东方电机厂生产的QFSN-600-2-22D型产品，额定电压为22 kV，额定功率为600 MW。经离相封闭母线与3台单相主变压器(以下简称主变)相连，以单元方式接入330 kV系统。发电机出口有3组PT，其中1PT和2PT型号为JDZX16-22，3PT型号为JDZX16-22G，均为大连北方互感器厂生产。该机组于2013年大修，3组PT各项常规预试验合格，每年开展1次空载电流测试，试验合格。

2017年3月16日，该发电机组带有功423 MW，无功43.7 MV·A，发变组保护及励磁系统正常运行。12:17:30，#4发变组保护A，B柜同时报“定子接地3U0”保护动作，主变高压侧3371开关、3370开关，厂用10 kV 14A/14B/14C开关，Q02灭磁开关跳闸，厂用10 kV切换装置动作，备用开关切换成功。停机检查后发现，机端1PT B相存在故障。由于发电机出口PT无备品，该电厂采用临时措施将1PT拉出，并将1PT的二次负载并接至2PT二次侧。22:30，机组并网，运行正常。

2 故障过程分析与处理

2.1 故障录波分析

该发变组采用美国GE公司生产的G60微机保护装置，其中“定子接地3U0”保护取机端零序电压和中性点零序电压，机端零序电压定值为5 V，中性点零序电压定值为11 V，保护延时为6 s。图1为#4发变组A柜故障录波波形。从图1可以看出，保护动作前发电机三相电压出现不平衡现象：A，C相电压偏高，B相电压偏低。跳闸时刻发电机机端零序电压A柜为21.4 V，B柜为25.9 V(两柜电压信号取自不同的机端PT)，发电机中性点零序电压为37.0 V左右(两柜取自同一PT)，均远远大于定值，保护动作正确。

图1 #4发变组A柜故障录波波形

机组停机后，对机端出口电压互感器二次回路进行检查，绝缘合格，接线正确，发变组保护逻辑正确。测量发电机三相定子绕组残压，A相为27.0 V，B相为18.9 V，C相为24.2 V，机端一次电压不平衡。随后将发电机出口6台电压互感器(1PT，2PT)依次拉出，在1PT B相电压互感器拉出后，测得三相定子绕组残压均为23.0 V。最后将发电机空载升压至额定值，检查发电机三相电压均为22.0 kV，三相电压正常。由此可以判断，发变组保护动作与1PT B相故障有关。

2.2 试验测量分析

为了进一步分析1PT B相故障原因，分别对该PT进行绝缘电阻、一次绕组直流电阻、空载电流的测量，试验时温度为19 ℃，相对湿度为44%，测试结果见表1～表3。

表1 1PT B相绝缘电阻 GΩ

表2 1PT B相历年一次绕组直流电阻 kΩ

注：表中直流电阻均为换算到25 ℃时的电阻值。

表3 1PT B相空载电流

测试结果分析如下。

(1)从表1可以看出，一次绕组及3个二次绕组绝缘电阻均正常，说明绕组无接地现象。

(2)从表2可以看出，故障后直流电阻相比2008年的测量值减小了17.4%，说明PT一次绕组存在匝间短路情况。

(3)对1PT B相进行空载电流测量，当二次侧电压仅为1.04 V时，二次侧电流就达到了2.2 A，远小于正常预试时所加电压值。

2.3 故障综合诊断

综合故障录波和试验测量数据，判断此次故障是由PT一次绕组匝间短路故障引起的。匝间短路往往跟PT生产、制造中质量不良或工艺缺陷有关。在长期高电压下运行，绝缘材料老化加剧，绝缘强度降低，最终引发匝间绕组短路，发电机机端故障相电压下降，机端三相电压不平衡，造成保护动作。

3 机端PT一次绕组匝间短路等效电路分析

与计算

发电机系统及出口PT等效电路如图2所示[6]。图中：EA，EB，EC分别为发电机定子A，B，C三相的电动势；RN为中性点对地电阻；CA，CB，CC为每相对地等效电容；ZA，ZB，ZC为PT一次对地阻抗。

图2 发电机系统及出口PT的等效电路

发电机机端每相对地导纳为

(1)

式中：YA，YB，YC分别为机端A，B，C相对地导纳；ω为角频率。

由基尔霍夫电流定律可得

(2)

由式(2)可得：

(3)

机端三相对地电压为

(4)

从上述故障案例来看，1PT B相发生一次绕组匝间短路，假定故障后B相一次对地阻抗变为ZB0，若给出互感器故障前后的等效电路，有助于对比分析，如图3所示。

图3 PT等效电路

发电机出口PT正常运行时，二次侧近似开路。因此其等效电路近似于一个双绕组降压变压器空载运行[7]，其等效电路如图3a所示。图中：r1，l1和r2，l2分别为一、二次侧绕组的电阻和漏感；u1，N1和u2，N2分别为一、二次侧绕组端电压和匝数。

当互感器一次侧发生匝间短路时，假定短路在绕组中间某部分，设短路匝数为N12，此时绕组被分为3部分，用N11+N13来表示剩余绕组匝数，则有N11+N13=N1-N12。对于短路绕组匝数N12这一部分，其自身仍是闭合线圈，相当于产生了一个新的“变压器”绕组，仍然具有变压器的功能。因此，匝间短路可以认为等效电路结构由双绕组变成三绕组变压器，对应等效电路如图3b所示。图中：r11+r13，l11+l13分别为短路后一次侧绕组的电阻和漏感；r12，l12分别为短路绕组的电阻和漏感；rd为电弧电阻，比较小，N12绕组近似短路运行。

从图3a可以看出，空载运行时回路中励磁阻抗起主导作用。由于励磁阻抗往往较大，呈现高阻抗特性，因而一次侧运行在额定电压下时，一次侧回路电流较小。图3b中，一次侧发生匝间短路后，相当于二次侧多出一个“短路绕组”，回路中短路阻抗远小于励磁阻抗，因而一次侧在很小的输入电压下，回路电流也会很大。

以上述1PT B相为例，空载特性试验时，当二次侧电压仅为1.04 kV时，二次侧电流达到2.2 A。而正常运行时，试验电压升至109.6 V，二次侧电流达到2.2 A，因而有下式

(5)

从式(5)可以看出，PT一次绕组匝间短路后等效阻抗|ZB0| 远小于正常运行下的阻抗|ZB|。考虑漏磁通的变化关系较为复杂，本文不作具体的公式推导，仅通过等效电路图的变化来直观说明。

(6)

式中：X，Y均大于零，大小与N12及RN有关。

当B相发生短路时，发电机端三相对地电压用故障相的电动势来表示，有以下关系式。

由式(7)可得

(8)

可见，B相发生匝间短路时，A相电压最大。与上述故障案例中故障录波数据进行对比，印证了此结论的正确性。

4 PT匝间短路原因分析及预防措施

4.1 原因分析

引起PT匝间短路的原因有很多，大体上从外部工况和PT本体两个方面来进行分析。

(1)与PT直接相连封闭母线的绝缘能力。若绝缘下降，发电机运行过程中会出现闪络、对地放电等现象，会对PT一次绕组形成电压的波动冲击[8]。

(2)PT二次绕组存在短路、过负荷甚至误接线等现象。

(3)PT在生产、制造中存在质量不良或工艺缺陷。PT长期带电运行，使绝缘材料老化加剧，绝缘强度降低，最终引发绕组匝间短路。

4.2 预防措施

(1)应加强发电机出口PT的选型设计、验收试验和现场维护，选用质量好的机端PT。例如，上述案例中故障PT为大连北方互感器厂生产的JDZX16-22，通过查阅文献资料，该型号PT与文献[8]中故障PT为同一厂家生产的同型号产品，并且多次出现PT匝间短路事故，威胁机组安全稳定运行，这更加表明PT选型、质量的重要性。

(2)在机组检修期间，按照DL/T 596—1996《电力设备预防性试验规程》要求[9]，开展发电机出口封闭母线、PT的检查和试验工作[10]。

(3)带电局部放电测试作为一种有效的非电量绝缘测试手段，对于判断PT内部是否存在绝缘缺陷有辅助作用，可考虑增加此类试验项目。

(4)定期对发电机出口PT开展巡检和红外线成像监测工作。

(5)发电机出口PT二次回路接线时要反复核对，避免出现误接线。新增加的负荷在设计之初必须仔细核实有无容量越限的情况。