一起励磁变压器短路故障分析及启示

2020-06-20徐灵江李华忠陈佳胜

水电与抽水蓄能 2020年2期

徐灵江，李华忠，陈俊，王光，徐金，陈佳胜

（1.国网浙江省电力有限公司，浙江省杭州市 310007；2.南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市 211102）

0 引言

励磁变压器[1]是大中型发电机组不可或缺的重要设备，由于励磁变压器低压侧接三相整流桥[2-3]，高、低压侧电流波形呈阶梯波，含有丰富的高次谐波，且谐波分量随着发电机负荷的不同而变化，励磁变压器差动不平衡电流较一般变压器大[4-6]，所以对于是否配置差动保护存在争议[7-8]。根据文献[9]第4.2.23节规定，励磁变压器宜采用电流速断保护作为主保护，过流保护作为后备保护。因此，励磁变压器保护主流采用电流速断+过流保护方案，而不采用励磁变压器差动+过流保护方案。

本文分析一起励磁变压器内部短路故障案例，因故障点发生在励磁变压器低压侧，电流速断保护灵敏度低而无法快速切除故障，故障持续扩大，最终导致设备烧毁，损失严重。励磁变压器差动保护具有多年成熟运行经验，能有效区分区内与区外短路故障，启动电流门槛定值可设置为（0.3～0.8）倍额定电流，能大大提高励磁变压器内部短路故障检测灵敏度，尤其对于励磁变压器低压侧短路故障，其灵敏度明显高于电流速断保护。而对于高次谐波分量影响，只要采用合适的软、硬件滤波环节，合理整定差动保护定值，励磁变压器差动保护即可取得良好运行效果。

1 保护动作情况概述

国内某大型电厂660MW机组采用自并励励磁方式，励磁变压器容量7.2MW，高压侧额定电压20kV，短路电压百分比XT=8%，Yd11接线。保护装置采用NR公司RCS-985发电机励磁变压器保护，实现双重化保护配置。

2017年5月6日18 时17分45秒099毫秒，该电厂3号机组A套RCS-985励磁变压器保护启动，5ms定子接地启动，20ms励磁变压器比率差动保护动作，72ms发电机差动保护启动，76ms失磁失步保护启动，79ms发电机后备保护启动，82ms发电机比率差动动作，84ms励磁变差动速断动作，85ms发电机差动速断动作，98ms发电机工频变化量差动动作，123ms发电机机端断路器跳开、灭磁，机组停机。B套保护装置动作情况基本与A套保护一致。图1为A套保护动作和变位报告。

图1 保护动作和变位报告Figure 1 The disturb records and IO events of protection

2 机组保护装置录波数据分析

现以A套保护装置录波数据进行分析。根据故障报告时序，查看励磁变差动电流波形，如图2所示。

图2 励磁变压器差动电流波形及有效值（Ie1表示励磁变压器二次额定电流）Figure 2 The waveform and effective value of differential current of excitation transformer

t=29ms时，励磁变压器差动保护检测到差动电流，t=40ms时，励磁变压器差动保护启动，最大相差流有效值达1.60Ie1。由于本励磁变压器为非直接接地系统，励磁变压器A、B相均出现较大差动电流，说明励磁变压器内部发生了相间短路故障。t=60ms时，励磁变压器比率差动保护动作。观察C相，t<110ms时没有出现差流，t≥110ms后出现差动电流，最大值甚至达20Ie1，说明励磁变压器两相短路故障扩大为三相短路。根据保护装置变位报告，励磁变压器保护启动至发电机停机，前后持续123ms，检查励磁变压器差动保护定值，如表1所示。

表1 励磁变压器差动保护相关定值单Table 1 The settings of excitation differential protection

差动保护跳闸控制字为0041（H），H表示十六进制，Bit0为跳闸使能，Bit6为动作于信号，故无法动作于机组全停与切除故障，导致故障持续扩大。

励磁变压器差动保护启动后5ms，发电机定子接地保护启动，查看发电机机端电压和中性点零序电压波形，如图3所示。

图3 发电机机端三相电压和零序电压原始波形及有效值Figure 3 The waveform and effective value of generator terminal three-phase voltage and neutral point zero sequence voltage

如图3所示，t=45ms时，定子保护启动，发电机机端B相电压降低至32V，A相、C相电压分别升高至71V和86V，发电机中性点零序电压升高至72V，说明发电机机端B相发生接地故障，绝缘发生下降。

随后发电机差动保护启动，查看发电机差动电流波形，如图4所示。

图4 发电机差动电流波形及有效值（Ie2表示发电机二次额定电流）Figure 4 The differential current waveform and effective value of generator

t<110ms时，发电机差动保护三相差流几乎接近0A，t≥110ms后，发电机差动保护三相均出现差流，其中最大值超过10Ie2，结合图3机端电压波形，说明故障由单相接地故障扩大为三相短路故障。最终由发电机差动保护动作停机，切除故障，故障前后持续时间123ms。

本机组配置了励磁变压器电流速断保护作为主保护，但未快速动作。查看励磁变压器高压侧电流波形和保护定值，如图5与表2所示。

图5 励磁变压器高压侧三相电流波形及有效值Figure 5 The waveform and effective value of high voltage side three-phase current of excitation transformer

表2 励磁电流保护定值单Table 2 The settings of excitation current protection

t=40ms时，励磁变压器差动保护启动，励磁变压器高压侧最大相电流（B相）为7.6A，未达到电流速断和过流保护定值，保护均无法启动；当t=50ms时，B相电流增大至12A，励磁变压器过流保护启动；至t=130ms时，高压侧最大相电流（C相）临近56A，但由于故障电流很快降低，所以电流速断保护无法完成启动和动作。因此，电流速断保护针对本次高压侧三相短路故障的灵敏度也是不够的。虽然励磁变压器过流保护已经启动，但由于时间定值为0.50s，所以无法快速切除故障。

3 故障排查及改进

3.1 故障初步定位

根据现场保护配置图，发电机差动保护范围包含了励磁变压器与发电机，而励磁变压器差动保护范围仅包含励磁变压器。短路故障初期，励磁变压器差动A、B相出现较大差流，而发电机差动保护却无差流，说明励磁变压器内部发生短路故障，且故障点在发生在励磁变压器低压侧。这是由于励磁变压器容量小、短路阻抗大，所以发电机差动保护无法反应。

结合上述事故过程分析，时标t=29ms时励磁变压器低压侧发生相间短路故障，t=35ms时故障发展至励磁变压器高压侧B相发生单相接地故障，t=110ms时故障扩大为高压侧三相短路故障，最后由发电机差动保护停机。

3.2 故障排查

机组停机后，现场技术人员及时进行故障排查及检修。经仔细检查，该励磁变压器高压侧B相发生烧毁现象，励磁变压器高压侧与发电机机端铜排的三相软连接已经熔断。对烧毁的励磁变压器压器进行解剖和分析，该励磁变压器为高、低压侧同心式变压器，高压侧B相对地绝缘接近0Ω，低压侧A、B相间发生短路。

3.3 改进建议

由于励磁变压器电流速断保护电流定值按躲过低压侧三相短路条件整定，对低压侧内部绕组相间短路故障反应灵敏度不高，如本次短路故障。而励磁变压器差动保护采用励磁变压器高、低压侧电流计算，启动电流定值可整定为（0.3～0.8）倍的额定电流，具有很高的灵敏度。以该电厂励磁变压器及保护定值为例，计算励磁变压器变斜率比率差动保护灵敏系数。参照DL/T 684-2012导则，按励磁变压器低压侧绕组引出端两相金属性短路，灵敏系数大于2校验。

视系统为无穷大电源，且根据励磁变压器参数及保护装置说明书，计算短路电流为：

计算制动电流为：

计算动作电流为：

其中，n取6；

所以计算灵敏系数为：

由计算可知，灵敏系数为3.55，可满足灵敏度要求。因此，相比励磁变压器电流速断保护无法反应低压侧绕组引出端短路故障，励磁变压器差动保护已具有很高灵敏度。

虽然励磁变压器高、低压侧电流中含有较多谐波分量，但励磁变压器差动保护采用励磁变压器电流基波分量进行计算，只要合理设计软、硬件滤波环节，适当提高定值门槛，即能可靠实现差动保护功能。如图6所示，某大型发电机组励磁变压器差动保护波形，正常运行时不平衡差动电流小于0.02Ie1。

励磁变压器差动保护已在现场成熟运行多年，不少大型机组配置了励磁变压器差动保护，如三峡水电站左右岸32台单机容量700MW机组、龙滩水电站9台单机容量700MW机组等，最长运行时间超过5年，运行情况良好。对于本次故障，若励磁变压器差动保护出口方式整定动作于全停，即可在保护启动后50ms内快速切除故障，缩小故障范围，减少设备损伤。因此，建议将本机组励磁变压器的主保护由励磁变压器电流速断保护改为励磁变压器差动保护，且动作于全停。