700 MW水轮发电机中性点CT故障原因分析及其改进方法

何 强，杨 烽，钟健青，饶 蕾

(中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443133)

某电站地下厂房装有2台由东方电机厂生产制造单机容量为700 MW的水轮发电机，发电机编号为27F、28F。发电机定子绕组为三相双层波形绕组，定子绕组设计为每相5支路并联。发电机定子绕组中性点由二分支中性点和三分支中性点并联而成，设计有电流互感器，简称中性点二分支CT和中性点三分支CT[1]，分支铜排穿过中性点CT后经接地变压器的高电阻接地方式接地。

1 概 述

1.1 故障现象

该电站27F带负荷运行时，发电机差动保护报警，报警信息如下：①裂相差动TA断线；②不完全差动1TA断线；③不完全差动1差流报警。

1.2 故障检查分析

27F发电机停机后，对27F发电机中性点CT进行现场检查和试验，三分支B相CT的2S1-2S2绕组变比和励磁特性不满足规程要求，具体检查和试验情况如下：

1)保护装置采样精度正常，电缆绝缘正常；

2)三分支B相CT的2S1-2S2绕组变比误差为30%，超出标准规定，其励磁特性也不满足标准规定。三分支B相CT的1S1-1S2绕组因测量过程中绕组阻值变化较大，输出不稳定，故变比和励磁特性试验项目不能完成。

3)同时对二分支B相CT的两个二次绕组也进行了变比及励磁特性试验，数据均满足规程要求。

综合分析，初步判断该发电机中性点三分支B相CT的2S1-2S2绕组存在匝间短路故障。

2 CT解体检查

2.1 CT结构

CT主要由铁心、环氧树脂材料、屏蔽绕组和工作绕组组成，屏蔽绕组在二次绕组内侧，如图1所示。

在机组正常运行时，每一相的CT都受到其他邻近相的电流产生的磁场的影响，故每个CT的铁心上都正交布置两对屏蔽绕组，用来屏蔽各相电流的磁场影响[2]。

图1 CT结构示意图

2.2 CT解体前试验

2.2.1 直阻测量试验

对CT的两个绕组进行直阻测量，两个绕组直阻测量无异常，测量数据如表1所示。

表1 CT直阻测量数据表

2.2.2 准确度试验

对CT两个绕组进行准确度试验，试验数据如表2所示。

表2 绕组准确度试验数据表

绕组1S1-1S2试验数据合格，绕组2S1-2S2试验时超出仪器测量范围，无法测出数据，试验数据不合格。

2.2.3 匝间过电压试验

对CT两个绕组进行匝间过电压试验，试验数据如表3所示。

表3 绕组匝间过电压试验数据表

绕组1S1-1S2试验数据合格，绕组2S1-2S2试验数据不合格。

2.2.4 励磁特性试验

1)1S1-1S2绕组励磁特性试验。1S1-1S2绕组励磁特性试验数据如表4所示，励磁特性曲线如图2所示，试验合格。

表4 1S1-1S2绕组励磁特性试验数据表

图2 1S1-1S2绕组励磁特性曲线图

2)2S1-2S2绕组励磁特性试验。2S1-2S2绕组在施加励磁电流0.1 A时电压值为2 000 V左右，试验数据不合格。

通过试验判断2S1-2S2绕组匝间短路。

2.3 CT解体

2.3.1 CT 2S1-2S2绕组解体

1)最外层绝缘材料良好，匝间绝缘材料和漆包线外观均良好，如图3所示。

图3 2S1-2S2绕组解体图

2)里层绝缘材料老化现象明显，越往里层，老化现象越严重，如图4所示。

图4 不同程度的老化图

3)铁心外部绝缘材料出现碳化，漆包线出现漆皮掉落现象，如图5所示。

图5 铁心碳化图

2.3.2 CT 1S1-1S2绕组解体

为了对比，对试验合格的1S1-1S2绕组作解体。

1)外面几层绝缘材料和二次绕组外观良好，如图6所示。

2)越靠近铁心层间绝缘老化越严重，铁心外绝缘材料碳化，如图7所示。

图6 1S1-1S2绕组外观良好图

图7 1S1-1S2绝缘老化及铁心碳化图

经解剖两个绕组，发现现象相似：外观良好，外面几层绕组绝缘完好，越靠近铁心，绝缘材料老化越严重，只是2S1-2S2绕组的屏蔽绕组漆包线部分漆皮老化严重，有脱落现象，而1S1-1S2绕组无漆包线漆皮脱落现象。

3 CT故障原因

造成CT匝间短路的原因主要包括[3-4]：

1)相间CT间距过小；

2)外部运行环境过高；

3)CT通风散热能力不足；

4)CT本身制造工艺问题。

该发电机中性点CT匝间短路原因主要为相间距不满足要求。CT设计的边界条件为一次导体相间距≥1 300 mm，一次返回导体与CT距离≥500 mm，从该发电机中性点CT现场安装位置来看，不满足一次导体相间距≥1 300 mm要求。

若CT现场安装距离小于设计边界值，则邻相产生的杂散磁场强度会超过CT屏蔽绕组的承受能力，尤其是B相CT，A、C两相产生的磁场在B相叠加，可用1.732倍来粗略分析[5]，加上B相本身的感应，使B相CT产生磁饱和，形成较强的磁滞损耗[6]，导致屏蔽绕组超负荷工作，屏蔽绕组温升升高。若屏蔽绕组长期处于高温状态下工作，会逐渐导致CT匝间绝缘损坏，造成匝间短路，缩短CT使用寿命。

4 改进方法

为满足当前的CT工况要求为前提，保持原有CT安装方式不变，采用增强型CT，通过增加屏蔽绕组的导线截面，降低电流密度，提高CT本身屏蔽能力，将屏蔽绕组绕制方式由内侧调整至二次绕组外侧，增强了绕组散热能力，降低屏蔽绕组的温升，从而降低CT的温升，以确保机组的安全运行。增强型CT结构如图8所示。

图8 增强型CT结构图

将该机组发电机中性点CT全部更换为增强型CT，定期对该机组中性点CT进行温度监测，监测趋势图如图9所示，中性点CT运行情况良好。

5 结 语

发电机中性点CT在设计时对安装条件有了明确要求，然而发电机中性点CT在安装时未按边界条件执行，使CT的运行性能受到影响，造成CT发生匝间短路故障。在保持原有CT安装方式不变的前提下，本文介绍了一种增强型CT，将屏蔽绕组绕制方式由内侧调整至二次绕组外侧，不仅降低了CT的温升，也便于人员对CT进行温度监测，确保机组安全稳定运行。

图9 中性点CT温度监测趋势图