取消发电机电压互感器一次侧熔断器的研究与实践

陈钰林，曹华锋，莫元雄，赵 兵，赵 强

（广东省能源集团天生桥一级水电开发有限责任公司水力发电厂，贵州 兴义 562400）

0 引言

天生桥一级水电厂（简称天一电厂）装机4×300 MW，自2000年投产以来多次发生发电机电压互感器（PT）一次熔断器（保险）熔断故障，但都是在机组正常运行和开停机过程中产生的，是在最小熔断电流以下的误熔断，事后PT测试正常，换上新保险都能正常运行。天一电厂为发-变-线路单元接线，PT一次保险误熔情况统计见表1。近年来，国内多个电厂也发生了保险误熔故障[1-4]，严重影响机组的安全运行，己引起了业界较大的关注。

表1 天一电厂PT保险误熔情况统计

包括天一电厂在内的若干电厂虽然采取了一些防治措施，但并没有从根本上杜绝故障，天一电厂于2009年将0.5 A的保险更换为1 A，2016～2019年4年间仍发生了5次保险误熔故障。为此，天一电厂立项开展了故障分析及对策研究，大胆提出：既然运行实践中，20多次PT一次保险故障都是非正常的误熔断，而没有一次是过流正确熔断的，何不考虑取消它而用一根硬导线来代替？如果确实可行，那么长期困绕天一电厂的保险误熔问题就得到彻底解决，是一个很有创新意义和实用价值的研究项目。但这是对传统观念和做法的突破，必须进行全面和深入的可行性研究。经过充分的分析论证，我们认为，这项措施是完全可行的，2021年4月已在天一电厂3号机组、4号机组实施，投运至今没有出现任何与改造相关的问题。

1 PT一次保险误熔断分析

1.1 熔断过程

保险误熔时流过的是小电流，它有别于短路过流时的快熔，而是慢熔过程。这里以天一电厂2018年1月6日4号机5YH的A相保险熔断故障的录波图为例加以说明，见图1。保险熔断可以分为几个阶段：

图1 A相保险熔断故障录波图

（1）起弧阶段：A相保险在以往的长期运行及反复冲击下，熔丝的某处出现了缺陷，运行中的某个诱因使熔丝在此处裂开了很小的断口并产生电弧，使A相电压微降且波形开始畸变。由于录波图不易看清，将局部波形加以放大和临摹，见图2，其中图2（a）表示了保险断裂前后的波形，电压的正负波峰呈小凹状。

（2）发展阶段：随着热量的集聚，断口电弧的温度逐渐升高使熔丝熔化，断口逐渐扩大，A相电压逐渐下降，波形畸变逐渐发展，见图2（b）。

（3）稳定阶段：断口逐渐扩大到一定程度后不再发展，而形成了稳定的电弧，A相电压、波形畸变都趋于稳定，见图2（c）。因是交流电压，电弧会出现间歇性燃烧与熄灭。

图2 4号机5YH-A相保险熔断过程

（4）退出阶段：由于PT开口三角电压上升较大，接地保护或者断线闭锁保护可能动作告警，运行人员将保险退出运行，断口处介质绝缘恢复。

国内曾报导过多起因PT一次保险慢熔时，断线闭锁不动作而产生误强励导致跳闸的事故[5-8]。

1.2 保险熔断的影响因素

1.2.1 保险误熔断的诸多因素

文献[9]分析了保险误熔的诸多因素，稳态因素有:①PT励磁电流；②PT负载电流；③PT零序电流；④谐波；⑤电晕效应；⑥熔丝氧化；⑦振动等等。暂态因素有：①PT励磁涌流冲击；②变压器传递过电压冲击；③单相接地故障以及故障消失后低频振荡电流冲击。尽管保险误熔的因素多而复杂，但应该分清主次。

1.2.2 开停机时PT励磁涌流冲击

当发电机开机建压时，PT及其保险必将受到励磁涌流的冲击。发电机停机灭磁时，PT上的电流迅速被截断，会产生过电压冲击。天一电厂实际运行中机组开停机次数多，据统计，2003～2020年18年间，一台机年平均开停机次数为373次，各机组近3年的开停机次数见表2，励磁涌流的频繁冲击加速了保险老化疲劳的累积效应。从表1可见，21次保险误熔故障中，开停机过程为8次，占比约为40%，而开停机时间相对于正常运行时间是微不足道的，说明开停机时PT励磁涌流冲击是保险误熔的主要因素之一。文献[3]也报导该厂11次保险误熔故障大多在开停机过程发生。

表2 天一电厂发电机开停机次数统计

1.2.3 变压器传递过电压冲击

电厂的高压主系统产生的事故、操作、暂态、雷电等过电压，都可通过主变的电磁耦合传递到低压侧，使保险受到传递过电压冲击。天一电厂220 kV系统接线复杂且含交直流变换，主变高压断路器并解列操作频繁，出现各种过电压的机率较大。主变低压侧的5YH占PT总组数的20%，但保险误熔次数却占了近40%。5YH与主变距离最近，首当其冲受到冲击，1～4YH 4组PT距离5YH大约30 m（电气距离），对地电容不能忽视，因为封闭母线的对地电容要比架空母线大得多。而有些传递过电压是很陡的冲击波，通过对地电容衰减很快，传播到距离较远的其余PT时己有所减弱，这是5YH一次保险误熔机率大的主要原因。据此分析，变压器传递过电压冲击是保险误熔的又一主要因素。理论分析和运行实践表明，与其它接地方式相比，消弧线圈接地的传递过电压较高，因而保险误熔的机率较大。

1.3 保险熔断机理的分析

（1）热老化效应：运行中熔体达到稳定的温升，当熔体受到暂态过电流冲击时，温度随之上升，而冲击消失后温度又回落，使熔体产生了退火效应。停机时，熔体的温度逐渐下降至室温，也是一种退火效应（一年数百次），熔体经过反反复复的退火处理，其抗拉强度和延伸率等机械性能均会降低，这种现象就是热老化效应。

（2）伸缩疲劳效应：在接通和断开电流时，熔体在温度升降的过程中，若其自由伸缩受到约束，就会产生反复应力的作用，这种现象称为伸缩疲劳效应。保险管中填满石英砂，熔体热胀冷缩的形状变化必然受到阻碍，这时熔体与石英砂磨擦产生内应力。

（3）电动力疲劳效应：保险熔丝是螺旋形的电感线圈，流过PT一次电流时就产生了磁场，而载流导体与磁场的作用就会产生电动力。当开停机过程或外网传递，使PT突然加上电压，产生了励磁涌流，熔丝产生的磁感应强度突升，瞬态电动力随之突增，使熔丝拉伸或压缩，熔丝与石英砂就有相对运动，产生摩擦应力，并可能刮伤熔丝的某些点位，熔丝受到反复电动力的冲击，产生电动力疲劳效应。为了揭示电动力的作用，用若干台低压PT并联通过0.5 A保险加压试验，调整电压高于PT额定值，使励磁涌流的最大值约为20倍，通电10 s后断开，停电2 min后再合，自动持续反复合跳。经过800多次的合跳，熔丝断裂。

综上所述，保险熔断是综合了多种因素的不利影响，长时间逐步积累后，由某种诱因激发而断裂，是由量变到质变的过程。因此，小电流条件下的保险误熔，不能用传统的保险过流发热熔断的观点分析。保险熔断过程4个阶段、2个主要因素、3个老化疲劳效应，就是保险误熔全貌的描述。

2 各种故障的分析

本节通过故障分析，揭示发生这些故障时，保险是否真正起到预期的保护作用，由此获得取消PT一次保险可行性的充分论据，是本研究的重点。

2.1 PT出口相间短路分析

PT高压出口引线、套管或端部线圈相间短路时，短路电流很大，使短路相保险瞬间爆断，这是保险作用和功能的重要体现。

2.1.1 保险的技术数据

发电厂和变电站PT一次保险，都普遍采用RN2型（或XRNP2型），各制造厂家产品的技术数据基本相同，见表3。

表3 PT用RN2型熔断器技术数据

2.1.2 相间短路时PT一次侧保险存在的问题

天一电厂短路电流计算值见表4，相间短路时PT一次保险存在两方面的问题：

表4 天一电厂短路电流计算值

（1）保险的开断容量和开断电流不满足要求。天一电厂保险通过的短路电流和三相短路容量远远大于保险的容许值，不符合保险选择的要求。真正发生相间短路时，保险不能可靠灭弧而引起事故扩大，是一个潜在的重大隐患。在电力系统中，110 kV及以上的PT一直是不装保险的，重要原因是无法提供能满足开断电流和容量的产品，天一电厂PT保险也存在同样的问题。

（2）保险熔断与差动保护没有选择性配合。天一电厂发电机和发变组均装有比率制动式差动和差动速断保护，PT出口相间短路差动保护必定快速瞬时启动，这与保险在时间上不可能有选择性配合。

PT高压引线相间短路的机率是非常小的，如果认为可以不予考虑，那么从短路保护的角度看，保险也就没有必要存在。

2.2 单相接地故障分析

2.2.1 单相接地电流

发电机出口回路单相接地故障电流的大小与中性点接地方式有关，表5列出了天一电厂采用不同中性点接地方式时的数据，其中不接地和消弧线圈接地方式是现场实测，对于高阻接地方式，一般取则（IC为电容电流）。天一电厂采用的是消弧线圈接地方式，接地电流比其它两种方式大大减少。

表5 不同中性点接地方式单相接地电流

2.2.2 单相接地时通过PT一次保险的电流

（1）接地点在PT引线、高压套管，保险就会流过总的接地电流2.18 A，PT开口三角零序电压达到100 V，而发电机零序电压保护定值为10 V，必然动作按保护延时2.9 s跳闸，保险时间-电流特性的数据见表6。通流2.9 s时，0.5 A、1 A保险的熔断电流分别为2.6 A、3.8 A，两种保险都不会熔断。如果接地发生在其它地点，非接地相对地电压升高为线电压，流过保险的电流很小，保险更不会熔断。

表6 保险时间-电流特性数据

（2）接地消失瞬间，非接地相电容通过PT高压绕组放电，产生低频振荡电流，电容的放电过程如下：

正常运行→三相对地均为相电压→C相接地→A、B相电容充电至线电压→C相接地消失→A、B相电容放电至相电压→恢复正常

天一电厂参数为：相对地电容C0=1.268 6μF，回路电感L=3 437 H，R=800 Ω，中性点不接地时的振荡频率为：

振荡电流产生的低频磁链，使PT瞬时饱和，产生超低频饱和过电流，对PT及其一次保险形成冲击。

对于中性点经消弧线圈接地方式，故障消失后，非接地相电容储存的对应于线电压的电荷，除通过自身PT一次绕组放电外，还可以通过发电机定子相绕组XG、消弧线圈XL放电，见图3。对天一电厂，XG=0.925 Ω，XL=944.5 Ω，XPT=985 kΩ，XG、XL串联值要比XPT小得多，因此分流通过PT及其一次保险的振荡电流很小，PT一次保险不会过热熔断。接入消弧线圈以后，则振荡电流的频率为：

图3 A相电容放电回路

可见振荡频率比中性点不接地方式时增大，已接近工频。

为清晰了解接地故障消失后的低频振荡情况，用ATP-EMTP软件对中性点不接地和经消弧线圈接地两种情况进行数字仿真（C相接地）。中性点不接地方式振荡电流仿真波形见图4，最大电流峰值约为0.36 A，振荡频率约为2.77 Hz，与计算值差别不大。中性点经消弧线圈接地方式振荡电流仿真波形见图5，最大电流峰值约为30 mA，只有前者的8.3%，振荡频率约为49 Hz，与计算值差别不大。

图4 不接地方式故障消失后的振荡电流波形

图5 经消弧线圈接地方式故障消失后的振荡电流波形

2.3 PT一次侧匝间短路分析

2.3.1 物理模拟试验

PT一次侧匝间短路的电磁关系比较复杂，我们进行了故障模拟试验。实际使用的PT是密封的，不能进行匝间短路试验，这里用三相自耦调压器代替。三相交流电源经隔离变压器后，自成一个小电流接地系统，将三相调压器一相的滑动头与公共点连接，旋动调压器就可以实现不同匝数的短路。

图6示出了零序电压3U0随短路匝数比α变化的曲线，可见，3U0随α的增加而增大，当α很小时，3U0随α的增加上升很快，以后3U0的增加逐渐减缓。当接入消弧线圈L时，3U0随α增加的变化趋势一致，但在α较小时，3U0的数值略低，随着α的增加差值减少。

图6 中性点位移电压与α关系曲线

图7表示了I/I0（短路前空载电流）随α变化的曲线，可见匝间短路相的电流随短路匝数比α的增加而增大，I/I0开始上升较快，以后逐渐趋缓，接入消弧线圈时，电流大幅减小。当α=100%时就是单相直接接地，这时短路相保险流过单相直接接地总电流。由于发生匝间短路故障是从很少匝数开始发展的，3U0达到零序保护定值会动作跳闸，故匝间短路不可能使α=100%，匝间短路一次电流必定小于单相直接接地电流2.18 A，PT保险不会熔断。

图7 短路相电流倍数与α关系曲线

2.3.2 PT一次侧匝间短路实例

这里收集了一些PT一次匝间短路实例[10-13]，有关数据见表7。可以看到：①匝间短路都引起零序保护动作跳闸，其中例5的短路匝数比只有2.3%，零序电压也有12 V；②PT一次保险都未熔断；③电压最高相的下一相为故障相；④故障相的直流电阻减小。可见运行实践与理论分析是一致的。

表7 PT一次侧匝间短路实例数据

2.4 PT二次侧短路分析

2.4.1 短路电流计算

经测试得天一电厂的PT短路阻抗为13.86 kΩ，计算出一次短路电流为：

2.4.2 PT二次短路仿真

二次短路时PT一次短路电流仿真波形见图8。一次短路电流基本上是正弦基波，稳态电流峰值约为1.1 A，有效值为0.78 A，与计算值0.75 A基本一致。

图8 二次短路时的一次电流波形

由此可见，PT二次短路时，尽管一次短路电流增大，但仍不能使0.5 A和1 A的保险熔断。

2.5 传递过电压分析

主变有各种传递过电压，这里只计算电厂高压系统接地短路时的过电压，其它过电压时程很短，对保险发热影响很小。根据天一电厂参数算出零序电压UH0=43.6 kV。低压侧的传递过电压UL0，可由下式计算[14]：

式中，C∑为三相对地总电容，C∑=3C0=1.268 6×3=3.81 μF；Q为品质因数，Q=XL/R∑，R∑=RL+RW，RL在消弧线圈2-3档时的实测电阻是5.3 Ω，外串电阻为40 Ω；K为脱谐度，K=XL/XC，XC=1/3ωC=834.5 Ω。CM可用经验公式进行计算[15]，式中Se为变压器额定容量（MVA），天一电厂为380 MVA，当变压器高压侧额定电压为220 kV时，Km0取4.7，CM计算得：

用消弧线圈不同档位的参数代入，就可以算出传递过电压UL0，计算数据见表8。

表8 消弧线圈不同档位传递过电压

由此可见，UL0和3U0随脱谐度K而变，当K=1.0有最大值。发电机出口各相对地电压是相电压与UL0的矢量和，消弧线圈在2-3档时，UL0=1.005 kV，就算与某一相电压同相位，最高的相对地电压也只有11.4 kV，查PT励磁特性流过一次保险的电流只有0.006 7 A，保险不会熔断，但UL0对3U0的影响较大。

2.6 PT绕组接地

由于PT一次绕组中性点接地，一次绕组某点接地，相当于接地点与中性点之间的线圈匝间短路，上述对PT匝间短路的分析完全适用。

2.7 铁磁谐振

当发电机中性点通过消弧线圈接地时，在零序等效电路中，消弧线圈的电抗XL、PT励磁电抗XPT、对地电容容抗XC三者是并联关系，天一电厂XPT=985 kΩ，XC=834.5 Ω，XL=944.5 Ω，可见XL比XPT小得多，XPT的变化对并联后的等值电抗的影响微乎其微，不会产生PT铁磁谐振。

2.8 汇总

除相间短路外，其它各种故障时保险通过的电流见表9。零序保护延时2.9 s时，0.5 A、1.0 A保险的熔断电流为2.6 A、3.8 A，可见各种故障时，PT一次保险都不会熔断。

表9 各种故障保险通过的电流

3 保险误熔断现有防治措施分析

3.1 提高PT一次保险的额定电流

以往PT一次保险的额定电流都是0.5 A，近年来PT一次保险误熔故障事件并不少见，提高保险的额定电流就顺理成章作为一项防治措施，一般将保险的额定电流提高到1～2 A。

（1）这一措施是基于认为保险是通流过热熔断的，但保险故障的初始阶段并非“熔断”，而是诸多因素复合起作用并逐步积累，由某种诱因激发而断裂。同时，熔丝断裂的主要原因是主变传递过电压和开停机励磁涌流冲击，保险通流发热只是次要的因素，企图通过降低熔丝温升这单一且非主要因素，解决诸多因素复合作用的问题，效果显然不理想。天一电厂的运行表明，2009年将0.5 A的保险全部更换为1 A后，开始几年误熔故障较少，但从2016年开始，连续4年均发生PT保险熔断故障，这说明保险更换初期误熔情况虽然有了一定的改善，但主要得益于更换后各种因素对保险不利影响的积累得以清零的结果。

（2）一直沿用的0.5 A保险，己经比PT的额定电流或极限电流大很多倍。例如，天一电厂PT的额定容量是30 VA，极限容量是600 VA，额定电流和极限电流分别为0.002 98 A和0.058 A，0.5 A电流是PT额定电流的168倍，是极限电流的8.6倍，可见0.5 A保险对于保护PT来说电流太大了（采用0.5 A主要考虑机械强度），不能保证PT不损坏，而再提高保险的额定电流，显然更进一步削弱甚至完全失去了保险对PT的保护作用。由此可见，提高保险额定电流的措施，实际上就是向取消保险的趋势发展。

3.2 减小熔体的电阻

0.5 A保险的电阻大约为200 Ω，有些电厂为应对PT保险误熔故障，大幅降低熔体的电阻，例如，文献[4]中熔体由康铜改为银镍合金，熔体的电阻约为14 Ω，天一电厂更换为1 A的保险电阻更是小至4.3 Ω，保险的发热量是大大减小了。但实际上PT保险误熔是在正常小电流的情况下发生的，故这一措施针对性不强，不会有明显的效果，天一电厂的运行实践就说明这一点。同时，大幅降低熔体的电阻可能会使保险的熔断特性变差，对天一电厂1 A的保险进行测试，通流时间2.9 s时大于5.5 A才熔断，比典型特性的3.8 A增大很多。这一措施实际上也是向取消保险的趋势发展。

3.3 定期更换PT一次保险

定期更换PT一次保险，使经过一定时间运行而产生缺陷的保险退役，对降低保险误熔的机率肯定是有利的。但是，各个保险所受的诸多因素影响是不同的，而保险误熔前往往没有征兆，只好盲目地把全部保险一次性更换。这样不但增加了维护成本，同时也增加了设备的操作和维护工作量。

由此可见，由于对PT保险误熔的机理缺乏全面的、正确的认识，现有措施都是基于保险“过热熔断”的观点提出的，没有对症下药，效果不佳，解决误熔问题不能囿于保险本身，需要从传统观念上突破。

4 结论

（1）PT一次保险误熔是在小电流下发生的，具有慢熔的特点，是热老化效应、伸缩疲劳效应、电动力疲劳效应复合作用并不断积累的结果。在导致误熔的诸多因素中，开停机励磁涌流冲击和主变传递过电压冲击，是熔丝断裂的主要因素。

（2）天一电厂PT高压出口引线或套管相间短路时，PT一次保险的开断电流和开断容量不满足要求，存在保险不能可靠灭弧而引起事故扩大和设备损坏的隐患，还存在保险熔断与发电机差动保护没有选择性配合的问题。因此，大中型发电机PT一次保险应进行短路校验。

（3）天一电厂PT一次保险在相间短路时存在隐患，而其它各种故障时，保险都不会熔断，因此取消PT一次保险而用硬导线代替的措施是完全可行的，也是十分必要的。这一措施的实施从根本上杜绝了PT一次保险误熔故障，显著提高了电厂以至整个系统运行的安全性，减少运行维护工作量，对水电厂实施远程监控也十分有利，有着显著的社会和经济效益，具有创新性和实用性。

（4）对于中性点经消弧线圈接地的电厂，取消PT一次保险而用硬导线代替的措施有普遍的推广应用价值，因为消弧线圈使接地故障电流大大减小、接地消失后通过保险的低频振荡电流很小、接地电弧熄灭不重燃、不产生铁磁谐振等特性是共有的。对采用中性点高阻接地的电厂，也有实用参考价值，因接地电流较大，理论上讲个别故障时PT保险可能先于零序保护动作前熔断，但PT本身故障的机率很低（天一电厂20年为零故障），能使保险熔断的机率就更小，而保险误熔的机率可能大得多，要根据“厂情”具体分析论证。

（5）用硬导线代替PT一次保险的措施十分简单易行，改造成本几乎为零，设备不需作任何变动，现有继电保护的配置、接线、整定值都不用作任何改变。