劉仁惠

（華能?chē)?guó)際電力股份有限公司上安電廠，石家莊 050310）

1 概述

某電廠4號(hào)發(fā)電機(jī)的型號(hào)為 QFSN－300－2－20，額定容量300MW、定子額定電壓20kV、額定電流10.19kA，冷卻方式為“水－氫－氫”方式，定、轉(zhuǎn)子絕緣等級(jí)均為F級(jí)。該發(fā)電機(jī)于1997年10月投運(yùn)，發(fā)電機(jī)本體及TV、避雷器等主要附屬設(shè)備均未發(fā)生過(guò)電氣故障。

4號(hào)發(fā)電機(jī)與主變壓器采用單元制接線方式，發(fā)電機(jī)出口經(jīng)封閉母線與主變壓器、廠用變壓器、勵(lì)磁變壓器、出口TV、避雷器等設(shè)備相連，系統(tǒng)接線方式見(jiàn)圖1。發(fā)電機(jī)保護(hù)R1盤(pán)95%定子接地保護(hù)零序電壓取自發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電抗器，R2盤(pán)95%定子接地保護(hù)零序電壓取自發(fā)電機(jī)機(jī)端TV3開(kāi)口三角零序電壓。2套接地保護(hù)動(dòng)作電壓定值均為5V，跳閘時(shí)間定值為0.2s。

圖1 發(fā)電機(jī)接線示意

2 故障情況

在4號(hào)機(jī)組帶有功負(fù)荷178MW穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突然跳閘，“發(fā)電機(jī)95%定子接地”和“發(fā)電機(jī)定子接地”保護(hù)動(dòng)作光字牌亮；R1盤(pán)內(nèi)95%定子接地保護(hù)機(jī)端接地跳閘繼電器動(dòng)作；R2盤(pán)內(nèi)95%定子接地保護(hù)跳閘出口繼電器動(dòng)作，跳閘燈亮。

根據(jù)保護(hù)動(dòng)作情況和故障錄波器波形分析，初步認(rèn)定發(fā)電機(jī)接地保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生了接地故障。零序電壓和電流的衰減過(guò)程表明，在發(fā)電機(jī)出口主開(kāi)關(guān)跳閘后，接地故障仍然存在，表明接地點(diǎn)在發(fā)電機(jī)側(cè)。從發(fā)電機(jī)電流、電壓、溫度等監(jiān)視數(shù)據(jù)看，故障前定子鐵心、定子繞組均沒(méi)有明顯的參數(shù)變化，跳閘前機(jī)組沒(méi)有任何異常征兆，說(shuō)明接地故障是突發(fā)性的?；仡櫃C(jī)組運(yùn)行情況，4號(hào)機(jī)組曾發(fā)生過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的異常振動(dòng)，使鐵心端部壓緊環(huán)多條螺栓松動(dòng)，而且其中一條螺栓脫落，發(fā)電機(jī)內(nèi)局部有絕緣材料由于振動(dòng)摩擦而脫落的粉末。當(dāng)時(shí)利用停機(jī)機(jī)會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部進(jìn)行了檢查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)鐵心或繞組損壞情況，但不能排除由于振動(dòng)而在隱蔽部位出現(xiàn)故障隱患的可能。因此，故障發(fā)生后，懷疑發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生接地故障。

3 故障點(diǎn)排查及處理

3.1 設(shè)備檢查

對(duì)發(fā)電機(jī)本體、出口封閉母線、主變壓器低壓側(cè)、廠用變壓器、勵(lì)磁變壓器、出口TV、出口避雷器、中性點(diǎn)電抗器等進(jìn)行全面檢查，具體步驟和結(jié)果如下：

a.發(fā)電機(jī)本體、出口封閉母線、主變壓器低壓側(cè)、廠用變壓器、勵(lì)磁變壓器等設(shè)備外觀未見(jiàn)異常，無(wú)異味。將所有出口TV和避雷器拉出間隔，其外觀完好，間隔內(nèi)清潔無(wú)異物；

b.測(cè)量上述設(shè)備的絕緣，儀表顯示絕緣良好，檢查、測(cè)量TV二次回路，絕緣正常，外觀完好；

c.將發(fā)電機(jī)和與其連接的設(shè)備分離，再次對(duì)各設(shè)備進(jìn)行絕緣測(cè)量和耐壓試驗(yàn)，結(jié)果正常。

3.2 繼電保護(hù)裝置檢驗(yàn)

在設(shè)備檢查沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常的情況下，對(duì)2套定子接地保護(hù)裝置再次進(jìn)行校驗(yàn)，以重新確認(rèn)發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置動(dòng)作的正確性。保護(hù)裝置校驗(yàn)結(jié)果為：R1、R2盤(pán)定子接地保護(hù)的動(dòng)作電壓分別為5.01V、5.03V，動(dòng)作時(shí)間分別為0.198s、0.21s。

比較故障前后發(fā)電機(jī)定子三相工頻電壓錄波數(shù)據(jù)（錄波時(shí)間2.5s），波形顯示定子電流故障前后無(wú)明顯變化，均為5 100A左右。故障前，發(fā)電機(jī)定子電壓三相對(duì)稱，故障后，U、V相電壓略有降低，W相電壓略有升高，開(kāi)口三角和中性點(diǎn)均出現(xiàn)零序分量，其中，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)三倍零序電流3I0為223 mA，三倍零序電壓3U0為2 300V（正常運(yùn)行中滿負(fù)荷情況下，3I0、3U0約為50mA、200V）。發(fā)電機(jī)出口TV4開(kāi)口三角零序電壓故障前、后分別為0.297kV、2.353kV，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)TA零序電流故障前、后分別為0.025A、0.224A，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電抗器電壓故障前、后分別為0.210 8kV、1.384kV。

保護(hù)定值檢查和裝置校驗(yàn)結(jié)果表明，保護(hù)動(dòng)作前后零序電壓、電流參數(shù)均有明顯變化，具有接地故障的典型特征，且達(dá)到保護(hù)動(dòng)作條件，保護(hù)動(dòng)作是正確的。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了盡快查明原因，分別對(duì)有關(guān)一次設(shè)備進(jìn)行了2倍額定直流耐壓和1.5倍額定交流耐壓試驗(yàn)，各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)均正常。對(duì)發(fā)電機(jī)出口三相避雷器進(jìn)行電導(dǎo)電流測(cè)試，未發(fā)現(xiàn)異常。由于TV結(jié)構(gòu)上采用分級(jí)絕緣形式，不宜進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，所以用2 500 V搖表?yè)u測(cè)TV絕緣，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常情況。對(duì)發(fā)電機(jī)做零起升壓試驗(yàn)，定子電壓升至4 200V時(shí)，保護(hù)盤(pán)定子接地動(dòng)作指示燈亮，發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)再次動(dòng)作跳閘。用于試驗(yàn)測(cè)量的表計(jì)顯示3U0為7.8 V，錄波波形顯示3U0與定子電壓同步出現(xiàn)，定子建立電壓后677ms出現(xiàn)中性點(diǎn)零序電流，電流強(qiáng)度為80mA，接地特征明顯。

檢查各TV無(wú)斷相、無(wú)接地、直阻正常，用2 500V搖表檢測(cè)各TV絕緣，結(jié)果正常，TV二次回路檢查未見(jiàn)異常，對(duì)TV進(jìn)行30kV交流耐壓試驗(yàn)，結(jié)果正常。

3.4 故障點(diǎn)確定

絕緣檢測(cè)和直流耐壓試驗(yàn)的結(jié)果表明不存在“發(fā)電機(jī)定子系統(tǒng)接地”，而保護(hù)動(dòng)作情況和零起升壓試驗(yàn)的結(jié)果表明存在“發(fā)電機(jī)定子系統(tǒng)接地”，兩者矛盾。

通過(guò)梳理已經(jīng)完成的檢查、測(cè)試工作，唯一沒(méi)有經(jīng)過(guò)耐壓試驗(yàn)的設(shè)備只有發(fā)電機(jī)出口TV。結(jié)合故障現(xiàn)象和零起升壓試驗(yàn)情況，進(jìn)一步分析認(rèn)為，使用儀表絕緣測(cè)量與實(shí)際運(yùn)行中TV的工作環(huán)境存在差別。同時(shí)，系統(tǒng)檢查時(shí)的分割也改變了設(shè)備及系統(tǒng)的電氣性質(zhì)，這就是故障點(diǎn)一直沒(méi)有暴露的直接原因。

因此，將故障點(diǎn)確定在TV一次側(cè)，各組TV推入工作位置，模擬正常運(yùn)行工況，按正常運(yùn)行時(shí)的電氣一次接線方式在發(fā)電機(jī)出口接入運(yùn)行電壓，依次對(duì)發(fā)電機(jī)出口三相TV進(jìn)行試驗(yàn)。將W相和V相TV一次側(cè)電壓升至11.5kV，檢測(cè)TV二次電壓均為57V，說(shuō)明W相和V相TV正常。在對(duì)U相加壓時(shí)，故障現(xiàn)象出現(xiàn)了，表現(xiàn)為一次電壓不能建立，且伴有電流明顯增大，逐個(gè)測(cè)量U相各TV二次側(cè)均無(wú)電壓，至此故障點(diǎn)確定在U相。最后，采用排除法將U相的4個(gè)TV逐個(gè)拉出間隔進(jìn)行排查，當(dāng)拉出第4組TV即TV4時(shí)，故障特征消失，確定U相TV4存在故障。

更換新的U相TV后經(jīng)全面檢查，發(fā)電機(jī)重新啟動(dòng)并網(wǎng)，一切恢復(fù)正常。

4 故障原因及性質(zhì)

由于發(fā)電機(jī)出口U相TV4的絕緣帶缺陷長(zhǎng)期運(yùn)行，在發(fā)電機(jī)正常電壓下，繞組絕緣發(fā)生電擊穿，導(dǎo)致定子接地保護(hù)動(dòng)作跳閘。而且TV4的絕緣擊穿只是電氣擊穿，尚未形成物理?yè)舸?，外觀沒(méi)有燒損跡象，不帶電壓時(shí)絕緣性能可自行部分恢復(fù)，在搖表的電壓作用下不被擊穿，表現(xiàn)為絕緣正常，外觀也完好。但是，其匝間絕緣性能已無(wú)法承受正常運(yùn)行情況下和零起升壓時(shí)的發(fā)電機(jī)出口電壓，這就是TV接入發(fā)電機(jī)系統(tǒng)后升壓時(shí)保護(hù)動(dòng)作跳閘，而搖表測(cè)試時(shí)顯示絕緣正常的原因。

絕緣材料的擊穿有2種類(lèi)型：電氣擊穿和物理?yè)舸?。一般絕緣擊穿首先是電氣擊穿，故障切除前可發(fā)展為物理?yè)舸?，即永久性擊穿。發(fā)生物理?yè)舸┑慕^緣材料絕緣性能完全喪失，可伴有絕緣材料燒損、異味產(chǎn)生和外觀損壞等；如果電氣擊穿后故障瞬間切除，或雖然故障延時(shí)切除，但電氣擊穿的能量較小，都可能不會(huì)發(fā)展為物理?yè)舸?，故障切除后絕緣性能可以自行恢復(fù)或部分恢復(fù)。此次，4號(hào)發(fā)電機(jī)出口U相TV4絕緣材料損壞狀態(tài)處于電氣擊穿向物理?yè)舸┑陌l(fā)展階段，絕緣材料尚未完全損壞。

5 結(jié)束語(yǔ)

該電廠4號(hào)發(fā)電機(jī)出口TV為澆注式單相電壓互感器，型號(hào)為JDZX1－20，為早期產(chǎn)品，制造工藝相對(duì)落后，質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)廠家已經(jīng)改進(jìn)了生產(chǎn)工藝，產(chǎn)品進(jìn)行了升級(jí)換代。故障后，利用停機(jī)機(jī)會(huì)更換了全部早期的TV產(chǎn)品，機(jī)組運(yùn)行可靠性得到了提升。同時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)化絕緣監(jiān)督工作，加強(qiáng)對(duì)TV設(shè)備的定期檢查試驗(yàn)工作，以利于設(shè)備缺陷的早發(fā)現(xiàn)、早處理，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。