張兵海，孟凡超，蘇艷賓，諶 偉

（1.國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021；2.國電河北龍山發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 邯鄲 056400；3.神華河北國華定州發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 保定 073000）

近年來，河北多次發(fā)生發(fā)電機(jī)電壓互感器（TV）一次熔斷器在正常運行過程中突然熔斷，造成發(fā)電機(jī)組非計劃停機(jī)的故障，故障停機(jī)的繼電保護(hù)有發(fā)電機(jī)過激磁保護(hù)、定子3U0接地保護(hù)和定子匝間保護(hù)。發(fā)電機(jī)TV一次熔斷器熔斷后在安全措施可靠的情況下允許在運行狀態(tài)進(jìn)行更換，不要求機(jī)組立即停機(jī)，因此在發(fā)變組保護(hù)、勵磁調(diào)節(jié)器中均設(shè)計有TV斷線的判別邏輯（用于反應(yīng)TV一次、二次斷線），用于閉鎖TV斷線后可能誤動作的發(fā)變組保護(hù)或者將雙通道配置的勵磁調(diào)節(jié)器切換到未斷線TV對應(yīng)的通道。從案例分析可知，由于發(fā)電機(jī)TV運行位置的特殊性，發(fā)生一次熔斷器熔斷后的TV斷線邏輯通常來不及動作或動作門檻不滿足而不能動作，進(jìn)而導(dǎo)致故障擴(kuò)大引起保護(hù)動作導(dǎo)致機(jī)組跳閘。在TV一次熔斷器的選用方面，國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)均是只有標(biāo)準(zhǔn)號而沒有實際內(nèi)容，無標(biāo)準(zhǔn)可依導(dǎo)致TV一次熔斷器在制造、試驗、選型、運行、維護(hù)等方面不夠規(guī)范。以下從實際案例入手對發(fā)電機(jī)TV一次熔斷器的幾起典型故障情況進(jìn)行分析探討。

1 幾起典型故障介紹

1.1 案例1

河北省南部電網(wǎng)某600 MW機(jī)組運行過程中，發(fā)電機(jī)機(jī)端TV1 W相一次熔斷器熔斷，熔斷后W相電壓并未降到0 V，但由于斷口弧光的存在，使W相電壓略有降低。發(fā)變組A套保護(hù)使用TV1電壓，A套保護(hù)報TV斷線，發(fā)變組B套保護(hù)使用TV2電壓，B套保護(hù)無報警；勵磁調(diào)節(jié)器A通道為TV1電壓，B通道為TV2電壓，勵磁調(diào)節(jié)器均無報警。勵磁調(diào)節(jié)器A通道TV斷線邏輯未動作，未進(jìn)行通道切換。自動運行方式的勵磁調(diào)節(jié)器以機(jī)端三相相電壓的平均值為基準(zhǔn)進(jìn)行勵磁調(diào)節(jié)，由于故障TV的W相電壓降低，A通道測到的三相電壓均值降低。勵磁調(diào)節(jié)器增加勵磁電流，但A通道測到的三相機(jī)端電壓并未隨著升高（實際機(jī)端電壓已升高），因此勵磁調(diào)節(jié)器繼續(xù)升高勵磁電流，最終導(dǎo)致發(fā)電機(jī)過電壓。發(fā)電機(jī)過勵磁保護(hù)動作門檻為大于1.1 Ue進(jìn)入發(fā)電機(jī)過激磁保護(hù)的反時限動作區(qū)，錄波數(shù)據(jù)顯示發(fā)電機(jī)電壓已超過1.2 Ue，因此發(fā)電機(jī)過勵磁保護(hù)動作跳閘。發(fā)電機(jī)保護(hù)及勵磁調(diào)節(jié)器機(jī)端TV配置見圖1。

1.2 案例2

冀北電網(wǎng)某300 MW機(jī)組運行過程中，發(fā)電機(jī)機(jī)TV1的U相一次熔斷器熔斷，熔斷后同樣因為弧光的存在引起U相TV諧振，發(fā)電機(jī)機(jī)端三相對地阻抗改變，導(dǎo)致取用發(fā)電機(jī)中性點TV的發(fā)電機(jī)定子3 Ue接地保護(hù)動作跳閘，錄波截圖見圖2。

圖1 發(fā)電機(jī)保護(hù)及勵磁調(diào)節(jié)器機(jī)端TV配置

圖2 案例2的發(fā)變組故障錄波截圖

1.3 案例3

河北省南部電網(wǎng)某200 MW機(jī)組運行過程中，發(fā)電機(jī)機(jī)端TV3（匝間保護(hù)專用）W相一次熔斷器熔斷，同樣因為弧光的存在，TV斷線邏輯沒有啟動，未能將發(fā)電機(jī)匝間保護(hù)閉鎖，匝間保護(hù)也未取用負(fù)序功率方向閉鎖，最終發(fā)電機(jī)匝間保護(hù)動作跳閘。

1.4 案例4

河北省南部電網(wǎng)某600 MW機(jī)組運行過程中，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓互感器TV1的V相一次熔斷器熔斷，因為弧光的存在，現(xiàn)象同案例1。當(dāng)時發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓已接近1.1 Ue，因為運行人員反應(yīng)較快且現(xiàn)場有檢修人員，將勵磁調(diào)節(jié)器通道進(jìn)行了切換，從而避免了一次停機(jī)故障。

2 故障的原因分析

熔斷器熔斷后因為工作位置電壓非常高，反復(fù)拉弧是不可避免的，熄弧速度取決于熔斷形成的斷口大小和滅弧介質(zhì)的特性［1］。TV一次熔斷器滅弧介質(zhì)一般為石英沙。正常運行TV一次熔斷器熔斷與短路熔斷不同，短路時電流較大，從而形成的斷口也大，通過石英沙的流動可實現(xiàn)快速熄??；正常運行過程由于TV并無異常，因此熔斷前的熔斷器通過電流非常?。ㄐ∮?.5 A），從而形成的斷口也非常小，引起石英沙流動的可能性較小，只能通過反復(fù)拉弧使斷口擴(kuò)大后，由填補(bǔ)斷口的石英沙來促進(jìn)滅弧，因此正常運行過程中的熔斷器從熔斷到徹底熄弧斷開需要的時間較長。在長時間的拉弧過程中，因為弧光電阻的存在，對應(yīng)相的發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓降低不明顯，因此保護(hù)和勵磁的TV斷線邏輯不能可靠動作，從而不能對保護(hù)進(jìn)行閉鎖或者使勵磁調(diào)節(jié)器切換通道，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)電壓異常，或者因為弧光的存在導(dǎo)致對應(yīng)相TV諧振，最終導(dǎo)致相應(yīng)繼電保護(hù)動作跳閘。

熔斷器分為帶瓷芯（中間瓷柱）和不帶瓷芯2種，在正常運行過程中的熔斷熄弧速度方面有明顯差別。帶瓷芯熔斷器的熔絲纏繞在瓷柱上，且匝間間距較大，不帶瓷芯熔斷器熔絲匝間間距較??；帶瓷芯熔斷器熔絲張力也比不帶瓷芯熔絲的張力大，不帶瓷芯熔絲熔斷后張力僅取決于熔絲重力，此重力對斷口擴(kuò)大的影響非常小，見圖3。因此不帶瓷芯熔斷器在小于其額定電流工作時，其熔斷熄弧速度遠(yuǎn)小于帶瓷芯熔斷器。

圖3 帶瓷芯和不帶瓷芯的TV一次熔斷器熔斷后的解體（左為不帶瓷芯，右為帶瓷芯）

以上4個案例中發(fā)電機(jī)TV一次熔斷器均為不帶瓷芯的熔斷器。GB 15166—2008《高壓交流熔斷器》對應(yīng)于IEC 60282，由于IEC 60282－7內(nèi)容空缺，GB 15166.7－2008《高壓交流熔斷器第7部分：電壓互感器保護(hù)用熔斷器的選用導(dǎo)則》也是空缺的，并且GB 15166—2008并未對熔斷器正常運行時的熔斷熄弧時間進(jìn)行規(guī)定，因為熄弧特性取決于熔斷器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝和材料，在三者相近的情況下，燃弧熄弧水平主要依靠熔斷后的斷口大小。由圖3可知，帶瓷芯熔斷器熔斷后斷口明顯大于不帶瓷芯熔斷器，因此發(fā)電機(jī)TV的一次熔斷器應(yīng)選擇為帶瓷芯熔斷器。

一般發(fā)電機(jī)TV一次熔斷器額定電流為0.5 A，GB 15166—2008中規(guī)定的弧前時間、燃弧時間以及安秒特性等參數(shù)，均為回路電流大于額定電流時所對應(yīng)的特性。按照TV額定二次負(fù)載及勵磁特性計算可知，在正常電壓情況下，TV一次工作電流小于0.1 A，因此正常運行熔斷器熔斷后的斷口間距不明顯，而且由于電流小于額定電流，熄弧特性差于被保護(hù)設(shè)備短路時的熄弧特性，只有通過弧光燃燒使斷口擴(kuò)大到足以熄弧的間距時才可以完全熔斷。從熔斷后燃弧到完全熔斷需要一定的時間，由于弧光的存在，可能造成TV諧振、TV斷線邏輯不滿足動作條件等，使定子接地保護(hù)、匝間保護(hù)、過勵磁保護(hù)動作。

3 故障的預(yù)防措施

a.根據(jù)GB 15166.2—2008《高壓交流熔斷器第2部分：限流熔斷器》第9條選用導(dǎo)則說明，高壓熔斷器至少應(yīng)受到與被保護(hù)設(shè)備中精密制造元件同等程度的重視，跌落后或受過嚴(yán)重機(jī)械撞擊后，應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格檢查。該條款尤其對于不帶瓷芯的TV熔斷器重要。埋于石英沙中的熔絲在偏離瓷套管中間位置，因為阻值特性變化，在運行過程中其薄弱部分在機(jī)組因外部過電壓的暫態(tài)沖擊時肯定易于熔斷。由GB 15166.7—2008的缺失，在TV保護(hù)用熔斷器的選擇時，建議選擇帶瓷芯的熔斷器，對于在運的不帶瓷芯的熔斷器投用時應(yīng)進(jìn)行阻值的精確測試（而不是簡單測試其通斷），測試數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)比較并進(jìn)行橫向的相間數(shù)據(jù)比較。雖然因為移位變形所致的阻值變化不明顯，但仍有必要做此項試驗。

b.調(diào)整勵磁調(diào)節(jié)器中TV判斷邏輯。雙通道配置的每一個通道應(yīng)按主從關(guān)系引入2組TV電壓，在原有TV斷線判斷邏輯（只判測一組TV電壓）基礎(chǔ)上增加2組TV的橫向比較邏輯。這樣可以避免只判斷一組TV電壓時由于動作門檻原因所帶來的保護(hù)盲區(qū)，有助于出現(xiàn)以上故障時的早期通道切換，并應(yīng)增加勵磁系統(tǒng)的遠(yuǎn)方（指DCS畫面）運行人員的“切換通道”控制，便于發(fā)現(xiàn)問題后及時進(jìn)行勵磁的通道切換，再通過閉鎖投退相關(guān)保護(hù)，在不停機(jī)情況下更換故障熔斷器。

c.對于TV一次熔斷器熔斷后燃弧引起TV諧振（或稱為TV鐵心飽合）的問題［3］，因為發(fā)電機(jī)系統(tǒng)不是直接接地系統(tǒng)，發(fā)生發(fā)電機(jī)定子繞組非金屬性接地故障后，如果接地保護(hù)未及時動作跳閘或動作延時較長，電容電流的因素可能造成接地相TV諧振，使TV損壞或一次熔斷器熔斷。選擇飽合倍數(shù)高的TV，在熔斷器熔斷斷口燃弧過程中不易發(fā)生諧振或飽合，通過運行人員采取措施后不致于導(dǎo)致接地保護(hù)動作跳機(jī)。

d.發(fā)電機(jī)定子3 U0接地保護(hù)當(dāng)前多取用發(fā)電機(jī)中性點TV二次電壓（或接地變壓器二次電壓），其好處是可不考慮發(fā)電機(jī)中性點TV斷線閉鎖，相對取用機(jī)端TV開口角電壓可簡化保護(hù)邏輯，但是在機(jī)端TV一次熔斷器正常運行熔斷后，斷口燃弧引起TV飽合，定子對地三相阻抗不對稱，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)中性點電壓偏移，如案例2，取用發(fā)電機(jī)中性點的定子3 U0接地保護(hù)將動作跳機(jī)，如采用機(jī)端TV開口角電壓則因為有TV斷線閉鎖可有效避免跳機(jī)。研究認(rèn)為，在保護(hù)動作和閉鎖邏輯完整情況下，考慮TV故障和一次熔斷器故障發(fā)生的概率，取用機(jī)端TV開口角電壓的定子3 U0接地保護(hù)優(yōu)于取用發(fā)電機(jī)中性點的情況。

e.發(fā)電機(jī)定子匝間保護(hù)一般均配置有負(fù)序功率方向閉鎖邏輯，發(fā)生匝間專用TV一次熔斷器熔斷的情況，因為有負(fù)序功率方向元件的閉鎖則可以防止匝間保護(hù)誤動，部分廠家發(fā)電機(jī)定子匝間保護(hù)的閉鎖不是負(fù)序功序方向元件，如案例3，發(fā)電機(jī)匝間保護(hù)分靈敏段和次靈敏段，次靈敏段無TV斷線閉鎖和其他閉鎖且無動作延時，雖然門檻整定較高，但案例3情況仍可導(dǎo)致其動作跳閘。

研究認(rèn)為，發(fā)電機(jī)定子匝間保護(hù)不宜投入沒有任何閉鎖的保護(hù)段，采用2組TV平衡原理的斷線閉鎖邏輯和負(fù)序功率方向元件的閉鎖邏輯是比較完善的配置。

f.TV一次熔斷器屬于電氣一次設(shè)備范疇，一次設(shè)備發(fā)生故障或異常需要停機(jī)是正常的。從發(fā)電機(jī)TV熔斷器熔斷的結(jié)果看，如其引起TV飽合、損壞TV已屬于故障范圍擴(kuò)大，如果從運行中更換一次熔斷器需要投退相關(guān)保護(hù)操作的復(fù)雜程度和在帶電區(qū)域更換熔斷器的安全性角度分析，熔斷器熔斷后停機(jī)更換是安全的，但由此帶來的發(fā)電量損失及非停考核則需要進(jìn)行各角度的斟酌權(quán)衡。

4 結(jié)論

a.在GB 15166.7—2008缺失的情況下，可參考GB 15166.2—2008的相關(guān)條款進(jìn)行TV保護(hù)用熔斷器的選擇及運行維護(hù)，應(yīng)盡量選擇帶瓷芯的熔斷器。

b.發(fā)變組繼電保護(hù)和勵磁系統(tǒng)的TV斷線閉鎖邏輯應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化。繼電保護(hù)在保證“四性”前提下，也應(yīng)防止出現(xiàn)不必要的停機(jī)，勵磁系統(tǒng)各限制、閉鎖模塊的整定和功能也應(yīng)與繼電保護(hù)的相關(guān)邏輯進(jìn)行配合；發(fā)電機(jī)TV一次熔斷器故障引起的保護(hù)動作停機(jī)宜按故障停機(jī)考慮，相關(guān)保護(hù)及自動裝置的動作或不動作不宜按誤動或拒動考慮。

［1］ 王季梅，嚴(yán)煥玲，吳曾訐，等.電壓互感器用全范圍限流熔斷器的研究［J］，高壓電器，2002，38（3）：50－52，54.

［2］ GB 15166—2008，高壓交流熔斷器［S］.

［3］ 豆占良，鄒 暉，于 蒙.發(fā)電廠電壓互感器高壓熔斷器熔斷原因分析［J］，華電技術(shù)，2012，34（9）：23－26.