王明朗

(龍灘水電開(kāi)發(fā)有限公司龍灘水力發(fā)電廠,廣西天峨547300)

一起大型發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電流互感器故障診斷與分析

王明朗

(龍灘水電開(kāi)發(fā)有限公司龍灘水力發(fā)電廠,廣西天峨547300)

通過(guò)對(duì)某大型水力發(fā)電廠一起保護(hù)裝置報(bào)警故障的診斷及分析,明確了由中性點(diǎn)電流互感器損壞導(dǎo)致故障的原因。依據(jù)該廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),提出了對(duì)發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)道測(cè)試并進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改造,以降低發(fā)電機(jī)風(fēng)洞環(huán)境溫度；在銘牌上按國(guó)標(biāo)要求標(biāo)注電流互感器的絕緣耐熱等級(jí)；大型發(fā)電機(jī)應(yīng)選用絕緣耐熱等級(jí)為F級(jí)及以上的電流互感器；相鄰相間電流互感器應(yīng)有足夠的抗干擾距離等改進(jìn)措施。

電流互感器；環(huán)境溫度；耐熱等級(jí)；鄰近效應(yīng)

1 工程概況

某大型水力發(fā)電廠一期工程共裝有7臺(tái)額定功率為700 MW的空氣冷卻水輪發(fā)電機(jī)組。該廠機(jī)組定子繞組為F級(jí)絕緣,每相繞組接線采用8并聯(lián)支路、“Y”型連接結(jié)構(gòu)。在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)處,每相第1、3、5、7支路通過(guò)銅環(huán)引線裝配連接在一起后三相再連接,構(gòu)成中性點(diǎn)第一分支；每相第2、4、6、8支路通過(guò)銅環(huán)引線裝配連接在一起后三相再連接,構(gòu)成中性點(diǎn)第二分支。中性點(diǎn)第一分支與第二分支并聯(lián)后經(jīng)中性點(diǎn)接地變壓器接地。發(fā)電機(jī)保護(hù)采用南京南瑞繼保電氣有限公司RCS-985GW型設(shè)備,依照雙重化原則配置A、B兩套保護(hù)裝置。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)每分支三相各裝設(shè)1臺(tái)P級(jí)保護(hù)用電流互感器(CT),型號(hào)為L(zhǎng)MZB12-20,互感器額定電流比為15 000/1 A,額定輸出15 V·A,準(zhǔn)確級(jí)5P級(jí),準(zhǔn)確限值系數(shù)40,每臺(tái)CT各有兩只二次繞組。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電流互感器及保護(hù)裝置電路見(jiàn)圖1。

2 事故發(fā)生經(jīng)過(guò)

2015年09月10日20∶00 6號(hào)發(fā)電機(jī)帶689 MW有功負(fù)荷運(yùn)行。20∶40監(jiān)控報(bào)“6號(hào)發(fā)電機(jī)保護(hù)A套保護(hù)裝置報(bào)警；6號(hào)發(fā)電機(jī)保護(hù)A套TA斷線”；現(xiàn)場(chǎng)初步檢查保護(hù)裝置顯示：裂相差動(dòng)差流報(bào)警,不完全差動(dòng)2差流報(bào)警,管理板報(bào)警；TA斷線燈亮；裝置報(bào)警燈亮；其他保護(hù)未見(jiàn)異常。立即對(duì)裝置信息

圖1 發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電流互感器及保護(hù)裝置電路

進(jìn)行檢查并監(jiān)視故障發(fā)展趨勢(shì)。在此后至停機(jī)過(guò)程中,第一、第二分支B相CT的二次端子相繼發(fā)生故障,電流發(fā)生偏差, A套裂相橫差差流最大達(dá)到0.22 Ie,B套裂相橫差差流最大達(dá)到0.18 Ie(發(fā)電機(jī)保護(hù)差流報(bào)警值為0.15 Ie,差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作值為0.3 Ie)。裂相橫差及不完全差動(dòng)2保護(hù)相關(guān)中性點(diǎn)CT所測(cè)二次電流見(jiàn)表1。

表1 中性點(diǎn)CT所測(cè)故障電流

3 保護(hù)裝置報(bào)警原因篩查

3.1 發(fā)電機(jī)電氣一次設(shè)備檢查

停機(jī)后,立即對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行電氣試驗(yàn)。使用2 500 V 搖表測(cè)得發(fā)電機(jī)定子繞組1 min的絕緣電阻為165 MΩ,10 min的絕緣電阻為506 MΩ,極化指數(shù)為3.07,滿足環(huán)氧粉云母絕緣定子繞組極化指數(shù)不小于2.0的要求。定子繞組B相一分支直流電阻為1.473 mΩ(20 A)；一分支直流電阻為1.464 mΩ(20 A),互差為0.61%,滿足各分支直流電阻相差不得大于最小值1%的要求。初步排除電氣一次設(shè)備故障導(dǎo)致保護(hù)報(bào)警。

3.2 發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置檢查

檢查保護(hù)裝置采樣板正常。用繼電保護(hù)測(cè)試儀在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)端子箱處,對(duì)保護(hù)裝置分別加1 A三相對(duì)稱電流量至發(fā)電機(jī)A、B套保護(hù)裝置。檢查兩套保護(hù)裝置CPU板、管理板所有采樣幅值及相位均正常,進(jìn)而排除發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置故障導(dǎo)致報(bào)警。

3.3 中性點(diǎn)CT回路檢查

對(duì)連接至CT二次回路及CT外觀進(jìn)行檢查,無(wú)明顯異常。用CT分析儀對(duì)CT進(jìn)行試驗(yàn)分析,其分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

將試驗(yàn)結(jié)果與上次預(yù)防性試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表3)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),兩個(gè)分支B相CT各端子二次繞組電阻、變比、比差、復(fù)合誤差數(shù)值均發(fā)生較大偏差；該5P級(jí)保護(hù)用CT的復(fù)合誤差均已超過(guò)5%的限值；測(cè)得CT變比嚴(yán)重超差,明顯超過(guò)5P級(jí)保護(hù)用電流互感器在額定一次電流下±1%的比值差；各二次繞組均測(cè)不出拐點(diǎn)電壓及拐點(diǎn)電勢(shì),查詢相應(yīng)繞組的勵(lì)磁特性曲線,發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行勵(lì)磁特性測(cè)試過(guò)程中,從低勵(lì)磁起始,施加于二次端子上的正弦波電壓與勵(lì)磁電流之間近似線性關(guān)系,并無(wú)輸出拐點(diǎn)的趨勢(shì)；兩臺(tái)保護(hù)用CT已失去其暫態(tài)特性。故判斷CT內(nèi)部故障導(dǎo)致此次保護(hù)報(bào)警。

4 故障CT解剖檢查

將故障CT剝除環(huán)氧樹(shù)脂絕緣層進(jìn)行解體檢查,

表2 故障后CT分析數(shù)據(jù)

表3 預(yù)防性試驗(yàn)CT分析數(shù)據(jù)(故障前)

解剖后發(fā)現(xiàn)CT二次繞組、屏蔽繞組碳化現(xiàn)象嚴(yán)重,沿環(huán)形鐵芯的二次繞組各部均有碳化現(xiàn)象,部分二次繞組銅引線有明顯的過(guò)熱變色情況發(fā)生；拆解二次繞組發(fā)現(xiàn)碳化現(xiàn)象一直延伸到鐵芯部位,且二次繞組首尾端、屏蔽繞組接頭處碳化現(xiàn)象尤為明顯,鐵芯上也附著有大量碳化物；各層繞組間的環(huán)氧漆絕緣均已脆化。

分析以上現(xiàn)象可得出：CT內(nèi)部整體絕緣熱老化明顯；二次繞組過(guò)熱,相鄰銅引線及銅引線層間發(fā)生碳化,導(dǎo)致繞組匝間絕緣降低并出現(xiàn)多點(diǎn)不確定性短路現(xiàn)象,使得CT二次電流響應(yīng)異常導(dǎo)致保護(hù)裝置報(bào)警。

5 故障主要原因分析

5.1 發(fā)電機(jī)風(fēng)洞溫度較高

該電廠7臺(tái)發(fā)電機(jī)均為立軸半傘式三相凸極同步發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)采用密閉自循環(huán)空氣冷卻方式。在定子機(jī)座外壁均勻地分布了16個(gè)空氣冷卻器,定子鐵心、定子繞組及轉(zhuǎn)子繞組均為空氣冷卻?？諝獾难h(huán)通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的徑向氣流作用來(lái)實(shí)現(xiàn),氣流經(jīng)轉(zhuǎn)子磁軛環(huán)隙、磁極通風(fēng)隙、氣隙、定子鐵芯和機(jī)座導(dǎo)入空氣冷卻器,通過(guò)空氣冷卻器冷卻的氣流再返回到轉(zhuǎn)子上下端 。通風(fēng)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)初期由哈爾濱電機(jī)廠和法國(guó)Alstom公司通過(guò)利用相似原理進(jìn)行了1∶5的通風(fēng)模型試驗(yàn),通過(guò)測(cè)試結(jié)果來(lái)分析通風(fēng)系統(tǒng)的品質(zhì),以便計(jì)算各部風(fēng)量和風(fēng)速的分配等情況,并以此為依據(jù)選擇了發(fā)電機(jī)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)。

在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中,對(duì)發(fā)電機(jī)風(fēng)洞內(nèi)各設(shè)備進(jìn)行紅外測(cè)溫定期監(jiān)測(cè)。各電氣設(shè)備在運(yùn)行環(huán)境中的溫度與負(fù)荷呈穩(wěn)定的正比關(guān)系,主要的定子繞組等電流致熱型設(shè)備溫升穩(wěn)定,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)無(wú)明顯異常,但所采集環(huán)境溫度均較正常的環(huán)境溫度明顯偏高,發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的冷卻效率并未最大化利用。

由于該電廠投產(chǎn)相對(duì)其他大型水力發(fā)電廠較早,在設(shè)計(jì)期間進(jìn)行的通風(fēng)系統(tǒng)各項(xiàng)試驗(yàn)有一定的局限性,且通風(fēng)模型結(jié)果只能說(shuō)明通風(fēng)設(shè)計(jì)滿足相似規(guī)律,由于生產(chǎn)安裝技術(shù)產(chǎn)生的誤差影響不能進(jìn)行充分論證。發(fā)電機(jī)風(fēng)洞內(nèi)設(shè)備主要為電流致熱性設(shè)備,機(jī)組在夏季常處于大負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài),且風(fēng)洞內(nèi)的定子線圈有明顯的電磁效應(yīng),使得風(fēng)洞內(nèi)設(shè)備均處于較強(qiáng)的電磁場(chǎng)環(huán)境中。大負(fù)荷運(yùn)行期間,機(jī)組有功負(fù)荷在500 MW以上時(shí),所測(cè)的環(huán)境溫度均超過(guò)40 ℃。

風(fēng)洞內(nèi)環(huán)境溫度較高,使CT主絕緣長(zhǎng)期處于較高溫度的運(yùn)行環(huán)境中,導(dǎo)致主絕緣逐步發(fā)生劣化。中性點(diǎn)CT的安裝位置對(duì)CT散熱也有一定影響：中性點(diǎn)CT立放在支架上,安裝于靠風(fēng)洞內(nèi)壁側(cè),以發(fā)電機(jī)軸為圓心呈扇形分布,安裝高度與發(fā)電機(jī)定子鐵芯上端水平面齊平,安裝位置離風(fēng)洞內(nèi)壁較近,上端靠近發(fā)電機(jī)上機(jī)架,故可近似認(rèn)為CT安裝于風(fēng)洞通風(fēng)死角位置。通風(fēng)系統(tǒng)流向此處的概率較小,導(dǎo)致CT散熱效果不理想。環(huán)境溫度較高且散熱效果不理想,使CT主絕緣熱老化速率增快,是CT損壞的原因之一。

5.2 CT絕緣等級(jí)不滿足環(huán)境要求

出現(xiàn)故障的兩臺(tái)CT分別位于兩個(gè)分支的B相,兩臺(tái)CT均為上次檢修期間新更換的備品。

替換的兩臺(tái)備品與原CT制造廠家相同,銘牌上標(biāo)注的型號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)號(hào)、額定絕緣水平、額定電流比、額定輸出、準(zhǔn)確級(jí)、準(zhǔn)確限值系數(shù)等參數(shù)均與原CT一致,生產(chǎn)日期為2010年4月,經(jīng)絕緣試驗(yàn)、特性試驗(yàn)合格后安裝到位。

在進(jìn)行事故分析中發(fā)現(xiàn),采購(gòu)的這兩臺(tái)事故CT備品絕緣耐熱等級(jí)均為B級(jí),機(jī)組投產(chǎn)期間所使用的CT絕緣耐熱等級(jí)均為F級(jí)。B級(jí)絕緣耐熱等級(jí)為130 ℃,F級(jí)絕緣耐熱等級(jí)為155 ℃。大負(fù)荷運(yùn)行期間機(jī)組連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng),CT紅外測(cè)溫監(jiān)測(cè)中雖未發(fā)現(xiàn)超過(guò)耐熱等級(jí)的溫度,但長(zhǎng)時(shí)間暴露于高溫、強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中,對(duì)CT絕緣會(huì)造成不可逆的損害,且這兩臺(tái)CT主絕緣耐熱等級(jí)為B級(jí),相對(duì)于其他F級(jí)絕緣的CT,更易受高溫影響而加速絕緣老化并提前損壞。

大型發(fā)電機(jī)用CT除二次繞組外,還有屏蔽繞組,以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬外殼屏蔽,保證CT的精度。當(dāng)CT主絕緣有損傷后,風(fēng)洞內(nèi)的強(qiáng)磁場(chǎng)將直接在屏蔽繞組上感應(yīng)出大電流；當(dāng)CT主絕緣進(jìn)一步劣化后,強(qiáng)磁場(chǎng)便直接作用于CT二次繞組,使二次繞組也產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流達(dá)到超過(guò)額定電流值,就會(huì)使CT內(nèi)的繞組嚴(yán)重發(fā)熱,并發(fā)生碳化燒損現(xiàn)象。因此,CT絕緣等級(jí)較低也是故障發(fā)生的重要原因之一。

5.3 CT受相鄰導(dǎo)體鄰近效應(yīng)的影響

發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)導(dǎo)體是直接穿過(guò)CT的,導(dǎo)體的軸線與CT中心軸線基本重合。在發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí),通過(guò)導(dǎo)體上的電流在CT的鐵心上形成感應(yīng)磁場(chǎng)。導(dǎo)體離CT鐵心越近,形成的磁感應(yīng)強(qiáng)度越大,在CT二次繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電流也越大。6號(hào)機(jī)第一分支和第二分支母線均水平排列,三相CT間只有0.3 m左右的距離。由于大型發(fā)電機(jī)風(fēng)洞內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)且復(fù)雜,各CT雖設(shè)有屏蔽繞組,但鐵心不能排除受相鄰導(dǎo)體鄰近效應(yīng)的影響。根據(jù)CT安裝排列的位置分析,安裝在中間的B相CT磁通極易受A、C兩相導(dǎo)體影響。A、C兩相導(dǎo)體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)在B相CT上疊加,使B相CT鐵心具有較高的磁感應(yīng)強(qiáng)度。加上B相導(dǎo)體的感應(yīng),使CT鐵心產(chǎn)生磁飽和,形成較強(qiáng)的磁滯損耗,導(dǎo)致鐵心發(fā)熱，這也是CT損壞的原因之一。

6 結(jié) 論

通過(guò)以上故障原因分析,可得出如下結(jié)論：

(1)該廠發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)可能存在風(fēng)路紊亂現(xiàn)象。當(dāng)機(jī)組在大負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)環(huán)境溫度較高,導(dǎo)致CT長(zhǎng)時(shí)間暴露于較高環(huán)境溫度中,使CT絕緣老化而產(chǎn)生短路。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)發(fā)電機(jī)風(fēng)洞內(nèi)各設(shè)備的紅外測(cè)溫定期監(jiān)測(cè),同時(shí)盡快開(kāi)展發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)測(cè)試,檢測(cè)通風(fēng)系統(tǒng)效率,以便對(duì)發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)提出相應(yīng)的技術(shù)改造,以降低發(fā)電機(jī)風(fēng)洞環(huán)境溫度。

(2)針對(duì)此類大型發(fā)電機(jī)所用的母線式環(huán)氧樹(shù)脂澆注CT,在設(shè)備出廠時(shí),應(yīng)要求制造廠在銘牌上按國(guó)標(biāo)要求標(biāo)注絕緣耐熱等級(jí)。

(3)由該電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,大型發(fā)電機(jī)應(yīng)選用絕緣耐熱等級(jí)為F級(jí)及以上的CT。同時(shí)應(yīng)在CT相關(guān)國(guó)標(biāo)規(guī)程、選用導(dǎo)則中明確提出該原則。

(4)大型發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電氣回路設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)考慮電氣設(shè)備的布置問(wèn)題,盡量將相鄰導(dǎo)體對(duì)CT的鄰近效應(yīng)影響降到最低。相鄰相間CT要有足夠的距離,還可考慮在相鄰相間CT裝設(shè)屏蔽外罩。

[1]林貴文, 任樹(shù)峰. 大型發(fā)電機(jī)用電流互感器的屏蔽繞組結(jié)構(gòu)[J]. 電力建設(shè), 2006, 27(3): 58- 60．

[2]GB 20840.2—2014 互感器 第2部分： 電流互感器的補(bǔ)充技術(shù)要求 [S]．

[3]DL/T 866—2004 電流互感器和電壓互感器選擇及計(jì)算導(dǎo)則[S]．

[4]GB/T 11021—2014 電氣絕緣 耐熱性和表示方法[S]．

[5]楊樹(shù)鋒. 大型發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電流互感器故障分析[J]. 變壓器, 2010, 47(1): 60- 63．

(責(zé)任編輯 焦雪梅)

Diagnosis and Analysis on a Fault of Neutral Point Current Transformer for Large Generator

WANG Minglang

(Longtan Hydropower Plant, Longtan Hydropower Development Co., Ltd., Tian’e 547300, Guangxi, China)

Through the diagnosis and analysis on a failure alarm of protection device in a large hydropower plant, it is clear that the fault is caused by the damage of neutral point current transformer. According to operation experiences, some improvement measures are proposed, such as conducting air passage test and technical reform of generator’s ventilation system to reduce wind tunnel ambient temperature of generator, marking the thermal class of current transformer on the label according to national standards, using the current transformer with a thermal Class F or above for large generators, and arranging current transformers of adjacent phase with sufficient anti-interference distance．

current transformer; ambient temperature; thermal class; proximity effect

2017- 02- 15

王明朗(1989—),男,四川成都人,助理工程師,從事電氣一次設(shè)備檢修維護(hù)及絕緣監(jiān)督工作．

TV734;TM452(267)

A

0559- 9342(2017)04- 0051- 04