崔志堅 趙 躍 張 亮 宋 明 胡琪龍

發(fā)電機機端PT高壓側(cè)熔斷器“慢熔”現(xiàn)象的判斷與對策

崔志堅 趙 躍 張 亮 宋 明 胡琪龍

（國家能源集團安徽安慶皖江發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽 安慶 246008）

本文從某廠發(fā)生的發(fā)電機機端PT高壓側(cè)熔斷器“慢熔”現(xiàn)象入手，詳細分析了產(chǎn)生“慢熔”現(xiàn)象的原因以及“慢熔”對勵磁系統(tǒng)、發(fā)電機保護和測量系統(tǒng)的影響，提出了高壓側(cè)熔斷器“慢熔”現(xiàn)象的判斷方法，并給出解決機端PT高壓熔斷器“慢熔”的三種方法。

高壓熔斷器；慢熔；電暈腐蝕；自動電壓調(diào)節(jié)器；發(fā)電機保護；測量系統(tǒng)

0 引言

2018年1月11日，某電廠兩臺1 000MW機組正常運行中，兩臺機組有功負荷均為870MW，無功為249Mvar，勵磁調(diào)節(jié)器運行在1通道自動模式。上午10:00，3號機組自動電壓調(diào)節(jié)器（automatic voltage regulator, AVR）發(fā)出調(diào)節(jié)閉鎖信號、勵磁調(diào)節(jié)器發(fā)出增磁閉鎖信號、機組故障錄波器及發(fā)變組智能變送器均發(fā)出報警。檢查發(fā)現(xiàn)：勵磁電壓由374V躍變至457V，勵磁電流由5 121A直接躍至5 978A（該電流為趨勢內(nèi)查到，精度低，可能實際值已大于6 000A）。發(fā)電機機端電壓由27.8kV躍變至28.66kV，發(fā)電機無功由249Mvar躍變至404Mvar。1通道PT二次相電壓C由58V下降至56V。線電壓AC、BC由103V降至99.5V。隨后機端電壓與無功功率緩慢恢復(fù)至正常值。

打開PT柜門檢查機端PT柜內(nèi)設(shè)備，發(fā)現(xiàn)C相第一組PT高壓側(cè)熔斷器中間發(fā)紅。使用紅外成像儀測試，該熔斷器中間發(fā)紅處溫度明顯較高，約60℃左右，當(dāng)時正常相熔斷器溫度約是40℃。

這種PT高壓側(cè)熔斷器“慢熔”現(xiàn)象，在一段時間內(nèi)，該廠的兩臺百萬機組均有相同情況發(fā)生。該廠發(fā)生的熔斷器“慢熔”時，熔斷器中間部位均有發(fā)紅現(xiàn)象，且發(fā)紅處溫度比正常相高20℃左右。

1 機端電壓變換系統(tǒng)構(gòu)成及熔斷器的特性

1.1 發(fā)電機機端PT柜

發(fā)電機機端PT共三組九只，每相三只，安裝在機端PT柜內(nèi)。PT二次電壓分別提供給繼電保護、AVR、測量和計量等使用。發(fā)電機機端PT安裝在PT小車上并隨小車固定在PT柜內(nèi)。機端PT將發(fā)電機出口一次電壓轉(zhuǎn)換成二次電壓，以實現(xiàn)繼電保護、AVR調(diào)節(jié)、測量和計量等功能。高壓熔斷器安裝在PT高電位側(cè)與隔離刀支架之間，隨著PT小車推進PT倉，隔離刀即插入母線座插口，完成與母線的連接。

1.2 高壓熔斷器的作用、結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)

PT高壓熔斷器的作用主要是保護PT，在PT內(nèi)部有短路或接地時，熔斷器的熔件熔斷，從而減少對發(fā)電機運行的影響。為了防止PT低壓側(cè)回路短路或接地對PT的影響，一般在PT低壓側(cè)輸出回路裝設(shè)微型斷路器，在二次回路發(fā)生短路或接地時切斷故障的回路以保護PT。

RN4系列戶內(nèi)高壓限流熔斷器由底座和熔管兩部分組成。熔管由瓷質(zhì)或玻璃絲環(huán)氧材質(zhì)外殼和二端導(dǎo)電銅帽組成，熔管內(nèi)裝有纏著熔體的瓷柱（部分沒有），熔管內(nèi)腔空間填充石英砂，石英砂起散熱、去游離和滅弧作用。

限流熔斷器是指在規(guī)定電流范圍內(nèi)動作時，以它本身所具備的功能將電流限制到低于預(yù)期電流峰值的一種熔斷器。預(yù)期電流是指熔斷器用阻抗可以忽略的導(dǎo)體代替時回路中流過的電流，而預(yù)期峰值電流是指瞬態(tài)過程起始后，緊接出現(xiàn)的預(yù)期電流第一個大半波的峰值[1]。

熔斷器的保護作用是靠熔件自體的熔斷來實現(xiàn)的，熔斷器有一個非常重要的技術(shù)特性就是安秒特性。熔件的安秒特性是其動作電流與動作時間之間的關(guān)系特性，為反時延特性，即過載電流小時熔斷時間長，過載電流大時熔斷時間短。

2 PT高壓側(cè)熔斷器故障處理

當(dāng)判斷機端C相第一組PT高壓側(cè)熔斷器異常時，技術(shù)人員做好安全措施和風(fēng)險預(yù)控，退出自動發(fā)電控制（automatic generation control, AGC）、一次調(diào)頻，將協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（coordination control system, CCS）切至TF方式運行，強制受影響的發(fā)電機功率點，退出下列相關(guān)保護功能壓板：①發(fā)電機匝間保護；②注入式定子接地保護（A屏）；③95%定子接地保護；④100%定子接地保護。

作業(yè)人員依據(jù)電氣操作票和電氣第一種工作票的內(nèi)容和步驟開展C相第一組PT高壓側(cè)熔斷器的更換工作。用同批次熔斷器備品更換后，測量PT二次電壓已恢復(fù)正常，及時恢復(fù)所有安全措施。

拆下的高壓熔斷器的柱體外殼為玻璃絲環(huán)氧材質(zhì)，經(jīng)測量，熔斷器已開路。半年后該熔斷器又發(fā)生類似情況。且該廠兩臺百萬機組PT高壓側(cè)熔斷器均發(fā)生類似情況。

3 PT高壓側(cè)熔斷器“慢熔”的影響分析

該廠#3、#4兩臺百萬機組在一段時間內(nèi)多次發(fā)生機端PT高壓側(cè)熔斷器異常而導(dǎo)致發(fā)電機機端二次電壓異常的現(xiàn)象，對發(fā)電機勵磁系統(tǒng)、發(fā)電機保護系統(tǒng)、機組測量和計量系統(tǒng)等均造成了一定的影響。

3.1 高壓側(cè)熔斷器“慢熔”對勵磁AVR系統(tǒng)的影響

該廠兩臺百萬機組均使用ABB UN6800 勵磁系統(tǒng)，該系統(tǒng)雖接入兩組PT的電壓，但在邏輯功能里只考慮PT斷線的影響，沒有考慮PT高壓側(cè)熔斷器慢熔過程中所造成的影響。因此當(dāng)發(fā)電機AVR運行通道的PT熔斷器緩慢熔斷時，勵磁系統(tǒng)無法檢測到這種異常情況。在這種情況下，隨著PT熔斷器熔件的慢熔，將造成發(fā)電機機端二次電壓的緩慢下降，而勵磁系統(tǒng)則誤判為機端電壓下降，為了維持機端電壓的恒定，AVR持續(xù)增磁，導(dǎo)致運行通道V/Hz或者OEL動作甚至因為勵磁電流過電流造成跳機。

3.2 高壓側(cè)熔斷器“慢熔”對發(fā)電機保護系統(tǒng)的影響

發(fā)電機機端PT高壓側(cè)熔斷器的緩慢熔斷，不同于PT斷線，部分保護裝置無法判斷，可能造成由這些電壓構(gòu)成的保護，如定子接地、匝間保護和發(fā)電機后備保護等誤動而導(dǎo)致機組跳閘，存在安全隱患。

根據(jù)該廠百萬機組發(fā)電機機端二次電壓接線及電壓應(yīng)用情況，當(dāng)發(fā)生機端PT高壓側(cè)熔斷器異常時會有以下異常的現(xiàn)象。

1）TV01（A、B、C）各高壓側(cè)熔絲異常時現(xiàn)象

（1）發(fā)電機保護A柜發(fā)：PT斷線。

（2）UN6800勵磁調(diào)節(jié)器柜發(fā)報警。

（3）發(fā)電機0顯示異常。

（4）安穩(wěn)控制裝置A柜發(fā)：PT斷線。

（5）發(fā)變組故障錄波器啟動報警顯示該相欠電壓。

（6）ECMS上發(fā)PT一次側(cè)斷線閉鎖三次諧波。

（7）EMCS上發(fā)電機A柜報警：PT斷線。

（8）DCS上發(fā)電機保護A柜裝置報警。

（9）DCS上發(fā)勵磁調(diào)節(jié)器總報警發(fā)出。

2）TV02（A、B、C）各高壓側(cè)熔絲異常時現(xiàn)象

（1）發(fā)電機保護B柜發(fā)：PT斷線。

（2）UN6800勵磁調(diào)節(jié)器柜發(fā)報警。

（3）智能變送器切換，報警燈亮。

（4）安穩(wěn)控制裝置B柜發(fā)：PT斷線。

（5）發(fā)變組故障錄波器啟動報警顯示該相欠電壓。

（6）ECMS上發(fā)PT一次側(cè)斷線閉鎖三次諧波。

（7）EMCS上發(fā)電機B柜報警：PT斷線。

（8）DCS上發(fā)電機保護B柜裝置報警。

（9）同期裝置若帶電，待并側(cè)電壓消失。

3）TV03（A、B、C）各高壓側(cè)熔絲異常時現(xiàn)象

（1）發(fā)電機保護A、B柜發(fā)：PT斷線。

（2）計量回路不準確報警。

（3）智能變送器切換，報警燈亮。

（4）PMU、測控柜、功角監(jiān)測儀發(fā)報警。

（5）發(fā)變組故障錄波器啟動報警。

（6）EMCS上發(fā)電機A、B柜報警：PT斷線。

（7）DCS上發(fā)電機保護A、B柜裝置報警。

（8）同期裝置若帶電，待并側(cè)電壓消失。

（9）DCS上發(fā)電機功率點4顯示異常。

3.3 高壓側(cè)熔斷器“慢熔”對測量和計量系統(tǒng)的影響

根據(jù)測量系統(tǒng)的二次接線圖及實際情況，各組電壓異常時的影響如下：

1）TV01高壓側(cè)熔絲異常將影響下列量值

（1）智能變送器BPT3送DEH發(fā)電機有功功率第3點量值和送MCS有功功率第2點量值。

（2）智能變送器BPT1第二組輸入電壓量值。

2）TV02高壓側(cè)熔絲異常將影響下列量值

（1）智能變送器BPT2送DEH發(fā)電機有功功率第2點量值和送MCS有功功率第1點的量值。

（2）智能變送器BPT3第二組輸入電壓量值。

3）TV03高壓側(cè)熔絲異常將影響下列量值

（1）DCS中的發(fā)電機電壓顯示值。

（2）發(fā)電機有功功率大屏顯示值。

（3）送MCS發(fā)電機有功功率第3點量值和無功功率量值。

（4）勵磁變有功功率量值。

（5）送DEH發(fā)電機有功功率第1點量值。

（6）發(fā)電機電能表計量。

（7）智能變送器BPT2第二組輸入電壓值。

其中，MCS的3個功率點量值將影響去省調(diào)的功率和鍋爐的燃燒穩(wěn)定性；DEH的3個功率點量值將影響機組的功率調(diào)節(jié)，進而影響機組的穩(wěn)定運行，甚至跳閘。TV3的高壓熔斷絲異常會導(dǎo)致機組發(fā)電量的計量比實際發(fā)電量少。

4 高壓熔斷器“慢熔”的原因分析

通過對本例故障熔斷器的解體分析，發(fā)現(xiàn)其整體做工粗糙，外殼是玻璃絲環(huán)氧材質(zhì)，且壁厚較薄，整體機械強度不足，導(dǎo)致其熔件額外受力。玻璃絲環(huán)氧外殼的熔斷器外殼較薄，其抗振動和抗電暈的能力明顯不足。它們的共同作用導(dǎo)致熔件的裂化、慢熔甚至熔斷。

4.1 高壓側(cè)熔斷器存在質(zhì)量問題

故障熔斷器型號為RN4—27.5kV/0.5A，從解體來看，原熔斷器質(zhì)量較輕，工藝粗糙，瑕疵比較明顯。熔斷器外殼是玻璃絲環(huán)氧材質(zhì)，皮薄質(zhì)輕，機械強度不高，可導(dǎo)致熔斷器內(nèi)熔件另外受力。機端PT安裝處的平臺位于發(fā)電機的下面，熔斷器長期處在振動的環(huán)境下，由于熔斷器玻璃絲環(huán)氧外殼較薄，抗振動能力差，導(dǎo)致熔件長期振動并與石英砂摩擦而裂化。解體熔斷器可發(fā)現(xiàn)熔件部分位于其中間位置，約3cm長（即異常時可裸眼看到的發(fā)紅處）。熔件兩側(cè)壓接導(dǎo)電金屬絲，兩側(cè)導(dǎo)電金屬絲再通過彈簧狀結(jié)構(gòu)與熔斷器兩金屬帽相連接。熔體內(nèi)腔填充石英砂，砂有雜質(zhì)不純。拆開熔斷器時發(fā)現(xiàn)熔件部分已熔斷，分析是因抽出PT時產(chǎn)生電弧電流沖擊而熔斷。用數(shù)字萬用表測量同種高壓熔斷器備品的直流電阻，正常時在常溫下的直流電阻是18W。用同一批熔斷器備品換上，運行半年左右又發(fā)生同樣的故障。該廠兩臺百萬機組均有相同的情況發(fā)生，由此證實此批高壓熔斷器存在質(zhì)量問題。

4.2 電暈腐蝕造成熔件部分性能裂化

GB 15166.2—2008《交流高壓熔斷器限流式熔斷器》指出：保護電壓互感器用熔斷器的熔體對電暈作用敏感，電暈放電作用使熔體在幾個月或幾年內(nèi)腐蝕，最終導(dǎo)致熔斷器動作[2]。

該廠1 000MW機組出口電壓是27kV，PT高壓熔斷器處在高電位處，分析為熔件處有電暈現(xiàn)象發(fā)生。電暈的發(fā)生將對熔件產(chǎn)生腐蝕，使熔斷器的熔件部分產(chǎn)生裂化并使其電阻增加，從而導(dǎo)致熔件電阻的分壓增加，致使熔斷器的熔件發(fā)熱、發(fā)紅（裸眼可見）。正是由于熔件部分分壓增大，才造成PT二次輸出電壓下降，如果持續(xù)未能發(fā)現(xiàn)，達到一定的時間將會熔斷。該廠發(fā)生的幾起機端PT高壓側(cè)熔斷器故障現(xiàn)象與GB 15166.2—2008《交流高壓熔斷器限流式熔斷器》中相關(guān)描述相符合。

5 高壓側(cè)熔斷器“慢熔”的判斷方法

目前1 000MW機組的勵磁系統(tǒng)和繼電保護系統(tǒng)一般均接入兩組機端二次電壓，主要是用于判斷PT斷線，沒有考慮PT高壓側(cè)熔斷器“慢熔”所造成的影響。

5.1 AVR系統(tǒng)增加機端二次電壓異常判據(jù)并修改邏輯

AVR系統(tǒng)通過增加機端二次電壓異常判據(jù)并修改邏輯達到判斷機端高壓側(cè)熔斷器“慢熔”的目的。勵磁系統(tǒng)中雙通道PT斷線的判斷方法：比較g1和g2，得到差值Dg。正常運行時Dg很小，一般只是制造精度差異造成的誤差。當(dāng)接入勵磁系統(tǒng)的PT1或PT2出現(xiàn)斷線時，Dg一定大于整定值，這時AVR發(fā)出報警并切換通道。正常時通道1運行，通道2備用，此時若發(fā)生PT1斷線，首先進行通道切換，切至通道2運行，通道1變?yōu)閭溆茫唤又鳤VR1模式切換為FCR1模式，AVR2繼續(xù)運行。若發(fā)生PT2斷線，AVR1繼續(xù)運行，AVR2模式切換為FCR2模式。

根據(jù)機端PT高壓側(cè)熔斷器“慢熔”所造成的二次相電壓實際下降大約在2V左右。為有效判斷熔斷器慢熔，可增設(shè)監(jiān)測不同PT相同相電壓差異的方法來判斷“慢熔”的發(fā)生，相電壓差異值可定為2～3V或在正常時實際差異值上加3V。當(dāng)測量裝置檢測到的差異值達到定值時，根據(jù)優(yōu)化的邏輯判斷為PT熔絲慢熔，AVR不增加勵磁，裝置發(fā)出PT熔斷器慢熔報警信號。

5.2 增加具有PT高壓側(cè)熔斷器“慢熔”檢測功能的裝置

根據(jù)PT高壓側(cè)熔斷器“慢熔”所造成的二次電壓異常的現(xiàn)象分析，設(shè)計出一種新型發(fā)電機機端電壓監(jiān)測裝置，這種裝置可接入三組PT的開口電壓（301、302、303）。任意一組開口電壓超過定值時發(fā)出機端電壓異常報警，若未全部超過定值，則發(fā)出相應(yīng)組別PT高壓側(cè)熔絲“慢熔”報警。當(dāng)任一開口三角電壓超過15V時，發(fā)出相應(yīng)組別PT高壓側(cè)熔斷器熔斷或PT二次回路斷線報警。

6 解決機端PT高壓側(cè)熔斷器“慢熔”的對策

機端PT高壓側(cè)熔斷器“慢熔”對機組勵磁系統(tǒng)、繼電保護、測量和計量以及機組安全運行均造成嚴重影響，為此必須有效地解決。目前解決的主要途徑有下列幾種方式或其組合。

6.1 選用優(yōu)質(zhì)的高壓熔斷器

選擇優(yōu)質(zhì)的高壓熔斷器是首要的。該廠利用兩臺百萬機組調(diào)停的機會對原18只機端PT高壓熔斷器進行了更換。新?lián)Q的熔斷器名稱是高分斷力高壓限流熔斷器，型號RN4—27.5kV/0.5A—50kA，常溫直流電阻30W。新熔斷器更換后已運行兩年時間，沒有再發(fā)生熔斷器慢熔現(xiàn)象。

如果選用優(yōu)質(zhì)的熔斷器仍存在慢熔現(xiàn)象，則可以通過提高熔斷器的額定電流來解決慢熔故障。因為熔斷器的作用是過負荷保護，而熔斷器的實際熔斷電流分散性較大，用其反時限特性作為過電流保護是不適合的。此處熔斷器存在的真正價值就是短路保護作用，強調(diào)的是短路分斷能力，而不是額定電流，故可將熔斷器的額定電流由0.5A提高至1A，這是安全可行的方法。

6.2 在AVR勵磁系統(tǒng)中增加“慢熔”判別

該廠兩臺百萬機組的勵磁系統(tǒng)是ABB UN6800勵磁系統(tǒng)，該勵磁系統(tǒng)沒有考慮機端高壓熔絲慢熔所造成的影響。熔絲慢熔事件發(fā)生后，廠家人員到現(xiàn)場對ABB UN6800系統(tǒng)及邏輯進行了優(yōu)化，增加PT高壓側(cè)熔斷器慢熔判斷邏輯，具體情況如圖1所示，AVR中PT高壓側(cè)熔斷器慢熔判斷邏輯。

圖1中，IO.Out.PS_UgRelFromOtherCH為另一通道的機端電壓采樣；IO.SystemMeasurement.In. UgRel為當(dāng)前通道的機端電壓采樣；Par_Factor_PT_ SlowMelting為PT慢熔判定值（默認設(shè)定3%）；IO.Converter.In.USynRel為勵磁系統(tǒng)同步電壓（勵磁變低壓側(cè)電壓）；Par.Out.ExcitationIsOn為勵磁系統(tǒng)起勵狀態(tài)；Par.In.ExcSysSupplyMode為勵磁系統(tǒng)自并勵模式；Par_TimeDelayForPT_SlowMelting為PT慢熔延時。

圖1 AVR中PT高壓側(cè)熔斷器慢熔判斷邏輯

圖1中，PT高壓側(cè)熔斷器慢熔有兩個比較：①兩個通道的機端電壓進行比較，若當(dāng)前通道機端電壓低于另一通道電壓3%以下，在自并勵模式起勵狀態(tài)且大于PT高壓側(cè)熔斷器慢熔延時，則報出PT高壓側(cè)熔斷器慢熔；②當(dāng)前通道的機端電壓與同步電壓進行比較，若當(dāng)前通道機端電壓低于同步電壓3%以下，在自并勵模式起勵狀態(tài)且大于PT高壓側(cè)熔斷器慢熔延時，則報出PT高壓側(cè)熔斷器慢熔。

邏輯優(yōu)化后，當(dāng)有慢熔發(fā)生時，AVR將會準確判斷，不會再有錯誤的增磁動作，確保了機端電壓正確和機組的安全運行。

6.3 增加具有PT高壓側(cè)熔斷器“慢熔”監(jiān)測功能的裝置

發(fā)電機機端有TV01、TV02、TV03三組PT，每組PT提供一組開口三角電壓（301、302、303）。新監(jiān)測裝置可接入三組開口電壓（301、302、303），以實時監(jiān)測這3個電壓。任意一組開口電壓超過定值時發(fā)出機端電壓異常報警，若未全部超過定值，則發(fā)出相應(yīng)組別PT高壓側(cè)熔絲慢熔報警。當(dāng)任一開口三角電壓超過15V時，發(fā)出相應(yīng)組別PT高壓側(cè)熔斷器熔斷或PT二次回路斷線報警，詳細動作邏輯如圖2所示。

圖2 監(jiān)測裝置三組開口電壓動作邏輯

這種監(jiān)測裝置可以全面判斷發(fā)電機機端二次電壓異常的幾種情況，發(fā)出不同的報警，給運行人員一個明確的指示。PT高壓側(cè)熔斷器慢熔信號還可以提供給繼電保護和勵磁調(diào)節(jié)器使用，避免“PT高壓側(cè)熔斷器慢熔”所造成的誤增磁等現(xiàn)象，提高機組安全運行的穩(wěn)定性。

7 結(jié)論

本文從機端PT高壓側(cè)熔斷器發(fā)生慢熔故障的現(xiàn)象入手，詳細介紹了當(dāng)時處理故障的過程。從熔斷器的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)入手，分析PT各組二次電壓異常對AVR、繼電保護和測量系統(tǒng)的影響。通過全面分析找到了PT高壓側(cè)熔斷器發(fā)生慢熔的真正原因。針對慢熔的影響，提出了高壓側(cè)熔斷器“慢熔”判斷的有效方法，本文總結(jié)出解決機端PT高壓側(cè)熔斷器“慢熔”的三種方法。該廠目前同時采用了選用優(yōu)質(zhì)高壓熔斷器和在AVR勵磁系統(tǒng)中增加“慢熔”判別的邏輯優(yōu)化兩種方法，徹底解決了PT高壓側(cè)熔斷器“慢熔”的問題。

[1] GB/T 15166.1—2019. 交流高壓熔斷器 第1部分: 術(shù)語[S]. 北京: 中國標準出版社, 2019.

[2] GB 15166.2—2008. 交流高壓熔斷器 第2部分: 限流式熔斷器[S]. 北京: 中國標準出版社, 2009.

Judgment and countermeasure of “slow melting” phenomenon of fuse at high voltage side of PT at generator terminal

CUI Zhijian ZHAO Yue ZHANG Liang SONG Ming HU Qilong

(CHN Energy Anhui Anqing Wonjoint Power Co., Ltd, Anqing, Anhui 246008)

Based on the phenomenon of “slow melting” phenomenon of PT high-voltage side fuse in a factory, this paper analyzes the cause of “slow melting” phenomenon and the influence of “slow melting” on excitation system, generator protection and measurement system in detail, puts forward the judgment method of “slow melting” phenomenon of high-voltage side fuse, and sums up three methods to solve “slow melting” of PT high-voltage fuse at the end of the generator.

high voltage fuse; slow melting; corona corrosion; automatic voltage regulator (AVR); generator protection; measurement system

2020-06-30

2020-08-02

崔志堅（1964—），男，高級工程師，首席電氣檢修師，從事電氣相關(guān)專業(yè)技術(shù)與監(jiān)督工作。