文聆安，林永源，熊華兵

（1.廣東粵電大亞灣綜合能源有限公司，廣東 惠州 516000；2.廣東惠州平海發(fā)電廠有限公司，廣東 惠州 516000）

0 引言

利用零序電壓構(gòu)成的發(fā)電機定子繞組單相接地保護（以下簡稱90%定子接地保護），可以反映α＞15%（α表示由中性點到故障點的匝數(shù)占全部繞組匝數(shù)的百分比）范圍內(nèi)的單相接地故障[1-2]，故障點越接近于發(fā)電機出線端，保護的靈敏度越高[3-4]，保護范圍包括與發(fā)電機直接相連的發(fā)電機封閉母線、勵磁變壓器、發(fā)電機出口斷路器、主變壓器低壓側(cè)的單相接地等故障[5-6]。

本文以某電廠2號發(fā)電機出口斷路器內(nèi)發(fā)電機側(cè)電容器漏油引起的90%定子接地保護動作為例，分析了電容器漏油的原因及電氣量的變化特征，并對電容單元在少油條件下帶電運行，發(fā)生電容器短路擊穿故障的表現(xiàn)形式進行分析。

1 設備概況

1.1 發(fā)電機及其保護配置

該電廠2號發(fā)電機為上海汽輪發(fā)電機廠生產(chǎn)的水-氫-氫冷、隱極式、三相同步汽輪發(fā)電機，型號為THDF-125/67，額定功率為1000 MW，額定電壓為27 kV，配套西門子THYRIPOL靜態(tài)勵磁系統(tǒng)。發(fā)電機中性點經(jīng)配電變壓器二次側(cè)電阻接地，接地變壓器容量50 kVA，二次側(cè)電阻0.13Ω，一次側(cè)電壓27 kV，二次側(cè)電壓240 V，帶有100 V抽頭。

發(fā)變組保護為雙重化配置，兩套保護裝置全部為美國通用電氣公司原裝進口，發(fā)變組保護配置如圖1所示。其中，發(fā)電機90%定子接地保護取自中性點接地變壓器TV0基波零序電壓，整定值為13.86 V，延時0.5 s，動作于跳閘；主變壓器低壓側(cè)接地保護取自出口斷路器內(nèi)TV4開口三角電壓，整定值為5 V，延時2 s，動作于信號；DCS采集的發(fā)電機零序電壓3U0數(shù)據(jù)取自發(fā)電機機端TV1開口三角電壓。

圖1 發(fā)變組保護配置

1.2 出口斷路器

發(fā)電機出口斷路器型號為HEC8A，由ABB公司生產(chǎn)制造，額定電壓為30 kV、額定電流為28 000 A、額定分斷電流為160 kA。出口斷路器發(fā)電機側(cè)電容器型號為BIORIPHASO/TF AT/S 0.132/36/C，由意大利ICAR公司制造，額定電容CN=0.132μF，額定電壓UN=36 kV，用于限制斷路器分斷時的暫態(tài)恢復過電壓[7]。

該電廠2號機組自2011年投運至今，共發(fā)生過兩起發(fā)電機定子接地保護動作觸發(fā)的機組跳閘事件，且兩起故障位置都在發(fā)電機出口斷路器內(nèi)部，分別為TV4內(nèi)部短路和發(fā)電機側(cè)電容器漏油。以下就發(fā)電機側(cè)電容器漏油引起的90%定子接地保護動作進行分析。

2 故障過程

2021-03-11T23：56：01，DCS監(jiān)控顯示2號發(fā)電機機端零序電壓出現(xiàn)異常，此時，2號機組帶有功負荷822 MW，發(fā)電機氫、油、水系統(tǒng)運行正常。初步判斷發(fā)電機本體或與之相連接的電氣設備存在故障。申請退出2號機組AGC，對機組降負荷處理，并做好停機準備。

2021-03-12T00：21：46，2號機組故障錄波器報主變壓器低壓側(cè)零序電壓（TV4）突變量啟動；00：57：36，2號發(fā)變組保護C屏T60-1（主變壓器保護1）和D屏T60-2（主變壓器保護2）同時報低壓側(cè)接地動作告警；01：19：37，2號機組故障錄波器報2號發(fā)電機W相電壓突變量啟動；01：28：04，機組有功負荷670 MW，2號發(fā)變組保護A屏G60-1（發(fā)電機保護1）和B屏G60-2（發(fā)電機保護2）90%定子接地保護動作，跳開2號發(fā)電機出口斷路器，2號機組解列。上述4個時間點的電壓數(shù)據(jù)如表1所示。

DCS監(jiān)控顯示2號發(fā)電機機端零序電壓自23：56：01開始呈階梯式增加趨勢，每一個階梯平臺量值保持時間為7~10 min，直到90%定子接地保護動作出口跳閘，整個過程大約持續(xù)1.5 h，過程趨勢如圖2所示。

圖2 2號發(fā)電機零序電壓和負荷趨勢圖

3 故障點排查及措施

3.1 出口斷路器外側(cè)故障

出口斷路器跳開后，主變壓器低壓側(cè)零序電壓降至正常范圍（58 V左右），相位相差120°，由此判斷故障點不在出口斷路器外側(cè)。

3.2 發(fā)電機定子繞組絕緣擊穿

發(fā)電機定子繞組出現(xiàn)絕緣擊穿性接地故障時，故障相電壓會大幅度降低甚至接近于0[8-9]，發(fā)電機中性點經(jīng)高阻接地，非故障線電壓會升高至額定電壓的 3倍[1-4]。從表1數(shù)據(jù)可以看出，本次故障中三相電壓始終維持在50 V以上，電壓值也明顯低于UN。斷開中性點接地變壓器隔離開關，拉出機端TV，對發(fā)電機及與之相連接的出口斷路器和勵磁變壓器高壓側(cè)進行了整體絕緣電阻測試，結(jié)果為：在15 s和60 s時絕緣值分別為223 MΩ和690 MΩ，絕緣值和吸收比合格[10]，因此，基本排除發(fā)電機定子繞組存在絕緣擊穿的可能。

表1 不同時刻電壓數(shù)據(jù) V

3.3 發(fā)電機和出口斷路器內(nèi)部檢查及應對措施

對發(fā)電機及出線小室、出線套管與主封母線連接室內(nèi)部進行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。對出口斷路器內(nèi)部進行檢查，發(fā)現(xiàn)出口斷路器V相發(fā)電機側(cè)電容器出線套管傘裙上存在明顯積油現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 電容器出線套管積油

該電容器倒立安裝在出口斷路器外殼的內(nèi)壁上，電容器為全密封設備，由出線瓷套管和金屬油箱組成，電容單元集中布置在油箱內(nèi)。出線套管根部與金屬油箱連接處采用錫焊工藝，電容器通過出線套管末端電纜連接至出口斷路器主回路。

圖3中套管傘裙上的積油顏色已呈黑褐色，據(jù)此判斷電容器內(nèi)部存在放電現(xiàn)象，因此對U、V、W三相電容器進行了更換。在機組啟動過程中，發(fā)電機采用零起升壓，升壓及并網(wǎng)全過程各項數(shù)據(jù)無異常；在低負荷階段穩(wěn)定運行一段時間，檢查各相電氣量無異常情況后，投入機組AGC。

4 故障原因分析

4.1 電容器漏油

拆下電容器進行檢查，發(fā)現(xiàn)某出線套管根部與電容器金屬油箱連接處存在裂紋，如圖4所示，圖中標記位置為裂紋區(qū)。

圖4 根部裂紋

文獻[11]指出，該型號電容器出線瓷套管根部與電容器油箱連接，密封處錫焊厚度為3.2 mm，在出線套管端部施加43 N的拉應力會使焊接處產(chǎn)生形變，而在出口斷路器分、合時引起的正常振動對瓷套管的拉力接近137 N，在長時間間斷性開關分、合振動外力作用下，可造成焊縫處疲勞開裂。對此，將焊縫厚度增加至8 mm，使其能夠承受410 N的外部拉力，從而成功解決了焊縫開裂漏油的問題。

4.2 零序電壓升高

電容器滲、漏油，一是因絕緣油液面下降造成絕緣水平降低，二是因內(nèi)部壓力降低引起外部潮氣侵入，最終都可能會導致內(nèi)部電容元件被擊穿放電[12-13]。

發(fā)電機出口斷路器內(nèi)的電容器一般采用內(nèi)部多電容單元串聯(lián)方式，缺陷發(fā)生后的整體電容值會增大，與零序電壓的變化關系見公式（1）[14]：式中：CΣ0為發(fā)電機正常運行時的三相對地總電容；CΔ為電容器缺陷后對地電容變化量；Rn為發(fā)電機中性點接地電阻；ω為角速度。

根據(jù)公式（1），當出口電容器缺陷后CΔ增大時，發(fā)電機零序電壓U0會隨之增大。當U0數(shù)值達到90%定子接地保護整定值時，就會觸發(fā)保護動作。

4.3 零序電壓階梯式增加

DCS采集的發(fā)電機零序電壓3U0取自集控樓電子設備間變送器屏，電壓源引自圖1中TV1開口三角電壓，電壓變送器型號為FPV-V1-F1-PD1-03，該變送器為平均值轉(zhuǎn)換、有效值標定。

電容器漏油時，因其絕緣水平降低，引起部分電容元件首先發(fā)生擊穿，一方面，引起該電容器的電容值增大，容抗值減??；另一方面，造成電容器內(nèi)部正常的電容元件承受更高的電壓，在運行一段時間后，也相繼發(fā)生擊穿故障。電容單元的電容量變化率k1與電容元件擊穿數(shù)量ΔN的關系為[15]：

式中：N為電容元件數(shù)量。

根據(jù)公式（1）和公式（2），在故障發(fā)展過程中，電容單元相繼逐個擊穿，表現(xiàn)為零序電壓呈階梯式增加趨勢。

5 結(jié)論及建議

由以上分析可知，出口斷路器內(nèi)電容器油箱漏油會導致電容單元擊穿，從而觸發(fā)發(fā)電機90%定子接地保護動作；機端零序電壓呈現(xiàn)階梯式增加趨勢，是電容元件逐個擊穿的電氣量反應，也是區(qū)別于其他故障類型的最明顯特征。當發(fā)電機機端零序電壓出現(xiàn)階梯式增加時，應及時停機檢查，避免事故擴大（如電容器爆炸）和機組突然跳閘對系統(tǒng)造成沖擊。

發(fā)電機出口斷路器內(nèi)電容器，在長時間運行過程中，存在裂紋、漏油、電擊穿等風險，建議對電容器開展定期檢查，重點檢查出線套管與油箱焊縫位置，有條件可進行加焊強化處理。同時，為了避免電容運行老化發(fā)生故障，建議根據(jù)運行周期，對電容器進行定期更換。