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        基于零序電壓階梯式增加引起發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作故障分析

        2021-10-26 02:19:06文聆安林永源熊華兵
        內(nèi)蒙古電力技術(shù) 2021年4期
        關(guān)鍵詞:零序電容器斷路器

        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(jī)定子繞組單相接地保護(hù)(以下簡稱90%定子接地保護(hù)),可以反映α>15%(α表示由中性點(diǎn)到故障點(diǎn)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(diǎn)越接近于發(fā)電機(jī)出線端,保護(hù)的靈敏度越高[3-4],保護(hù)范圍包括與發(fā)電機(jī)直接相連的發(fā)電機(jī)封閉母線、勵(lì)磁變壓器、發(fā)電機(jī)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(hào)發(fā)電機(jī)出口斷路器內(nèi)發(fā)電機(jī)側(cè)電容器漏油引起的90%定子接地保護(hù)動(dòng)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(yùn)行,發(fā)生電容器短路擊穿故障的表現(xiàn)形式進(jìn)行分析。

        1 設(shè)備概況

        1.1 發(fā)電機(jī)及其保護(hù)配置

        該電廠2號(hào)發(fā)電機(jī)為上海汽輪發(fā)電機(jī)廠生產(chǎn)的水-氫-氫冷、隱極式、三相同步汽輪發(fā)電機(jī),型號(hào)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(lì)磁系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)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(hù)為雙重化配置,兩套保護(hù)裝置全部為美國通用電氣公司原裝進(jìn)口,發(fā)變組保護(hù)配置如圖1所示。其中,發(fā)電機(jī)90%定子接地保護(hù)取自中性點(diǎn)接地變壓器TV0基波零序電壓,整定值為13.86 V,延時(shí)0.5 s,動(dòng)作于跳閘;主變壓器低壓側(cè)接地保護(hù)取自出口斷路器內(nèi)TV4開口三角電壓,整定值為5 V,延時(shí)2 s,動(dòng)作于信號(hào);DCS采集的發(fā)電機(jī)零序電壓3U0數(shù)據(jù)取自發(fā)電機(jī)機(jī)端TV1開口三角電壓。

        圖1 發(fā)變組保護(hù)配置

        1.2 出口斷路器

        發(fā)電機(jī)出口斷路器型號(hào)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?jǐn)嚯娏鳛?60 kA。出口斷路器發(fā)電機(jī)側(cè)電容器型號(hào)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?jǐn)鄷r(shí)的暫態(tài)恢復(fù)過電壓[7]。

        該電廠2號(hào)機(jī)組自2011年投運(yùn)至今,共發(fā)生過兩起發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作觸發(fā)的機(jī)組跳閘事件,且兩起故障位置都在發(fā)電機(jī)出口斷路器內(nèi)部,分別為TV4內(nèi)部短路和發(fā)電機(jī)側(cè)電容器漏油。以下就發(fā)電機(jī)側(cè)電容器漏油引起的90%定子接地保護(hù)動(dòng)作進(jìn)行分析。

        2 故障過程

        2021-03-11T23:56:01,DCS監(jiān)控顯示2號(hào)發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電壓出現(xiàn)異常,此時(shí),2號(hào)機(jī)組帶有功負(fù)荷822 MW,發(fā)電機(jī)氫、油、水系統(tǒng)運(yùn)行正常。初步判斷發(fā)電機(jī)本體或與之相連接的電氣設(shè)備存在故障。申請退出2號(hào)機(jī)組AGC,對機(jī)組降負(fù)荷處理,并做好停機(jī)準(zhǔn)備。

        2021-03-12T00:21:46,2號(hào)機(jī)組故障錄波器報(bào)主變壓器低壓側(cè)零序電壓(TV4)突變量啟動(dòng);00:57:36,2號(hào)發(fā)變組保護(hù)C屏T60-1(主變壓器保護(hù)1)和D屏T60-2(主變壓器保護(hù)2)同時(shí)報(bào)低壓側(cè)接地動(dòng)作告警;01:19:37,2號(hào)機(jī)組故障錄波器報(bào)2號(hào)發(fā)電機(jī)W相電壓突變量啟動(dòng);01:28:04,機(jī)組有功負(fù)荷670 MW,2號(hào)發(fā)變組保護(hù)A屏G60-1(發(fā)電機(jī)保護(hù)1)和B屏G60-2(發(fā)電機(jī)保護(hù)2)90%定子接地保護(hù)動(dòng)作,跳開2號(hào)發(fā)電機(jī)出口斷路器,2號(hào)機(jī)組解列。上述4個(gè)時(shí)間點(diǎn)的電壓數(shù)據(jù)如表1所示。

        DCS監(jiān)控顯示2號(hào)發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電壓自23:56:01開始呈階梯式增加趨勢,每一個(gè)階梯平臺(tái)量值保持時(shí)間為7~10 min,直到90%定子接地保護(hù)動(dòng)作出口跳閘,整個(gè)過程大約持續(xù)1.5 h,過程趨勢如圖2所示。

        圖2 2號(hào)發(fā)電機(jī)零序電壓和負(fù)荷趨勢圖

        3 故障點(diǎn)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(diǎn)不在出口斷路器外側(cè)。

        3.2 發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣擊穿

        發(fā)電機(jī)定子繞組出現(xiàn)絕緣擊穿性接地故障時(shí),故障相電壓會(huì)大幅度降低甚至接近于0[8-9],發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地,非故障線電壓會(huì)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(diǎn)接地變壓器隔離開關(guān),拉出機(jī)端TV,對發(fā)電機(jī)及與之相連接的出口斷路器和勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)進(jìn)行了整體絕緣電阻測試,結(jié)果為:在15 s和60 s時(shí)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(jī)定子繞組存在絕緣擊穿的可能。

        表1 不同時(shí)刻電壓數(shù)據(jù) V

        3.3 發(fā)電機(jī)和出口斷路器內(nèi)部檢查及應(yīng)對措施

        對發(fā)電機(jī)及出線小室、出線套管與主封母線連接室內(nèi)部進(jìn)行檢查,未發(fā)現(xiàn)異常。對出口斷路器內(nèi)部進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)出口斷路器V相發(fā)電機(jī)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(shè)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(jìn)行了更換。在機(jī)組啟動(dòng)過程中,發(fā)電機(jī)采用零起升壓,升壓及并網(wǎng)全過程各項(xiàng)數(shù)據(jù)無異常;在低負(fù)荷階段穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間,檢查各相電氣量無異常情況后,投入機(jī)組AGC。

        4 故障原因分析

        4.1 電容器漏油

        拆下電容器進(jìn)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(biāo)記位置為裂紋區(qū)。

        圖4 根部裂紋

        文獻(xiàn)[11]指出,該型號(hào)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(yīng)力會(huì)使焊接處產(chǎn)生形變,而在出口斷路器分、合時(shí)引起的正常振動(dòng)對瓷套管的拉力接近137 N,在長時(shí)間間斷性開關(guān)分、合振動(dòng)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(huì)導(dǎo)致內(nèi)部電容元件被擊穿放電[12-13]。

        發(fā)電機(jī)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(huì)增大,與零序電壓的變化關(guān)系見公式(1)[14]:式中:CΣ0為發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)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(jī)中性點(diǎn)接地電阻;ω為角速度。

        根據(jù)公式(1),當(dāng)出口電容器缺陷后CΔ增大時(shí),發(fā)電機(jī)零序電壓U0會(huì)隨之增大。當(dāng)U0數(shù)值達(dá)到90%定子接地保護(hù)整定值時(shí),就會(huì)觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作。

        4.3 零序電壓階梯式增加

        DCS采集的發(fā)電機(jī)零序電壓3U0取自集控樓電子設(shè)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(hào)為FPV-V1-F1-PD1-03,該變送器為平均值轉(zhuǎn)換、有效值標(biāo)定。

        電容器漏油時(shí),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(yùn)行一段時(shí)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(guān)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(gè)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(huì)導(dǎo)致電容單元擊穿,從而觸發(fā)發(fā)電機(jī)90%定子接地保護(hù)動(dòng)作;機(jī)端零序電壓呈現(xiàn)階梯式增加趨勢,是電容元件逐個(gè)擊穿的電氣量反應(yīng),也是區(qū)別于其他故障類型的最明顯特征。當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電壓出現(xiàn)階梯式增加時(shí),應(yīng)及時(shí)停機(jī)檢查,避免事故擴(kuò)大(如電容器爆炸)和機(jī)組突然跳閘對系統(tǒng)造成沖擊。

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

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