發電機電壓互感器一次熔斷器熔斷引起停機的故障分析

張兵海，孟凡超，蘇艷賓，諶 偉

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

近年來，河北多次發生發電機電壓互感器（TV）一次熔斷器在正常運行過程中突然熔斷，造成發電機組非計劃停機的故障，故障停機的繼電保護有發電機過激磁保護、定子3U0接地保護和定子匝間保護。發電機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進行更換，不要求機組立即停機，因此在發變組保護、勵磁調節器中均設計有TV斷線的判別邏輯（用于反應TV一次、二次斷線），用于閉鎖TV斷線后可能誤動作的發變組保護或者將雙通道配置的勵磁調節器切換到未斷線TV對應的通道。從案例分析可知，由于發電機TV運行位置的特殊性，發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，進而導致故障擴大引起保護動作導致機組跳閘。在TV一次熔斷器的選用方面，國際標準、國家標準、行業標準均是只有標準號而沒有實際內容，無標準可依導致TV一次熔斷器在制造、試驗、選型、運行、維護等方面不夠規范。以下從實際案例入手對發電機TV一次熔斷器的幾起典型故障情況進行分析探討。

1 幾起典型故障介紹

1.1 案例1

河北省南部電網某600 MW機組運行過程中，發電機機端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。發變組A套保護使用TV1電壓，A套保護報TV斷線，發變組B套保護使用TV2電壓，B套保護無報警；勵磁調節器A通道為TV1電壓，B通道為TV2電壓，勵磁調節器均無報警。勵磁調節器A通道TV斷線邏輯未動作，未進行通道切換。自動運行方式的勵磁調節器以機端三相相電壓的平均值為基準進行勵磁調節，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。勵磁調節器增加勵磁電流，但A通道測到的三相機端電壓并未隨著升高（實際機端電壓已升高），因此勵磁調節器繼續升高勵磁電流，最終導致發電機過電壓。發電機過勵磁保護動作門檻為大于1.1 Ue進入發電機過激磁保護的反時限動作區，錄波數據顯示發電機電壓已超過1.2 Ue，因此發電機過勵磁保護動作跳閘。發電機保護及勵磁調節器機端TV配置見圖1。

1.2 案例2

冀北電網某300 MW機組運行過程中，發電機機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，發電機機端三相對地阻抗改變，導致取用發電機中性點TV的發電機定子3 Ue接地保護動作跳閘，錄波截圖見圖2。

圖1 發電機保護及勵磁調節器機端TV配置

圖2 案例2的發變組故障錄波截圖

1.3 案例3

河北省南部電網某200 MW機組運行過程中，發電機機端TV3（匝間保護專用）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，未能將發電機匝間保護閉鎖，匝間保護也未取用負序功率方向閉鎖，最終發電機匝間保護動作跳閘。

1.4 案例4

河北省南部電網某600 MW機組運行過程中，發電機機端電壓互感器TV1的V相一次熔斷器熔斷，因為弧光的存在，現象同案例1。當時發電機機端電壓已接近1.1 Ue，因為運行人員反應較快且現場有檢修人員，將勵磁調節器通道進行了切換，從而避免了一次停機故障。

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的特性［1］。TV一次熔斷器滅弧介質一般為石英沙。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快速熄弧；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小（小于0.5 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，只能通過反復拉弧使斷口擴大后，由填補斷口的石英沙來促進滅弧，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，對應相的發電機機端電壓降低不明顯，因此保護和勵磁的TV斷線邏輯不能可靠動作，從而不能對保護進行閉鎖或者使勵磁調節器切換通道，進而導致發電機電壓異常，或者因為弧光的存在導致對應相TV諧振，最終導致相應繼電保護動作跳閘。

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小；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個案例中發電機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》對應于IEC 60282，由于IEC 60282－7內容空缺，GB 15166.7－2008《高壓交流熔斷器第7部分：電壓互感器保護用熔斷器的選用導則》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行規定，因為熄弧特性取決于熔斷器的結構設計、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，因此發電機TV的一次熔斷器應選擇為帶瓷芯熔斷器。

一般發電機TV一次熔斷器額定電流為0.5 A，GB 15166—2008中規定的弧前時間、燃弧時間以及安秒特性等參數，均為回路電流大于額定電流時所對應的特性。按照TV額定二次負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設備短路時的熄弧特性，只有通過弧光燃燒使斷口擴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、匝間保護、過勵磁保護動作。

3 故障的預防措施

a.根據GB 15166.2—2008《高壓交流熔斷器第2部分：限流熔斷器》第9條選用導則說明，高壓熔斷器至少應受到與被保護設備中精密制造元件同等程度的重視，跌落后或受過嚴重機械撞擊后，應進行嚴格檢查。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組因外部過電壓的暫態沖擊時肯定易于熔斷。由GB 15166.7—2008的缺失，在TV保護用熔斷器的選擇時，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進行阻值的精確測試（而不是簡單測試其通斷），測試數據與原始數據比較并進行橫向的相間數據比較。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.調整勵磁調節器中TV判斷邏輯。雙通道配置的每一個通道應按主從關系引入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盲區，有助于出現以上故障時的早期通道切換，并應增加勵磁系統的遠方（指DCS畫面）運行人員的“切換通道”控制，便于發現問題后及時進行勵磁的通道切換，再通過閉鎖投退相關保護，在不停機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］，因為發電機系統不是直接接地系統，發生發電機定子繞組非金屬性接地故障后，如果接地保護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。選擇飽合倍數高的TV，在熔斷器熔斷斷口燃弧過程中不易發生諧振或飽合，通過運行人員采取措施后不致于導致接地保護動作跳機。

d.發電機定子3 U0接地保護當前多取用發電機中性點TV二次電壓（或接地變壓器二次電壓），其好處是可不考慮發電機中性點TV斷線閉鎖，相對取用機端TV開口角電壓可簡化保護邏輯，但是在機端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，導致發電機中性點電壓偏移，如案例2，取用發電機中性點的定子3 U0接地保護將動作跳機，如采用機端TV開口角電壓則因為有TV斷線閉鎖可有效避免跳機。研究認為，在保護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生的概率，取用機端TV開口角電壓的定子3 U0接地保護優于取用發電機中性點的情況。

e.發電機定子匝間保護一般均配置有負序功率方向閉鎖邏輯，發生匝間專用TV一次熔斷器熔斷的情況，因為有負序功率方向元件的閉鎖則可以防止匝間保護誤動，部分廠家發電機定子匝間保護的閉鎖不是負序功序方向元件，如案例3，發電機匝間保護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情況仍可導致其動作跳閘。

研究認為，發電機定子匝間保護不宜投入沒有任何閉鎖的保護段，采用2組TV平衡原理的斷線閉鎖邏輯和負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備范疇，一次設備發生故障或異常需要停機是正常的。從發電機TV熔斷器熔斷的結果看，如其引起TV飽合、損壞TV已屬于故障范圍擴大，如果從運行中更換一次熔斷器需要投退相關保護操作的復雜程度和在帶電區域更換熔斷器的安全性角度分析，熔斷器熔斷后停機更換是安全的，但由此帶來的發電量損失及非停考核則需要進行各角度的斟酌權衡。

4 結論

a.在GB 15166.7—2008缺失的情況下，可參考GB 15166.2—2008的相關條款進行TV保護用熔斷器的選擇及運行維護，應盡量選擇帶瓷芯的熔斷器。

b.發變組繼電保護和勵磁系統的TV斷線閉鎖邏輯應進行優化。繼電保護在保證“四性”前提下，也應防止出現不必要的停機，勵磁系統各限制、閉鎖模塊的整定和功能也應與繼電保護的相關邏輯進行配合；發電機TV一次熔斷器故障引起的保護動作停機宜按故障停機考慮，相關保護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.發電廠電壓互感器高壓熔斷器熔斷原因分析［J］，華電技術，2012，34（9）：23－26.