故障錄波數據在大型水電站電氣試驗分析中的應用

于步亞，王 剛

（雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610051）

故障錄波數據在大型水電站電氣試驗分析中的應用

于步亞，王 剛

（雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610051）

首先介紹了電廠故障錄波系統的配置和功能，針對發電機的電氣試驗項目，研究了基于電氣設備試驗時特征電氣量波形的錄制方案。結合實際錄波數據，重點分析了故障錄波在發電機升流試驗、發電機空載特性試驗中的應用。希望可為使用同類型故障錄波裝置的電站在新機組投產發電或者機組改造后進行相關電氣試驗項目時提供借鑒。

故障錄波；沖擊試驗；升流試驗；分析

1 概述

某大型水電站故障錄波系統由6臺ZH-2B型嵌入式發電機變壓器組故障錄波分析裝置、2臺ZH-3型嵌入式電力故障錄波分析裝置以及1套故障錄波信息子站組成，為武漢中元華電產品［1-2］。6臺ZH-2B型嵌入式發電機變壓器組故障錄波分析裝置分別實現對6臺發變組及其6 kV廠用電設備電壓、電流、開關量等的監視、錄波，2臺ZH-3型嵌入式電力故障錄波分析裝置分別實現對5條500 kV送出線路及2條500 kV母線和500 kV開關及6 kVⅦ、Ⅷ段母線電壓、電流、開關量等的監視、錄波。故障錄波信息子站由應用工作站、數據通信服務器、工業以太網交換機、彩色激光打印機等組成。全廠故障錄波系統結構示意圖如圖1所示。

圖1 全廠故障錄波系統結構示意圖

錄波數據的存儲是故障錄波系統關鍵技術之一，錄波數據的安全、可靠存儲對專業技術人員有效提取數據進行故障分析、評價保護動作情況、總結設備運行規律具有重要意義。二灘電廠故障錄波系統能實現錄波數據同步四級存儲：第一級是將錄波數據存儲在DSP板載的大容量FLASH存儲器內；第二級是將錄波數據存儲在32位嵌入式CPU板上配置的微硬盤內；第三級存儲是將錄波數據存儲在管理機配置的大容量硬盤內；第四級存儲是將錄波數據存儲在故障錄波信息子站數據通信服務器上，數據存儲示意圖如圖2所示。

圖2 故障錄波數據存儲示意圖

錄波數據的四級存儲大大提高了數據存儲的安全性與可靠性，并為數據查詢與提取提供了很大的方便。

2 錄波數據在電氣試驗中的應用

2.1 錄波數據在發電機升流試驗分析中的應用

2.1.1 發電機升流試驗原理及意義

發電機轉子通常包括多個磁極繞組、繞組引線、阻尼繞組等，具有較大的轉動慣量。由于離心力的作用，在運行中線匝絕緣的移動、轉子繞組端部的熱變形、線匝端部墊塊松動或護環絕緣襯墊老化，小的導電粒子或碎物進入轉子線匝端部和轉子通風溝等會導致轉子繞組匝間短路。轉子繞組匝間短路會造成短路局部過熱、引起磁通的不對稱和轉子受力不平衡，從而引起轉子振動，嚴重時導致轉子接地故障發生。機組正常運行時，略去開槽造成的磁動勢的少許不連續，轉子磁動勢的空間分布近似為梯形。當轉子繞組存在匝間短路時，會導致短路磁極的磁動勢局部損失。由于轉子繞組短路后有效匝數減少，為了維持磁動勢的平衡，勵磁電流將會增加。因此，勵磁電流是發電機轉子繞組匝間短路一個重要的故障特征量［3-5］。

發電機升流試驗即短路特性試驗，是指在發電機額定轉速下，定子繞組三相穩態短路時得到定子繞組電流與轉子勵磁電流的關系曲線的試驗。在發電機三相短路時，其合成電勢只有漏抗壓降，所以對應的氣隙合成磁通很小，其磁路處于不飽和狀態。因此，勵磁電流變化時，合成電勢和對應的短路電流理論上成正比關系，所以，短路特性曲線是一條通過原點的直線。發電機短路特性試驗作用主要有：

（1）檢查定子三相電流是否對稱。

（2）通過發電機短路特性試驗可以檢查轉子是否有匝間短路，特別是檢查與轉速有關的不穩定匝間短路。因為在一定轉速范圍內短路電流與轉速無關，可以避免因轉速不同引起的測量誤差。因此，發電機升流試驗對反映轉子繞組嚴重的匝間短路故障較空載特性靈敏。實踐證明，當轉子繞組匝間短路匝數大于3%時，短路特性能靈敏的反映出來。

（3）通過短路特性試驗數據，結合空載特性曲線可以求取發電機的一些重要參數。

2.1.2 試驗數據處理與分析

在試驗過程中，應監視檢查發電機三相電流的對稱性及相位情況，當出現幅值或相位異常時應查明原因，必要時停機滅磁處理。試驗結束后，故障錄波裝置能根據發電機定子電流、勵磁電流自動生成短路特性曲線，其中定子電流為三相電流平均值。

發電機短路試驗曲線示意圖如圖3所示。

通過試驗波形，可以看出發電機短路特性曲線是一條通過原點的直線。將短路特性試驗曲線與發電機出廠試驗數據或者歷年短路特性試驗曲線相比較可以判斷發電機是否存在故障。試驗過程中機端電流檢查可以看出，發電機定子電流三相對稱，幅值平衡，相位正確，三相不平衡度滿足要求。若三相電流不平衡，需結合不同CT電流測量值來判斷區分一次設備異常和二次設備異常，二次設備異常時應重點檢查CT二次回路。

圖3 發電機短路特性試驗曲線示意圖

表1 發電機升流過程機端電流檢查表

圖4 發電機升流過程中機端電流波形

如果短路特性曲線比歷史短路特性曲線有明顯降低，如圖5所示，則說明發電機轉子繞組存在匝間短路或勵磁回路有故障，需要進行進一步檢查處理。

圖5 發電機短路特性曲線對比示意圖

2.2 錄波數據在發電機空載特性試驗分析中的應用

2.2.1 發電機空載特性試驗原理及意義

發電機空載特性試驗是指在發電機以額定轉速空載運行時，逐步增加勵磁，升至額定電壓的過程。試驗過程反映定子電壓與勵磁電流之間的關系。通過發電機空載特性試驗可以錄制發電機空載特性曲線，檢查發電機一次設備有無故障及絕緣狀況，檢查發電機電壓互感器接線的正確性。

2.2.2 試驗數據處理與分析

發電機空載特性試驗曲線如圖6、7所示。

圖6 試驗結束時原始空載特性曲線示意圖

圖7 發電機空載特性曲線擬合示意圖

發電機空載特性試驗過程中機端電壓檢查結果如表2所示。

表2 發電機空載特性試驗過程機端電壓檢查

發電機升壓過程中機端電壓波形如圖8所示。

圖8 發電機升壓過程中機端電壓波形圖

由發電機原始空載特性曲線可以看出，發電機空載特性呈現出磁滯曲線特征，即上升曲線稍低于下降曲線。通過曲線擬合可以得到發電機空載特性擬合曲線和方程，與發電機歷史空載特性曲線相比較，可以判斷發電機轉子繞組是否發生短路故障。同時應注意，受剩磁影響會使定子繞組存在殘壓，會使空載特性曲線不通過坐標原點。因此，應對空載試驗曲線進行校正。

同時，根據發電機升壓過程中機端電壓監視結果可以看出，發電機電壓三相對稱，幅值平衡，相位正確，三相不平衡度滿足要求。當三相不平衡度超標時，會產生較大的負序及零序分量，此時應檢查電壓互感器及其回路接線。

另外，根據發電機短路特性曲線和校正后的空載特性曲線，可以計算得到同步發電機的短路比及同步電抗。例如，發電機短路特性曲線及空載特性曲線如圖9所示。

圖9 發電機特性曲線

圖9中3條線由下至上分別為短路特性曲線、空載特性曲線、氣隙線（即空載特性曲線直線部分的延長線）。

短路比是在發電機空載時使空載電勢為額定值時（不飽和值）的勵磁電流If0與發電機出口三相短路電流為額定值時的勵磁電流Ife之比，短路比的倒數即同步電抗Xd（不飽和值），即：

發電機空載電勢為額定值時（不飽和值）對應的勵磁電流由氣隙線求得。

3 結語

故障錄波數據對于大型水電站在主變和發電機試驗中的相關數據進行記錄、分析，可以及時發現主變和發電機是否出現異常，有利于設備安全、可靠運行。

［1］武漢中元華電科技有限公司.ZH-3嵌入式電力故障錄波分析裝置技術說明書［Z］，2006.

［2］武漢中元華電科技有限公司.ZH-2B嵌入式發變組故障錄波分析裝置技術說明書［Z］，2006.

［3］羅志平，張旭寧.繼電保護現場試驗存在的典型問題及試驗方法探討［J］.電力自動化設備，2006，26（5）：96-99.

［4］葉軍偉.發電機短路特性試驗分析［J］.科技廣場，2010（3）：203-205.

［5］任保瑞，趙 鋒，劉小改，等.勵磁涌流引起的變壓器差動保護誤動作分析及對策［J］.電網與清潔能源，2010（10）：6-9.

TV738

B

1672-5387（2016）07-0035-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.07.011

2016-04-22

于步亞（1984-），男，工程師，從事水電站運行維護工作。