一起勵磁變匝間短路的分析和對策

韓憲良

（廣東省粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東 揭陽 551223）

一起勵磁變匝間短路的分析和對策

韓憲良

（廣東省粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東 揭陽 551223）

文章就廣東某電廠自并勵勵磁系統(tǒng)中接自發(fā)電機出口的勵磁變發(fā)生匝間短路事故進行了分析解讀。通過從該勵磁變結(jié)構(gòu)及事故過程中相關(guān)保護動作情況等方面進行梳理分析，提出防止事故擴大、降低事故損失的改進意見，為同類型勵磁系統(tǒng)提供借鑒。

自并勵 ；勵磁變；匝間短路；保護

廣東某電廠勵磁系統(tǒng)采用靜止可控硅機端自并勵勵磁方式，勵磁變采用廣東順特生產(chǎn)的樹脂澆注干式變，型號為DCB9-3300/27，額定電壓為27000/980V，接線組別為Yd11，F(xiàn)級絕緣按B級溫升報警，帶外殼，箱體防護等級為IP23，冷卻方式AN/AF。勵磁變配置雙套F35保護裝置，功能設(shè)置有勵磁變高壓側(cè)速斷保護、勵磁變過流保護各兩段動作于發(fā)變組全停，勵磁變過負(fù)荷保護定時限報警，勵磁變過負(fù)荷反時限程序跳閘。

1 事故發(fā)生的過程

事故前發(fā)電機經(jīng)主變接入 500kV系統(tǒng)，所帶負(fù)荷為400MW，發(fā)電機勵磁系統(tǒng)（自并勵）由機端勵磁變供電。2013年9月6日7時48分勵磁變高壓側(cè)電流速斷保護動作，7.2ms勵磁變過流保護動作，7.4ms發(fā)變組保護全停 I出口，11ms系統(tǒng)保護動作聯(lián)跳動作，428ms發(fā)電機過激磁保護動作，518.6ms發(fā)電機定子接地保護動作。事故后調(diào)取的溫控器記錄數(shù)據(jù)顯示，鐵心最高溫度為112℃，A相繞組最高溫度為91℃，變壓器溫升正常。為了即時檢查毀壞情況和對故障原因進行分析，現(xiàn)場對變壓器進行了檢查和試驗，測得A相高低壓側(cè)對地絕緣為零，已被嚴(yán)重?zé)龤茐摹Ｍㄟ^解體情況分析，故障發(fā)生在A相一組線圈的低壓側(cè)，因為匝間短路不斷擴大導(dǎo)致A相高、低線圈全部燒損。

2 故障濾波記錄分析

本勵磁變采用分相式組裝，即A、B、C三相分別為單相兩芯柱變壓器，然后用母線排將三相連接成Yd11方式。接線原理圖如圖1：

圖1 勵磁變接線原理圖

故障錄波圖如圖2，圖中上部黃、綠、紅表示勵磁變高壓側(cè)的A、B、C三相線電流，即圖1中的IA、IB、和IC，灰色表示高壓側(cè)中性點電流 I0，有中性點電流是因為電流互感器采用完全星型接線。圖2下部黃、綠、紅表示勵磁變低壓側(cè)的a、b、c三相線電流，即Ia、Ib、和Ic。根據(jù)故障錄波圖的特性，將故障分為三個階段進行分析。

圖2 故障錄波圖

第一階段主要反應(yīng)出A相低壓側(cè)發(fā)生匝間短路初期，發(fā)生匝間短路的回路為單匝或少數(shù)，勵磁變本身的短路阻抗受到的影響較小，整體而言對于低壓側(cè)非匝間短路線圈所感應(yīng)的電流還是符合相序條件，所以對于低壓側(cè)的線電流影響也不是很大，即幅值和相位正常。由于勵磁變聯(lián)結(jié)組別為 Yd11型，零序電流在高壓側(cè)不能形成回路，但可低壓側(cè)內(nèi)部形成零序回路，高壓側(cè)線電流與低壓側(cè)相電流相序保持相同。低壓側(cè)內(nèi)部發(fā)生匝間短路后，也就相當(dāng)于勵磁變負(fù)載的不平衡，因而會在低壓側(cè)內(nèi)部形成比較大的零序電流，而高壓側(cè)零序電流 I0仍為零。同時，低壓側(cè)發(fā)生匝間短路后，會在短路匝線圈內(nèi)感應(yīng)很大的反極性磁通，即低壓側(cè)A相線圈對外表現(xiàn)不再是電感，而是有一定阻抗的導(dǎo)電體，即圖1中的變低ax發(fā)生高阻性短接，從而使高壓側(cè)AO產(chǎn)生比較大的電流IA，它然后經(jīng)繞組BO、CO流回系統(tǒng)，所以就有高壓側(cè)B、C相電流的相位和幅值基本相同的情況。

第二階段通過圖2的故障錄波圖可看出，出現(xiàn)了中性點電流I0，幅值為13.99kA。但IA的幅值變小，反而IB、IC幅值增加到6.16kA，且相位與中性點電流相位I0基本相同。出現(xiàn)上述情況的主要原因是低壓側(cè)匝間短路繼續(xù)發(fā)展，致使高壓側(cè)出現(xiàn)了接地。高壓側(cè)未接出現(xiàn)地前由于高壓側(cè)采用Y型接線，零序電流無法流通中性點O處的對地電位會升高，低壓側(cè)匝間短路作用在高壓側(cè)的大電流，使得高壓側(cè)A相線圈出現(xiàn)破皮閃絡(luò)，非故障相由相電壓變線電壓，使得中性點電壓升高為相電壓15.6kV，造成中性點接地處有很大電流為13.99kA，并將中性點連接線燒斷。這個過程中出現(xiàn)了IA的幅值變小，IB、IC幅值增加且與中性點電流相位基本相同的現(xiàn)象，進一步說明高壓側(cè)A相里面和中性點0接地，致使發(fā)電機出口的A相電壓Ua降低且接近零，而B、C相升則為線電壓水平，高壓側(cè)A相相當(dāng)于被地短接，所以A相電流是比較小的。在A相和中性點0接地后，相當(dāng)于B、C兩相發(fā)生了相間接地短路，所以中性點的電流I0基本上為B、C兩相之和，相位也相同。

第三階段從圖2的故障錄波圖可看出，中性點電流消失而A相電流迅速增加，且相位與B、C兩相相反，其基本與第一階段相同，只是電流幅值有大幅增加，A相電流 IA為11.982kA，出現(xiàn)上述問題的原因是由于中性點連接線被燒斷后入地的中性點電流消失，在低壓側(cè)A相匝間短路的回路增多的情況下，高壓側(cè)A相的相（線）電流IA肯定會突然增大的。開關(guān)跳閘后發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量仍然存在，電流幅值是逐步衰減的，大約持續(xù)了12秒后A相電流IA才降為1.561kA。

通過上面分析，發(fā)生問題的主要原因是由于A相線圈低壓側(cè)發(fā)生匝間短路并不斷擴大引起，同時還伴隨著有接地等現(xiàn)象才上出現(xiàn)上述錄波圖。通過電流拆算后發(fā)現(xiàn)低壓側(cè)的電流有上幾萬甚至幾十萬安的電流，這個電流和持續(xù)時間是足夠?qū)相高、低壓側(cè)銅箔燒燒損。

3 保護動作分析判斷

勵磁變高壓側(cè)額定電流212A（折合二次值 0.424A，CT變比 500/1）。勵磁變高壓側(cè)速斷保護由兩段構(gòu)成，瞬時速動段定值為5.5A，延時0S，短延時速動段定值2.1A，延時0.15S，勵磁變過流保護定值為0.9A，延時0.5S。速動及過流保護均動作于發(fā)變組全停。勵磁變過負(fù)荷保護定時限定值0.37A，延時12S報警，勵磁變過負(fù)荷反時限啟動值為0.37A，程序跳閘。發(fā)電機過激磁保護采用相電壓判別元件，設(shè)有定時限和反時限段，定時限設(shè)兩段，I段定值為1.07 pu，延時0.5S發(fā)信，II段定值為1.19pu，延時1S，反時限啟動值為1.08pu，動作于解列滅磁；發(fā)電機定子接地保護定值為13.8V，延時0.5S，動作于發(fā)變組全停。

從發(fā)變組錄波圖圖2分析，勵磁變高壓側(cè)A相電流二次有效值為3.674A，B相電流二次有效值為1.838A，C相電流二次有效值為1.832A，且B、C相電流同相位，超過勵磁變高壓側(cè)速斷電流動作值2.1A，滿足過勵磁變高壓側(cè)速斷保護動作條件，7：48：24：574，動作于發(fā)變組全停。7：48：24：995，發(fā)電機機端B、C兩相電壓在勵磁變A相故障后升為線電壓88V（1.53pu），大于發(fā)電機過激磁保護值；7：48：25：085，發(fā)電機中性點二次電壓為85.7V，大于定值13.8V，定子接地保護動作。

整個過程從發(fā)生低壓側(cè)故障至故障電流達到短延時速斷保護電流定值的時間 650ms；故障電流達到短延時速斷電流定值至發(fā)生高壓側(cè)單相接地故障的時間148ms；發(fā)生高壓側(cè)單相接地故障至基波定子接地保護動作的時間 0.5s。而短延時速斷延時150ms，保護動作速度慢，導(dǎo)致發(fā)展成高壓側(cè)單相接地故障，加上發(fā)電機轉(zhuǎn)動慣量和殘壓的影響使得勵磁變A相高低側(cè)全部燒損。

表1 保護動作時序

4 改進措施

通過對此次勵磁變事故過程及保護動作情況的全面分析，并得出相關(guān)結(jié)論如下，并進行了相關(guān)整改：

（1）由于勵磁變未配置差動保護，導(dǎo)致本次低壓側(cè)故障切除慢，最終發(fā)展為高壓側(cè)接地故障，可以考慮對勵磁變保護進行改造。近年勵磁變發(fā)生多次故障，咨詢國內(nèi)各保護廠家，通過近年來百萬機組勵磁變的運行情況進行總結(jié)分析，勵磁變配置差動保護還是有一定的必要性。

（2）廣東近年投運的大機組基本未配置勵磁變差動保護，建議有條件（低壓側(cè)安裝有保護級CT）的電廠考慮增配差動保護。

（3）對于未配差動保護的勵磁變（包括低壓側(cè)未安裝CT的勵磁變），其速斷過流保護應(yīng)對勵磁變低壓側(cè)母線短路有靈敏度，速斷過流保護與勵磁柜熔斷器的電流及時間定值的配合進一步優(yōu)化。

（4）過激磁保護應(yīng)改用線電壓接線，要求廠家及繼保人員進行了保護升級工作，提高保護的可靠性。

（5）機端接地故障中性點電流較大，定子接地保護已校驗電壓定值可躲高壓側(cè)短路，建議時間定值（0.5s）考慮適當(dāng)縮短（按規(guī)程最小可整0.3s）。

（6）原勵磁變溫控器測溫元件，僅用于就地的溫度顯示、啟動風(fēng)機、報警以及起動保護，無法實現(xiàn)干式勵磁變溫度的遠(yuǎn)方顯示，不利于運行人員隨時監(jiān)視勵磁變溫度的運行情況。勵磁變?nèi)嗬@組另外加裝一組測溫元件，DCS和勵磁變溫控器輸出的超溫報警信號都作為勵磁變超溫信號分別報警，以提醒運行人員采取相應(yīng)的措施。并在勵磁變間加裝了獨立通風(fēng)系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

此次事故最初由勵磁變低壓線圈（中下部）對鐵心或屏蔽放電、導(dǎo)線出現(xiàn)毛刺、絕緣強度不夠等原因所引起，而最終由低壓側(cè)匝間短路擴大到高壓側(cè)接地。通過對此事故的發(fā)展全程剖析，提出勵磁變增配差動保護的建議，對勵磁變有聯(lián)系的發(fā)電機相關(guān)保護進行了優(yōu)化，此外還勵磁變溫控進行了升級改造。經(jīng)過多方面的改善，能夠有效的防止勵磁事故發(fā)生，發(fā)生事故更能降低事故損失，在勵磁系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行過程中起到了很好的效果。

［1］ 張陽輝，翁利國，方敏.關(guān)于特大型水電站勵磁變保護配置方案的探討［J］.浙江水利水電專科學(xué)校學(xué)報，2013，（4）：21-23.

［2］ 王璐，周淵.干式勵磁變超溫保護的改進［A］.全國發(fā)電機組技術(shù)協(xié)作會.全國火電大機組（300MW級）競賽第37屆年會論文集［C］.全國發(fā)電機組技術(shù)協(xié)作會，2008：3.

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Analysis and countermeasure of the turn-to-turn short circuit between the turn of excitation variable

In this paper， an analysis is made on the inter turn short circuit fault in the excitation system of the self shunt excitation system of a power plant in Guangdong. Through the analysis of the excitation transformer structure and the related protective action in the accident process， put forward to prevent the expansion of the accident， improved opinion on reducing accident loss， to provide reference for the same type of excitation system.

Self shunt excitation； excitation variable； turn-to-turn short circuit； protect

TM57

A

1008-1151（2016）01-0044-03

2015-12-12

韓憲良（1981-），男，安徽滁州人，廣東省粵電靖海發(fā)電有限公司工程師，從事電廠電氣技術(shù)管理工作。