燃氣輪機組啟動過程中PT爆裂原因分析及預防措施

(廣東惠州天然氣發電有限公司，廣東 惠州 516082)

1 引言

電力系統中存在著大量的儲能元件，由變壓器、電壓互感器等電感元件和電容器、電力電纜等電容元件組成，這些元件組成了很多串聯或并聯回路，在正常穩態運行之下不會發生諧振，但是在系統故障或由于某種原因電網參數變化就很有可能引發諧振。在中性點非有效接地系統中，一相斷線或接地，系統受電、諧波等都是引發諧振的重要原因。諧振可導致系統一定范圍的過電壓和過電流，諧振過電壓不僅危害設備絕緣，而且產生大的零序電壓分量，出現虛假接地或不正確接地指示。諧振過電壓幅值不高，但因過電壓頻率往往遠低于額定頻率，足以讓電壓互感器鐵芯磁通飽和，嚴重發熱、甚至燒壞絕緣。

2 故障現象

某日，惠州燃機電廠#1機組啟機升速至3000rpm，合滅磁開關起勵，準備并網。機端電壓上升至額定電壓20kV后，DCS發出“PT故障”、“PT斷線”及“發電機起停機保護動作”報警，隨即停燃機。檢查發現發電機出口側第2組PT的A相外殼爆裂，并有焦糊味，PT一次高壓保險熔斷，二次空開仍在合位。

3 故障初步判斷

首先簡要說明燃氣輪機組啟動的過程。啟機令發出后的動作順序是：分發電機中性點地刀→SFC(燃機靜態變頻啟動裝置)開始啟動→燃機點火→升速至2200rpm后停SFC→合發電機中性點地刀→燃機自持加速至3000rpm→勵磁起勵→并網。

這次故障發生在SFC啟動成功后起勵剛完成的時刻。從發電機保護動作情況來看，起停機保護的動作判據是發電機機端開口三角的零序電壓(第2組PT)。A相PT高壓保險熔斷致使開口三角形出現大小為相電壓的零序電壓，起停機保護按定值準確動作。而100%定子接地保護的三次諧波由于是從第1組PT所取，且發電機定子及出口沒有出現接地故障，故100%定子接地保護不動作。

根據對故障現象的初步判斷，其故障原因可能如下：

圖1 故障發生時的PT

(1)電壓互感器質量不好。從歷年來出口PT的運行工況及預防性試驗來看，PT質量并沒有問題。事后對損壞PT進行試驗，試驗結果也證明了這點。這次試驗結果是：爆裂的PT變比滿足要求，一二次絕緣大于12000MΩ，耐壓47KV通過，直流電阻也正常。

(2)電壓互感器二次負載偏重。由于第2組PT有故障，現場臨時把此組PT的負荷移至第1組PT，開機后測量第1組PT二次電流為21mA左右，計算容量為1.2VA，在額定容量50VA范圍內，所以二次負載正常且較小。

(3)鐵磁諧振。鐵磁諧振是諧振過電壓中最常見的，分為鐵磁電壓諧振(串聯諧振)和鐵磁電流諧振(并聯諧振)，兩種諧振以鐵磁電壓諧振較為常見。電壓互感器由于鐵磁諧振引起爆裂的事件在很多變電站及電廠都出現過。

4 故障原因深入分析

對于燃氣輪機組而言，其啟動需要通過SFC靜態變頻啟動裝置來拖動發電機轉動，一直持續到使燃機達到自持轉速。在SFC變頻啟動過程中，由于大功率變頻器投入系統，發電機機端會產生大量諧波，而正好其中的某種頻率下發電機和電壓互感器產生了鐵磁諧振，導致電壓互感器鐵芯迅速飽和，勵磁電流增大幾十倍，伴隨著持續長時間運行，使電壓互感器本身溫度也急速上升，最終導致損壞。另外，在SFC啟動時系統屬于中性點不接地系統，一次側電壓在運行中容易發生偏斜，當某相出現高電壓時，該相電壓互感器更加容易發生熱膨脹爆裂。

為了分析在SFC啟動過程中的諧波含量，電廠分別對#1、#2、#3發電機出口側進行了諧波測試。試驗結果顯示，分頻諧振的電流為正常電流的240倍以上，工頻諧振電流為正常電流的40～60倍左右，高頻諧振電流則很小。如果PT的絕緣良好，工頻和高頻諧振一般不會危及設備的安全，但分頻諧振的破壞性則很大，發生時鐵芯磁密度將增加到正常值的3倍(諧振電壓為額定值時)，互感器勵磁電流也可達幾十毫安(正常值約為數毫安)，導致PT線圈急劇發熱。

因此分析得出：在SFC啟動過程中，電壓互感器在系統低頻運行階段發生了并聯鐵磁諧振，造成PT勵磁電流急劇增加，過激磁而發熱。此時PT已經絕緣嚴重損傷但是還沒有完全擊穿或燒損。再次起勵后隨著機組電壓急劇升高，由于PT溫升越來越大最終導致PT爆裂。

惠州燃機發電廠#1發電機出口側的電壓互感器在這次事件之前也發生過兩次PT一次保險熔斷，且每次都是在啟機過程中發生的，因此認定也是由于鐵磁諧振引起。而其他兩臺機組均未出現以上情況，這說明鐵磁諧振的發生還和系統對地電容和PT本身參數有關。

5 采取的消除諧振的方法

為了消除諧振給發電機運行帶來的安全隱患，電廠在發電機出口側電壓互感器的二次側開口三角各增加一臺微機消諧裝置(型號ZH-WXZ)，并使開口三角電壓3U0通過發電機出口開關的輔助接點接入消諧裝置，實現微機消諧裝置在發電機并網前與解列后起消諧作用。

該裝置在鐵磁諧振時進行快速消除，在過電壓、單相接地時給出報警信號并顯示保存相關信息，記錄鐵磁諧振發生的時間及相關參數。裝置實時監測PT開口三角電壓3U0，運用離散傅里葉變換算法計算出零序電壓四種不同頻段下的電壓分量，增加了壓敏元件。元件的阻抗隨著諧波電壓的變化而變化，從而破壞PT鐵磁諧振的產生條件。如壓敏元件未能完全消除鐵磁諧振，則瞬間啟動大功率消諧元件予以消除。當諧振

發生時，每隔60ms啟動一次大功率諧振元件，啟動三次算作一段，如果在第一段消諧過程中未能完全消除，隔一定時間啟動第二段，若連續消諧三次后，諧振仍然存在，裝置判斷為PT永久性故障，不再進行消除動作，只有等永久性故障消失后，才恢復消諧功能。

圖2 微機消諧裝置接入位置圖

6 結語

SFC靜態變頻啟動裝置是保證燃氣輪機組順利啟動的重要設備，由于SFC自身的構造，其產生諧波而導致鐵磁諧振是不可避免的。通過在發電機出口電壓互感器開口三角加裝微機消諧裝置,以盡可能的抑制諧波和減少諧波，從而有效避免諧振對系統帶來安全隱患。微機消諧裝置運行之后，再沒有發生PT保險熔斷及PT爆裂的情況。它在SFC啟動時消除諧波，改善發電機啟動時的電壓波形，從而很好地抑制了鐵磁諧振，同時亦保持了接地指示裝置對零序電壓幅值和相位的靈敏度，優點相當突出。

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