發電機出口電壓互感器匝間短路故障分析與計算

馬云飛

(大唐華中電力試驗研究院，鄭州 450001)

0 引言

電壓互感器(PT)作為電力系統中測量、保護的重要設備，在發電廠、變電所等輸電和供電系統中得到廣泛應用[1]。近年來，發電機出口PT一次繞組匝間短路導致保護動作甚至機組非停事故時有發生，嚴重影響電廠發電機的監控和穩定運行。文獻[2]通過一次繞組匝間短路造成發電機基波零序保護動作跳機實例，從保護原理及故障信息的角度分別對基波零序電壓型和注入式定子接地保護動作行為進行分析，考察了保護配合整定方案及靈敏度。文獻[3]對機端PT一次繞組匝間短路時的電氣特征進行分析，得出對地電壓最高相的下一相即為故障相這一結論，通過故障案例驗證了理論分析的正確性。目前，針對PT匝間短路故障案例的分析比較多[4-5]，但結合匝間短路前后電氣等效電路圖開展深入分析與計算的并不多見。

本文以一起發電機出口PT故障引起發電機變壓器組(以下簡稱發變組)保護動作事件為例，通過故障錄波波形、試驗數據的綜合分析判斷，認為保護動作是由PT一次側匝間短路引起的。其次對PT匝間短路引起故障相對地等效阻抗降低，進而引起機端電壓不平衡進行等效電路的分析與計算。最后討論了引起匝間短路的幾種可能情況及預防措施。

1 故障實例

某發電廠#4發電機為東方電機廠生產的QFSN-600-2-22D型產品，額定電壓為22 kV，額定功率為600 MW。經離相封閉母線與3臺單相主變壓器(以下簡稱主變)相連，以單元方式接入330 kV系統。發電機出口有3組PT，其中1PT和2PT型號為JDZX16-22，3PT型號為JDZX16-22G，均為大連北方互感器廠生產。該機組于2013年大修，3組PT各項常規預試驗合格，每年開展1次空載電流測試，試驗合格。

2017年3月16日，該發電機組帶有功423 MW，無功43.7 MV·A，發變組保護及勵磁系統正常運行。12:17:30，#4發變組保護A，B柜同時報“定子接地3U0”保護動作，主變高壓側3371開關、3370開關，廠用10 kV 14A/14B/14C開關，Q02滅磁開關跳閘，廠用10 kV切換裝置動作，備用開關切換成功。停機檢查后發現，機端1PT B相存在故障。由于發電機出口PT無備品，該電廠采用臨時措施將1PT拉出，并將1PT的二次負載并接至2PT二次側。22:30，機組并網，運行正常。

2 故障過程分析與處理

2.1 故障錄波分析

該發變組采用美國GE公司生產的G60微機保護裝置，其中“定子接地3U0”保護取機端零序電壓和中性點零序電壓，機端零序電壓定值為5 V，中性點零序電壓定值為11 V，保護延時為6 s。圖1為#4發變組A柜故障錄波波形。從圖1可以看出，保護動作前發電機三相電壓出現不平衡現象：A，C相電壓偏高，B相電壓偏低。跳閘時刻發電機機端零序電壓A柜為21.4 V，B柜為25.9 V(兩柜電壓信號取自不同的機端PT)，發電機中性點零序電壓為37.0 V左右(兩柜取自同一PT)，均遠遠大于定值，保護動作正確。

圖1 #4發變組A柜故障錄波波形

機組停機后，對機端出口電壓互感器二次回路進行檢查，絕緣合格，接線正確，發變組保護邏輯正確。測量發電機三相定子繞組殘壓，A相為27.0 V，B相為18.9 V，C相為24.2 V，機端一次電壓不平衡。隨后將發電機出口6臺電壓互感器(1PT，2PT)依次拉出，在1PT B相電壓互感器拉出后，測得三相定子繞組殘壓均為23.0 V。最后將發電機空載升壓至額定值，檢查發電機三相電壓均為22.0 kV，三相電壓正常。由此可以判斷，發變組保護動作與1PT B相故障有關。

2.2 試驗測量分析

為了進一步分析1PT B相故障原因，分別對該PT進行絕緣電阻、一次繞組直流電阻、空載電流的測量，試驗時溫度為19 ℃，相對濕度為44%，測試結果見表1～表3。

表1 1PT B相絕緣電阻 GΩ

表2 1PT B相歷年一次繞組直流電阻 kΩ

注：表中直流電阻均為換算到25 ℃時的電阻值。

表3 1PT B相空載電流

測試結果分析如下。

(1)從表1可以看出，一次繞組及3個二次繞組絕緣電阻均正常，說明繞組無接地現象。

(2)從表2可以看出，故障后直流電阻相比2008年的測量值減小了17.4%，說明PT一次繞組存在匝間短路情況。

(3)對1PT B相進行空載電流測量，當二次側電壓僅為1.04 V時，二次側電流就達到了2.2 A，遠小于正常預試時所加電壓值。

2.3 故障綜合診斷

綜合故障錄波和試驗測量數據，判斷此次故障是由PT一次繞組匝間短路故障引起的。匝間短路往往跟PT生產、制造中質量不良或工藝缺陷有關。在長期高電壓下運行，絕緣材料老化加劇，絕緣強度降低，最終引發匝間繞組短路，發電機機端故障相電壓下降，機端三相電壓不平衡，造成保護動作。

3 機端PT一次繞組匝間短路等效電路分析

與計算

發電機系統及出口PT等效電路如圖2所示[6]。圖中：EA，EB，EC分別為發電機定子A，B，C三相的電動勢；RN為中性點對地電阻；CA，CB，CC為每相對地等效電容；ZA，ZB，ZC為PT一次對地阻抗。

圖2 發電機系統及出口PT的等效電路

發電機機端每相對地導納為

(1)

式中：YA，YB，YC分別為機端A，B，C相對地導納；ω為角頻率。

由基爾霍夫電流定律可得

(2)

由式(2)可得：

(3)

機端三相對地電壓為

(4)

從上述故障案例來看，1PT B相發生一次繞組匝間短路，假定故障后B相一次對地阻抗變為ZB0，若給出互感器故障前后的等效電路，有助于對比分析，如圖3所示。

圖3 PT等效電路

發電機出口PT正常運行時，二次側近似開路。因此其等效電路近似于一個雙繞組降壓變壓器空載運行[7]，其等效電路如圖3a所示。圖中：r1，l1和r2，l2分別為一、二次側繞組的電阻和漏感；u1，N1和u2，N2分別為一、二次側繞組端電壓和匝數。

當互感器一次側發生匝間短路時，假定短路在繞組中間某部分，設短路匝數為N12，此時繞組被分為3部分，用N11+N13來表示剩余繞組匝數，則有N11+N13=N1-N12。對于短路繞組匝數N12這一部分，其自身仍是閉合線圈，相當于產生了一個新的“變壓器”繞組，仍然具有變壓器的功能。因此，匝間短路可以認為等效電路結構由雙繞組變成三繞組變壓器，對應等效電路如圖3b所示。圖中：r11+r13，l11+l13分別為短路后一次側繞組的電阻和漏感；r12，l12分別為短路繞組的電阻和漏感；rd為電弧電阻，比較小，N12繞組近似短路運行。

從圖3a可以看出，空載運行時回路中勵磁阻抗起主導作用。由于勵磁阻抗往往較大，呈現高阻抗特性，因而一次側運行在額定電壓下時，一次側回路電流較小。圖3b中，一次側發生匝間短路后，相當于二次側多出一個“短路繞組”，回路中短路阻抗遠小于勵磁阻抗，因而一次側在很小的輸入電壓下，回路電流也會很大。

以上述1PT B相為例，空載特性試驗時，當二次側電壓僅為1.04 kV時，二次側電流達到2.2 A。而正常運行時，試驗電壓升至109.6 V，二次側電流達到2.2 A，因而有下式

(5)

從式(5)可以看出，PT一次繞組匝間短路后等效阻抗|ZB0| 遠小于正常運行下的阻抗|ZB|。考慮漏磁通的變化關系較為復雜，本文不作具體的公式推導，僅通過等效電路圖的變化來直觀說明。

(6)

式中：X，Y均大于零，大小與N12及RN有關。

當B相發生短路時，發電機端三相對地電壓用故障相的電動勢來表示，有以下關系式。

由式(7)可得

(8)

可見，B相發生匝間短路時，A相電壓最大。與上述故障案例中故障錄波數據進行對比，印證了此結論的正確性。

4 PT匝間短路原因分析及預防措施

4.1 原因分析

引起PT匝間短路的原因有很多，大體上從外部工況和PT本體兩個方面來進行分析。

(1)與PT直接相連封閉母線的絕緣能力。若絕緣下降，發電機運行過程中會出現閃絡、對地放電等現象，會對PT一次繞組形成電壓的波動沖擊[8]。

(2)PT二次繞組存在短路、過負荷甚至誤接線等現象。

(3)PT在生產、制造中存在質量不良或工藝缺陷。PT長期帶電運行，使絕緣材料老化加劇，絕緣強度降低，最終引發繞組匝間短路。

4.2 預防措施

(1)應加強發電機出口PT的選型設計、驗收試驗和現場維護，選用質量好的機端PT。例如，上述案例中故障PT為大連北方互感器廠生產的JDZX16-22，通過查閱文獻資料，該型號PT與文獻[8]中故障PT為同一廠家生產的同型號產品，并且多次出現PT匝間短路事故，威脅機組安全穩定運行，這更加表明PT選型、質量的重要性。

(2)在機組檢修期間，按照DL/T 596—1996《電力設備預防性試驗規程》要求[9]，開展發電機出口封閉母線、PT的檢查和試驗工作[10]。

(3)帶電局部放電測試作為一種有效的非電量絕緣測試手段，對于判斷PT內部是否存在絕緣缺陷有輔助作用，可考慮增加此類試驗項目。

(4)定期對發電機出口PT開展巡檢和紅外線成像監測工作。

(5)發電機出口PT二次回路接線時要反復核對，避免出現誤接線。新增加的負荷在設計之初必須仔細核實有無容量越限的情況。

5 結束語

發電機出口PT的匝間短路故障往往會引起機組保護動作，甚至造成非停事故，文中通過對PT匝間短路等效電路的分析計算，得出匝間短路會引起故障相等效阻抗明顯降低這一結果，可作為增設保護邏輯的有效判據。發電企業應結合預防措施，加強PT設備的選型、訂貨、驗收、投運以及日常維護、檢修、試驗工作。