發電機機端PT熔斷器慢熔引起斷線的故障檢測方法研究

胡 帥，馬 濤，周 勇

（國網新疆電力有限公司電力科學研究院，烏魯木齊 830000）

0 引言

當發電機機端PT（電壓互感器）一次側和二次側出現斷線時，發電機-變壓器組（以下簡稱“發變組”）保護裝置的PT斷線判據應能快速準確地檢測到電壓回路異常并發出報警信號，同時閉鎖相關發電機保護和自動調壓裝置[1]。目前國內發變組保護裝置關于PT斷線的檢測方法都是基于電壓回路完全斷線后的二次側電壓矢量狀態，電壓回路未完全斷開的熔斷器慢熔狀態未納入PT斷線的檢測范圍[2]。新疆近年來發生多起因熔斷器慢熔導致機組保護動作而跳機的事故，給電網和發電企業均造成巨大的經濟損失[3]。雖然目前處理不停機更換熔斷器的措施已十分完備，但設計包含熔斷器慢熔狀態檢測的PT斷線判據才是降低發電企業非計劃停機風險的根本解決辦法。

慢熔是一次熔斷器熔絲熔斷后瞬間在斷口拉弧直至斷口擴大至電弧完全斷開的過程。在此過程中，故障相電壓幅值略微下降，機端PT開口三角因故障相電壓波形畸變而出現零序電壓[4]。各保護裝置生產廠家對機端PT斷線的檢測方法多采用電壓平衡式原理。其中有代表性的判據如下：2組PT的相間電壓向量差大于5 V；2組PT正序電壓的差值大于3 V。根據文獻[5]對電壓回路電源側和負載側不同接線形式下發生PT斷線時的電壓矢量進行分析，可發現基于電壓平衡式原理設計的判據涵蓋了PT完全斷線后所有的故障類型并滿足動作條件。該判據可以對PT斷線后的情況進行檢測，但對電壓回路未完全斷開的熔斷器慢熔狀態存在檢測靈敏度不足的問題，在文獻[2]中有相關事故案例的論述。

因此，需要設計一種包含熔斷器慢熔檢測的PT斷線判據。本文根據以往事故案例中發生熔斷器慢熔時發電機相關保護和勵磁調節裝置的反應情況，提出了基于電壓平衡式原理檢測的PT斷線判據改進措施。

1 發電機一次熔斷器慢熔特征量

以PT二次回路Y-Y接線時A相斷線為例，說明一次熔斷器慢熔時機組勵磁調節器的反應情況。故障時A相電壓短暫缺失，勵磁調節器迅速增磁并切換電壓采集通道，此時勵磁電壓和B相、C相電壓因機組增磁向上突變。當勵磁調節器的機端電壓采集通道切換完成后，機組減磁并調節機端電壓至給定值，整個過程在0.5 s內完成，故障錄波曲線如圖1所示。在慢熔期間，事故相電壓幅值因電弧阻抗略微下降[6]，機端PT開口三角出現二次諧波分量較大的零序電壓。

圖1 事故機組故障錄波

整個過程中一次熔斷器的電流和溫度是決定熔絲壽命的關鍵，勵磁電壓突變量和機端零序電壓增大是機組反應的顯著特征，因此一次熔斷器狀態、勵磁電壓和機端零序電壓是熔斷器慢熔時PT斷線檢測的重要信息，檢測原理如圖2所示。

圖2 改進后判據的檢測原理

2 一次熔斷器慢熔檢測判據

2.1 一次熔斷器電流

發電機機端PT一次熔斷器的安秒特性決定著其對高壓電氣設備的保護能力[7]。在機組運行時環境溫度對熔斷器最小熔斷電流的影響被忽略，流過熔體的電流為判斷熔斷器狀態的唯一參量。熔斷電流與熔斷時間的關系見表1，其中Ie為熔斷器額定電流[8]。

表1 熔斷電流與熔斷時間的關系

在熔斷器電流超過閾值且未發生慢熔時，運行人員可以在1 h內完成在線更換熔斷器的作業程序。因此，將1.6Ie設定為熔斷器電流的預警值較為合適。

當電流I≥1.6Ie時，一次熔斷器電流啟動元件置1并保持；當電流I<1.6Ie時，一次熔斷器電流啟動元件置0。

2.2 機端零序電壓

在熔斷器斷口燃弧過程中，因斷口電容值變化和雜散電感的影響[9]，慢熔所在相二次電壓波形出現畸變。雖然發電機內部故障和PT完全斷線均可導致機端PT開口三角出現零序電壓[10-11]，但只有因熔斷器慢熔所引起的零序電壓基波及其二次諧波電壓含有率會顯著增大。因此，可以將發電機零序電壓基波分量和零序電壓二次諧波電壓含有率作為啟動元件的邏輯判別條件。本文以熔斷器慢熔時機組故障錄波的實測數據作為研究同時刻機端零序電壓變化量的依據，事故機組的機端PT開口三角零序電壓各諧波分量含有率如表2所示。

表2 機端PT開口三角電壓諧波分量

由表2可知，3次事故中機端PT開口三角均出現零序電壓且含有較高的諧波分量。鑒于零序電壓基波分量及其二次諧波電壓含有率在事故前后故障特征明顯且便于量化分析[12]，可取零序電壓基波分量及其二次諧波電壓含有率作為故障判別的特征量。考慮到機組正常運行時三相電壓不平衡的因素，機端PT開口三角的零序電壓值（UL）可根據實測而定，在無實測值時，DL/T 684-2012建議可取1.5～3 V[14]。由表2同時也可發現，熔斷器慢熔時零序電壓的二次諧波電壓（U2）含有率均遠大于GB/T 14549-1993中所規定的2%[13]。考慮到對故障特征量判別的準確性，將零序電壓二次諧波電壓含有率的啟動值設定為20%。

2.3 勵磁電壓

勵磁調節器在熔斷器慢熔時因機端電壓暫時缺失而迅速增磁并切換電壓采集通道，在此過程中勵磁電壓存在數值突變。通過手動斷開勵磁調節器當前電壓采集通道的二次側單相電壓來模擬熔斷器慢熔時勵磁調節裝置的自動調節情況，機端電壓和勵磁電壓波形見圖3。

圖3 機端電壓和勵磁電壓波形示意

勵磁電壓突變量啟動繼電器動作判據：

式中： Ufd（t）為當前采樣點；為當前采樣點0.5個周期前的采樣點；Ufd（t-3T）為當前采樣點3個周期前的采樣點。

由圖3可知，勵磁電壓上升和下降階段共計3個周期，因此，可認為當前采樣點3個周期前的采樣點是勵磁電壓突變前的正常勵磁電壓狀態值。

設1個工頻周期有24個采樣點，當前采樣點和往前12個點數值差的絕對值可認定為勵磁電壓突變量啟動值。若檢測到某一采樣點對應的突變量啟動值大于當前采樣點3個周期前的勵磁電壓數值，則認為勵磁電壓存在突變，啟動元件動作。

3 判據的實現

在熔斷器慢熔初期，當流過熔斷器的電流達到1.6Ie時，8098處理器輸出高電平，并通過放大器電路啟動出口繼電器向發變組保護裝置開入熔斷器電流超量程信號，如圖2所示。若AVR（勵磁調節器）在此后某一時刻檢測到勵磁電壓存在突變，則向發變組保護裝置開入勵磁電壓異常信號并保持1 h。發變組保護裝置對機端PT開口三角零序電壓進行采樣，并通過傅氏算法對零序電壓進行二次諧波電壓分析[15]，當零序電壓基波分量及其二次諧波電壓含有率均超過定值時啟動元件置1。以上條件均滿足時保護動作并出口PT斷線信號。

在任意一相熔斷器徹底熔斷或者電壓二次回路完全開路時，2組PT相間電壓向量差的模值大于5 V，正序電壓差值大于 3 V[5]，滿足判別條件，保護動作并出口PT斷線信號。改進后的PT斷線判據邏輯如圖4所示。

圖4 PT斷線新判據邏輯

4 對改進后判據的分析

（1）熔斷器慢熔時能可靠動作并出口信號。在慢熔初期熔斷電流滿足啟動元件的前提下，勵磁調節器檢測到勵磁電壓突變量后向發變組保護裝置開入信號并保持。在此期間，機端PT開口三角一旦檢測到機端PT開口三角零序電壓基波分量及其二次諧波電壓含有率超標，則保護裝置動作并出口PT斷線信號。

（2）電壓回路完全斷線時能可靠動作并出口信號。當發電機第二組PT一次側或者二次側A相完全斷線時，2組PT利用電壓平衡式原理所產生的二次電壓矢量比較如圖5所示。

圖5 機端電壓矢量圖

由圖5可知，當2PT的A相發生斷線時Ua=0 V， Uab=-Ub，， Ux=57.74 V。 可見該判據滿足PT一、二次側斷線檢測的要求。

（3）機組正常增減磁時能可靠不動作。在正常自動增減磁時，勵磁電壓的每個采樣周期中勵磁電壓變化值約為2.81 V。在勵磁電壓突變時，每個采樣周期勵磁電壓變化值約為884.62 V。由此可見，勵磁調節器可以正確區分勵磁突變量和正常增減磁，避免保護誤動。

（4）能區分系統故障和PT斷線情況。當發電機機端發生單相接地或相間短路時，機端2組正常的PT所感受的二次電壓完全相同。針對常規PT斷線的判據，其所對應的線電壓和正序電壓幅值變化相同，兩參量之差為零，不會誤發PT斷線信號；針對熔斷器慢熔檢測的判據，其熔斷器電流在機組故障時不會達到預警值，因此也不會誤發PT斷線信號。可見該判據可以正確區分系統故障和PT斷線情況。

5 結語

本文對基于電壓平衡式原理的PT斷線判據提出了一系列的改進措施，分析了發電機PT斷線前期熔斷器慢熔時勵磁電壓和機端電壓的特點，提出了基于熔斷器電流、勵磁電壓突變量、零序電壓基波分量及其二次諧波電壓含有率為故障特征量檢測的PT斷線新判據，該判據在原有判據的基礎上解決了機端PT一次熔斷器慢熔無法被即時檢測的缺陷。