發電機機端PT高壓側熔斷器“慢熔”現象的判斷與對策

崔志堅 趙 躍 張 亮 宋 明 胡琪龍

發電機機端PT高壓側熔斷器“慢熔”現象的判斷與對策

崔志堅 趙 躍 張 亮 宋 明 胡琪龍

（國家能源集團安徽安慶皖江發電有限責任公司，安徽 安慶 246008）

本文從某廠發生的發電機機端PT高壓側熔斷器“慢熔”現象入手，詳細分析了產生“慢熔”現象的原因以及“慢熔”對勵磁系統、發電機保護和測量系統的影響，提出了高壓側熔斷器“慢熔”現象的判斷方法，并給出解決機端PT高壓熔斷器“慢熔”的三種方法。

高壓熔斷器；慢熔；電暈腐蝕；自動電壓調節器；發電機保護；測量系統

0 引言

2018年1月11日，某電廠兩臺1 000MW機組正常運行中，兩臺機組有功負荷均為870MW，無功為249Mvar，勵磁調節器運行在1通道自動模式。上午10:00，3號機組自動電壓調節器（automatic voltage regulator, AVR）發出調節閉鎖信號、勵磁調節器發出增磁閉鎖信號、機組故障錄波器及發變組智能變送器均發出報警。檢查發現：勵磁電壓由374V躍變至457V，勵磁電流由5 121A直接躍至5 978A（該電流為趨勢內查到，精度低，可能實際值已大于6 000A）。發電機機端電壓由27.8kV躍變至28.66kV，發電機無功由249Mvar躍變至404Mvar。1通道PT二次相電壓C由58V下降至56V。線電壓AC、BC由103V降至99.5V。隨后機端電壓與無功功率緩慢恢復至正常值。

打開PT柜門檢查機端PT柜內設備，發現C相第一組PT高壓側熔斷器中間發紅。使用紅外成像儀測試，該熔斷器中間發紅處溫度明顯較高，約60℃左右，當時正常相熔斷器溫度約是40℃。

這種PT高壓側熔斷器“慢熔”現象，在一段時間內，該廠的兩臺百萬機組均有相同情況發生。該廠發生的熔斷器“慢熔”時，熔斷器中間部位均有發紅現象，且發紅處溫度比正常相高20℃左右。

1 機端電壓變換系統構成及熔斷器的特性

1.1 發電機機端PT柜

發電機機端PT共三組九只，每相三只，安裝在機端PT柜內。PT二次電壓分別提供給繼電保護、AVR、測量和計量等使用。發電機機端PT安裝在PT小車上并隨小車固定在PT柜內。機端PT將發電機出口一次電壓轉換成二次電壓，以實現繼電保護、AVR調節、測量和計量等功能。高壓熔斷器安裝在PT高電位側與隔離刀支架之間，隨著PT小車推進PT倉，隔離刀即插入母線座插口，完成與母線的連接。

1.2 高壓熔斷器的作用、結構及性能參數

PT高壓熔斷器的作用主要是保護PT，在PT內部有短路或接地時，熔斷器的熔件熔斷，從而減少對發電機運行的影響。為了防止PT低壓側回路短路或接地對PT的影響，一般在PT低壓側輸出回路裝設微型斷路器，在二次回路發生短路或接地時切斷故障的回路以保護PT。

RN4系列戶內高壓限流熔斷器由底座和熔管兩部分組成。熔管由瓷質或玻璃絲環氧材質外殼和二端導電銅帽組成，熔管內裝有纏著熔體的瓷柱（部分沒有），熔管內腔空間填充石英砂，石英砂起散熱、去游離和滅弧作用。

限流熔斷器是指在規定電流范圍內動作時，以它本身所具備的功能將電流限制到低于預期電流峰值的一種熔斷器。預期電流是指熔斷器用阻抗可以忽略的導體代替時回路中流過的電流，而預期峰值電流是指瞬態過程起始后，緊接出現的預期電流第一個大半波的峰值[1]。

熔斷器的保護作用是靠熔件自體的熔斷來實現的，熔斷器有一個非常重要的技術特性就是安秒特性。熔件的安秒特性是其動作電流與動作時間之間的關系特性，為反時延特性，即過載電流小時熔斷時間長，過載電流大時熔斷時間短。

2 PT高壓側熔斷器故障處理

當判斷機端C相第一組PT高壓側熔斷器異常時，技術人員做好安全措施和風險預控，退出自動發電控制（automatic generation control, AGC）、一次調頻，將協調控制系統（coordination control system, CCS）切至TF方式運行，強制受影響的發電機功率點，退出下列相關保護功能壓板：①發電機匝間保護；②注入式定子接地保護（A屏）；③95%定子接地保護；④100%定子接地保護。

作業人員依據電氣操作票和電氣第一種工作票的內容和步驟開展C相第一組PT高壓側熔斷器的更換工作。用同批次熔斷器備品更換后，測量PT二次電壓已恢復正常，及時恢復所有安全措施。

拆下的高壓熔斷器的柱體外殼為玻璃絲環氧材質，經測量，熔斷器已開路。半年后該熔斷器又發生類似情況。且該廠兩臺百萬機組PT高壓側熔斷器均發生類似情況。

3 PT高壓側熔斷器“慢熔”的影響分析

該廠#3、#4兩臺百萬機組在一段時間內多次發生機端PT高壓側熔斷器異常而導致發電機機端二次電壓異常的現象，對發電機勵磁系統、發電機保護系統、機組測量和計量系統等均造成了一定的影響。

3.1 高壓側熔斷器“慢熔”對勵磁AVR系統的影響

該廠兩臺百萬機組均使用ABB UN6800 勵磁系統，該系統雖接入兩組PT的電壓，但在邏輯功能里只考慮PT斷線的影響，沒有考慮PT高壓側熔斷器慢熔過程中所造成的影響。因此當發電機AVR運行通道的PT熔斷器緩慢熔斷時，勵磁系統無法檢測到這種異常情況。在這種情況下，隨著PT熔斷器熔件的慢熔，將造成發電機機端二次電壓的緩慢下降，而勵磁系統則誤判為機端電壓下降，為了維持機端電壓的恒定，AVR持續增磁，導致運行通道V/Hz或者OEL動作甚至因為勵磁電流過電流造成跳機。

3.2 高壓側熔斷器“慢熔”對發電機保護系統的影響

發電機機端PT高壓側熔斷器的緩慢熔斷，不同于PT斷線，部分保護裝置無法判斷，可能造成由這些電壓構成的保護，如定子接地、匝間保護和發電機后備保護等誤動而導致機組跳閘，存在安全隱患。

根據該廠百萬機組發電機機端二次電壓接線及電壓應用情況，當發生機端PT高壓側熔斷器異常時會有以下異常的現象。

1）TV01（A、B、C）各高壓側熔絲異常時現象

（1）發電機保護A柜發：PT斷線。

（2）UN6800勵磁調節器柜發報警。

（3）發電機0顯示異常。

（4）安穩控制裝置A柜發：PT斷線。

（5）發變組故障錄波器啟動報警顯示該相欠電壓。

（6）ECMS上發PT一次側斷線閉鎖三次諧波。

（7）EMCS上發電機A柜報警：PT斷線。

（8）DCS上發電機保護A柜裝置報警。

（9）DCS上發勵磁調節器總報警發出。

2）TV02（A、B、C）各高壓側熔絲異常時現象

（1）發電機保護B柜發：PT斷線。

（2）UN6800勵磁調節器柜發報警。

（3）智能變送器切換，報警燈亮。

（4）安穩控制裝置B柜發：PT斷線。

（5）發變組故障錄波器啟動報警顯示該相欠電壓。

（6）ECMS上發PT一次側斷線閉鎖三次諧波。

（7）EMCS上發電機B柜報警：PT斷線。

（8）DCS上發電機保護B柜裝置報警。

（9）同期裝置若帶電，待并側電壓消失。

3）TV03（A、B、C）各高壓側熔絲異常時現象

（1）發電機保護A、B柜發：PT斷線。

（2）計量回路不準確報警。

（3）智能變送器切換，報警燈亮。

（4）PMU、測控柜、功角監測儀發報警。

（5）發變組故障錄波器啟動報警。

（6）EMCS上發電機A、B柜報警：PT斷線。

（7）DCS上發電機保護A、B柜裝置報警。

（8）同期裝置若帶電，待并側電壓消失。

（9）DCS上發電機功率點4顯示異常。

3.3 高壓側熔斷器“慢熔”對測量和計量系統的影響

根據測量系統的二次接線圖及實際情況，各組電壓異常時的影響如下：

1）TV01高壓側熔絲異常將影響下列量值

（1）智能變送器BPT3送DEH發電機有功功率第3點量值和送MCS有功功率第2點量值。

（2）智能變送器BPT1第二組輸入電壓量值。

2）TV02高壓側熔絲異常將影響下列量值

（1）智能變送器BPT2送DEH發電機有功功率第2點量值和送MCS有功功率第1點的量值。

（2）智能變送器BPT3第二組輸入電壓量值。

3）TV03高壓側熔絲異常將影響下列量值

（1）DCS中的發電機電壓顯示值。

（2）發電機有功功率大屏顯示值。

（3）送MCS發電機有功功率第3點量值和無功功率量值。

（4）勵磁變有功功率量值。

（5）送DEH發電機有功功率第1點量值。

（6）發電機電能表計量。

（7）智能變送器BPT2第二組輸入電壓值。

其中，MCS的3個功率點量值將影響去省調的功率和鍋爐的燃燒穩定性；DEH的3個功率點量值將影響機組的功率調節，進而影響機組的穩定運行，甚至跳閘。TV3的高壓熔斷絲異常會導致機組發電量的計量比實際發電量少。

4 高壓熔斷器“慢熔”的原因分析

通過對本例故障熔斷器的解體分析，發現其整體做工粗糙，外殼是玻璃絲環氧材質，且壁厚較薄，整體機械強度不足，導致其熔件額外受力。玻璃絲環氧外殼的熔斷器外殼較薄，其抗振動和抗電暈的能力明顯不足。它們的共同作用導致熔件的裂化、慢熔甚至熔斷。

4.1 高壓側熔斷器存在質量問題

故障熔斷器型號為RN4—27.5kV/0.5A，從解體來看，原熔斷器質量較輕，工藝粗糙，瑕疵比較明顯。熔斷器外殼是玻璃絲環氧材質，皮薄質輕，機械強度不高，可導致熔斷器內熔件另外受力。機端PT安裝處的平臺位于發電機的下面，熔斷器長期處在振動的環境下，由于熔斷器玻璃絲環氧外殼較薄，抗振動能力差，導致熔件長期振動并與石英砂摩擦而裂化。解體熔斷器可發現熔件部分位于其中間位置，約3cm長（即異常時可裸眼看到的發紅處）。熔件兩側壓接導電金屬絲，兩側導電金屬絲再通過彈簧狀結構與熔斷器兩金屬帽相連接。熔體內腔填充石英砂，砂有雜質不純。拆開熔斷器時發現熔件部分已熔斷，分析是因抽出PT時產生電弧電流沖擊而熔斷。用數字萬用表測量同種高壓熔斷器備品的直流電阻，正常時在常溫下的直流電阻是18W。用同一批熔斷器備品換上，運行半年左右又發生同樣的故障。該廠兩臺百萬機組均有相同的情況發生，由此證實此批高壓熔斷器存在質量問題。

4.2 電暈腐蝕造成熔件部分性能裂化

GB 15166.2—2008《交流高壓熔斷器限流式熔斷器》指出：保護電壓互感器用熔斷器的熔體對電暈作用敏感，電暈放電作用使熔體在幾個月或幾年內腐蝕，最終導致熔斷器動作[2]。

該廠1 000MW機組出口電壓是27kV，PT高壓熔斷器處在高電位處，分析為熔件處有電暈現象發生。電暈的發生將對熔件產生腐蝕，使熔斷器的熔件部分產生裂化并使其電阻增加，從而導致熔件電阻的分壓增加，致使熔斷器的熔件發熱、發紅（裸眼可見）。正是由于熔件部分分壓增大，才造成PT二次輸出電壓下降，如果持續未能發現，達到一定的時間將會熔斷。該廠發生的幾起機端PT高壓側熔斷器故障現象與GB 15166.2—2008《交流高壓熔斷器限流式熔斷器》中相關描述相符合。

5 高壓側熔斷器“慢熔”的判斷方法

目前1 000MW機組的勵磁系統和繼電保護系統一般均接入兩組機端二次電壓，主要是用于判斷PT斷線，沒有考慮PT高壓側熔斷器“慢熔”所造成的影響。

5.1 AVR系統增加機端二次電壓異常判據并修改邏輯

AVR系統通過增加機端二次電壓異常判據并修改邏輯達到判斷機端高壓側熔斷器“慢熔”的目的。勵磁系統中雙通道PT斷線的判斷方法：比較g1和g2，得到差值Dg。正常運行時Dg很小，一般只是制造精度差異造成的誤差。當接入勵磁系統的PT1或PT2出現斷線時，Dg一定大于整定值，這時AVR發出報警并切換通道。正常時通道1運行，通道2備用，此時若發生PT1斷線，首先進行通道切換，切至通道2運行，通道1變為備用；接著AVR1模式切換為FCR1模式，AVR2繼續運行。若發生PT2斷線，AVR1繼續運行，AVR2模式切換為FCR2模式。

根據機端PT高壓側熔斷器“慢熔”所造成的二次相電壓實際下降大約在2V左右。為有效判斷熔斷器慢熔，可增設監測不同PT相同相電壓差異的方法來判斷“慢熔”的發生，相電壓差異值可定為2～3V或在正常時實際差異值上加3V。當測量裝置檢測到的差異值達到定值時，根據優化的邏輯判斷為PT熔絲慢熔，AVR不增加勵磁，裝置發出PT熔斷器慢熔報警信號。

5.2 增加具有PT高壓側熔斷器“慢熔”檢測功能的裝置

根據PT高壓側熔斷器“慢熔”所造成的二次電壓異常的現象分析，設計出一種新型發電機機端電壓監測裝置，這種裝置可接入三組PT的開口電壓（301、302、303）。任意一組開口電壓超過定值時發出機端電壓異常報警，若未全部超過定值，則發出相應組別PT高壓側熔絲“慢熔”報警。當任一開口三角電壓超過15V時，發出相應組別PT高壓側熔斷器熔斷或PT二次回路斷線報警。

6 解決機端PT高壓側熔斷器“慢熔”的對策

機端PT高壓側熔斷器“慢熔”對機組勵磁系統、繼電保護、測量和計量以及機組安全運行均造成嚴重影響，為此必須有效地解決。目前解決的主要途徑有下列幾種方式或其組合。

6.1 選用優質的高壓熔斷器

選擇優質的高壓熔斷器是首要的。該廠利用兩臺百萬機組調停的機會對原18只機端PT高壓熔斷器進行了更換。新換的熔斷器名稱是高分斷力高壓限流熔斷器，型號RN4—27.5kV/0.5A—50kA，常溫直流電阻30W。新熔斷器更換后已運行兩年時間，沒有再發生熔斷器慢熔現象。

如果選用優質的熔斷器仍存在慢熔現象，則可以通過提高熔斷器的額定電流來解決慢熔故障。因為熔斷器的作用是過負荷保護，而熔斷器的實際熔斷電流分散性較大，用其反時限特性作為過電流保護是不適合的。此處熔斷器存在的真正價值就是短路保護作用，強調的是短路分斷能力，而不是額定電流，故可將熔斷器的額定電流由0.5A提高至1A，這是安全可行的方法。

6.2 在AVR勵磁系統中增加“慢熔”判別

該廠兩臺百萬機組的勵磁系統是ABB UN6800勵磁系統，該勵磁系統沒有考慮機端高壓熔絲慢熔所造成的影響。熔絲慢熔事件發生后，廠家人員到現場對ABB UN6800系統及邏輯進行了優化，增加PT高壓側熔斷器慢熔判斷邏輯，具體情況如圖1所示，AVR中PT高壓側熔斷器慢熔判斷邏輯。

圖1中，IO.Out.PS_UgRelFromOtherCH為另一通道的機端電壓采樣；IO.SystemMeasurement.In. UgRel為當前通道的機端電壓采樣；Par_Factor_PT_ SlowMelting為PT慢熔判定值（默認設定3%）；IO.Converter.In.USynRel為勵磁系統同步電壓（勵磁變低壓側電壓）；Par.Out.ExcitationIsOn為勵磁系統起勵狀態；Par.In.ExcSysSupplyMode為勵磁系統自并勵模式；Par_TimeDelayForPT_SlowMelting為PT慢熔延時。

圖1 AVR中PT高壓側熔斷器慢熔判斷邏輯

圖1中，PT高壓側熔斷器慢熔有兩個比較：①兩個通道的機端電壓進行比較，若當前通道機端電壓低于另一通道電壓3%以下，在自并勵模式起勵狀態且大于PT高壓側熔斷器慢熔延時，則報出PT高壓側熔斷器慢熔；②當前通道的機端電壓與同步電壓進行比較，若當前通道機端電壓低于同步電壓3%以下，在自并勵模式起勵狀態且大于PT高壓側熔斷器慢熔延時，則報出PT高壓側熔斷器慢熔。

邏輯優化后，當有慢熔發生時，AVR將會準確判斷，不會再有錯誤的增磁動作，確保了機端電壓正確和機組的安全運行。

6.3 增加具有PT高壓側熔斷器“慢熔”監測功能的裝置

發電機機端有TV01、TV02、TV03三組PT，每組PT提供一組開口三角電壓（301、302、303）。新監測裝置可接入三組開口電壓（301、302、303），以實時監測這3個電壓。任意一組開口電壓超過定值時發出機端電壓異常報警，若未全部超過定值，則發出相應組別PT高壓側熔絲慢熔報警。當任一開口三角電壓超過15V時，發出相應組別PT高壓側熔斷器熔斷或PT二次回路斷線報警，詳細動作邏輯如圖2所示。

圖2 監測裝置三組開口電壓動作邏輯

這種監測裝置可以全面判斷發電機機端二次電壓異常的幾種情況，發出不同的報警，給運行人員一個明確的指示。PT高壓側熔斷器慢熔信號還可以提供給繼電保護和勵磁調節器使用，避免“PT高壓側熔斷器慢熔”所造成的誤增磁等現象，提高機組安全運行的穩定性。

7 結論

本文從機端PT高壓側熔斷器發生慢熔故障的現象入手，詳細介紹了當時處理故障的過程。從熔斷器的結構和性能參數入手，分析PT各組二次電壓異常對AVR、繼電保護和測量系統的影響。通過全面分析找到了PT高壓側熔斷器發生慢熔的真正原因。針對慢熔的影響，提出了高壓側熔斷器“慢熔”判斷的有效方法，本文總結出解決機端PT高壓側熔斷器“慢熔”的三種方法。該廠目前同時采用了選用優質高壓熔斷器和在AVR勵磁系統中增加“慢熔”判別的邏輯優化兩種方法，徹底解決了PT高壓側熔斷器“慢熔”的問題。

[1] GB/T 15166.1—2019. 交流高壓熔斷器 第1部分: 術語[S]. 北京: 中國標準出版社, 2019.

[2] GB 15166.2—2008. 交流高壓熔斷器 第2部分: 限流式熔斷器[S]. 北京: 中國標準出版社, 2009.

Judgment and countermeasure of “slow melting” phenomenon of fuse at high voltage side of PT at generator terminal

CUI Zhijian ZHAO Yue ZHANG Liang SONG Ming HU Qilong

(CHN Energy Anhui Anqing Wonjoint Power Co., Ltd, Anqing, Anhui 246008)

Based on the phenomenon of “slow melting” phenomenon of PT high-voltage side fuse in a factory, this paper analyzes the cause of “slow melting” phenomenon and the influence of “slow melting” on excitation system, generator protection and measurement system in detail, puts forward the judgment method of “slow melting” phenomenon of high-voltage side fuse, and sums up three methods to solve “slow melting” of PT high-voltage fuse at the end of the generator.

high voltage fuse; slow melting; corona corrosion; automatic voltage regulator (AVR); generator protection; measurement system

2020-06-30

2020-08-02

崔志堅（1964—），男，高級工程師，首席電氣檢修師，從事電氣相關專業技術與監督工作。