700 MW水輪發電機中性點CT故障原因分析及其改進方法

何 強，楊 烽，鐘健青，饒 蕾

(中國長江電力股份有限公司三峽水力發電廠，湖北 宜昌 443133)

某電站地下廠房裝有2臺由東方電機廠生產制造單機容量為700 MW的水輪發電機，發電機編號為27F、28F。發電機定子繞組為三相雙層波形繞組，定子繞組設計為每相5支路并聯。發電機定子繞組中性點由二分支中性點和三分支中性點并聯而成，設計有電流互感器，簡稱中性點二分支CT和中性點三分支CT[1]，分支銅排穿過中性點CT后經接地變壓器的高電阻接地方式接地。

1 概 述

1.1 故障現象

該電站27F帶負荷運行時，發電機差動保護報警，報警信息如下：①裂相差動TA斷線；②不完全差動1TA斷線；③不完全差動1差流報警。

1.2 故障檢查分析

27F發電機停機后，對27F發電機中性點CT進行現場檢查和試驗，三分支B相CT的2S1-2S2繞組變比和勵磁特性不滿足規程要求，具體檢查和試驗情況如下：

1)保護裝置采樣精度正常，電纜絕緣正常；

2)三分支B相CT的2S1-2S2繞組變比誤差為30%，超出標準規定，其勵磁特性也不滿足標準規定。三分支B相CT的1S1-1S2繞組因測量過程中繞組阻值變化較大，輸出不穩定，故變比和勵磁特性試驗項目不能完成。

3)同時對二分支B相CT的兩個二次繞組也進行了變比及勵磁特性試驗，數據均滿足規程要求。

綜合分析，初步判斷該發電機中性點三分支B相CT的2S1-2S2繞組存在匝間短路故障。

2 CT解體檢查

2.1 CT結構

CT主要由鐵心、環氧樹脂材料、屏蔽繞組和工作繞組組成，屏蔽繞組在二次繞組內側，如圖1所示。

在機組正常運行時，每一相的CT都受到其他鄰近相的電流產生的磁場的影響，故每個CT的鐵心上都正交布置兩對屏蔽繞組，用來屏蔽各相電流的磁場影響[2]。

圖1 CT結構示意圖

2.2 CT解體前試驗

2.2.1 直阻測量試驗

對CT的兩個繞組進行直阻測量，兩個繞組直阻測量無異常，測量數據如表1所示。

表1 CT直阻測量數據表

2.2.2 準確度試驗

對CT兩個繞組進行準確度試驗，試驗數據如表2所示。

表2 繞組準確度試驗數據表

繞組1S1-1S2試驗數據合格，繞組2S1-2S2試驗時超出儀器測量范圍，無法測出數據，試驗數據不合格。

2.2.3 匝間過電壓試驗

對CT兩個繞組進行匝間過電壓試驗，試驗數據如表3所示。

表3 繞組匝間過電壓試驗數據表

繞組1S1-1S2試驗數據合格，繞組2S1-2S2試驗數據不合格。

2.2.4 勵磁特性試驗

1)1S1-1S2繞組勵磁特性試驗。1S1-1S2繞組勵磁特性試驗數據如表4所示，勵磁特性曲線如圖2所示，試驗合格。

表4 1S1-1S2繞組勵磁特性試驗數據表

圖2 1S1-1S2繞組勵磁特性曲線圖

2)2S1-2S2繞組勵磁特性試驗。2S1-2S2繞組在施加勵磁電流0.1 A時電壓值為2 000 V左右，試驗數據不合格。

通過試驗判斷2S1-2S2繞組匝間短路。

2.3 CT解體

2.3.1 CT 2S1-2S2繞組解體

1)最外層絕緣材料良好，匝間絕緣材料和漆包線外觀均良好，如圖3所示。

圖3 2S1-2S2繞組解體圖

2)里層絕緣材料老化現象明顯，越往里層，老化現象越嚴重，如圖4所示。

圖4 不同程度的老化圖

3)鐵心外部絕緣材料出現碳化，漆包線出現漆皮掉落現象，如圖5所示。

圖5 鐵心碳化圖

2.3.2 CT 1S1-1S2繞組解體

為了對比，對試驗合格的1S1-1S2繞組作解體。

1)外面幾層絕緣材料和二次繞組外觀良好，如圖6所示。

2)越靠近鐵心層間絕緣老化越嚴重，鐵心外絕緣材料碳化，如圖7所示。

圖6 1S1-1S2繞組外觀良好圖

圖7 1S1-1S2絕緣老化及鐵心碳化圖

經解剖兩個繞組，發現現象相似：外觀良好，外面幾層繞組絕緣完好，越靠近鐵心，絕緣材料老化越嚴重，只是2S1-2S2繞組的屏蔽繞組漆包線部分漆皮老化嚴重，有脫落現象，而1S1-1S2繞組無漆包線漆皮脫落現象。

3 CT故障原因

造成CT匝間短路的原因主要包括[3-4]：

1)相間CT間距過??；

2)外部運行環境過高；

3)CT通風散熱能力不足；

4)CT本身制造工藝問題。

該發電機中性點CT匝間短路原因主要為相間距不滿足要求。CT設計的邊界條件為一次導體相間距≥1 300 mm，一次返回導體與CT距離≥500 mm，從該發電機中性點CT現場安裝位置來看，不滿足一次導體相間距≥1 300 mm要求。

若CT現場安裝距離小于設計邊界值，則鄰相產生的雜散磁場強度會超過CT屏蔽繞組的承受能力，尤其是B相CT，A、C兩相產生的磁場在B相疊加，可用1.732倍來粗略分析[5]，加上B相本身的感應，使B相CT產生磁飽和，形成較強的磁滯損耗[6]，導致屏蔽繞組超負荷工作，屏蔽繞組溫升升高。若屏蔽繞組長期處于高溫狀態下工作，會逐漸導致CT匝間絕緣損壞，造成匝間短路，縮短CT使用壽命。

4 改進方法

為滿足當前的CT工況要求為前提，保持原有CT安裝方式不變，采用增強型CT，通過增加屏蔽繞組的導線截面，降低電流密度，提高CT本身屏蔽能力，將屏蔽繞組繞制方式由內側調整至二次繞組外側，增強了繞組散熱能力，降低屏蔽繞組的溫升，從而降低CT的溫升，以確保機組的安全運行。增強型CT結構如圖8所示。

圖8 增強型CT結構圖

將該機組發電機中性點CT全部更換為增強型CT，定期對該機組中性點CT進行溫度監測，監測趨勢圖如圖9所示，中性點CT運行情況良好。

5 結 語

發電機中性點CT在設計時對安裝條件有了明確要求，然而發電機中性點CT在安裝時未按邊界條件執行，使CT的運行性能受到影響，造成CT發生匝間短路故障。在保持原有CT安裝方式不變的前提下，本文介紹了一種增強型CT，將屏蔽繞組繞制方式由內側調整至二次繞組外側，不僅降低了CT的溫升，也便于人員對CT進行溫度監測，確保機組安全穩定運行。

圖9 中性點CT溫度監測趨勢圖