發電機機端20 kV電壓互感器故障處理及原因分析

焦東圍，韓尊占，楊 烽，熊 舟

（中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443000）

1 引言

隨著社會的高速發展，人類用電需求不斷增大，電力設備安全可靠性要求不斷提升，電壓互感器在電力系統中起著關鍵的作用，是電力系統中保護、計量用重要設備。電壓互感器在長時間的運行中會出現各種原因導致的互感器故障，故障后的現場檢修時間長、工作量大，嚴重影響電力系統供電的可靠性，為了能夠縮短檢修時間或避免設備故障，熟悉了解電壓互感器設備故障原因對設備檢查和分析起到關鍵作用。

2 電壓互感器故障原因

2.1 過電壓對電壓互感器的影響

（1）由于電力系統諧振,電壓互感器上承受的過電壓和過電流雖然幅值較小,但是時間較長,大量電能作用在電壓互感器上并轉化為熱能,使其長期發熱。當熱量積累到一定程度時,會擊穿電壓互感器絕緣。

（2）由于大氣雷電和開關合閘、分閘操作等因素的影響,變電站內的電氣設備不可避免的受到雷電過電壓、操作過電壓的作用和沖擊，電磁式電壓互感器的鐵心處在一個強磁場環境下,勵磁特性和鐵損特性在短時間內達到飽和,二次側電流、電壓發生畸變，可造成電壓互感器故障。

2.2 鐵心故障對電壓互感器的影響

（1）鐵心疊片片間絕緣損壞

鐵心片間絕緣不良或使用環境條件惡劣損壞促使鐵心發熱，片間絕緣情況不斷惡化，最終造成繞組絕緣擊穿或PT開裂。

（2）鐵心與接地連片接觸不良

鐵心與接地連片接觸不良或接地連片螺栓松動，會造成設備運行時發熱，嚴重情況下放電造成設備損壞。

2.3 設備生產工藝對電壓互感器的影響

（1）繞組斷線

一次繞組高壓引線焊接工藝不過關，機械強度不夠或引出線不合格，造成繞組引線斷線。

（2）繞組匝間短路

絕緣內部存在氣隙、繞組漆包線有尖角、毛刺或漆孔數量較多、匝間漆孔位置相對較近，運行過程中局部放電，絕緣損壞造成匝間短路。

2.4 環境對電壓互感器的影響

（1）溫濕度及污穢對互感器的影響

設備長期運行在溫濕度或污穢等級較高的環境下，造成設備絕緣性能下降，嚴重時造成設備損壞。

（2）振動對互感器的影響

設備振動，易造成緊固件松動或機械強度較弱部位斷裂，導致設備損壞。

3 電壓互感器故障案例

3.1 事件概況

（1）故障發生當日00:09 監控系統報：“機組：A套發電機保護定子接地保護動作”、“機組：B套發電機保護定子接地保護動作”、“機組：A套發電機保護停機總出口動作”、“機組：B套發電機保護停機總出口動作”、“機組：電氣事故停機”、“機組出口斷路器三相跳閘”等信號，檢查機組電氣事故停機MARK_1動作，機組解列停機，緊急停機流程啟動。

（2）現場檢查，機組發電機保護裝置有“A、B套定子接地保護動作、電氣事故出口停機”信號，機組全停。

（3）現場檢查機組B 電壓互感器4PT表面有裂紋、有內部物質溢出。

（4）PT備件預試，更換故障PT。

表1 故障電壓互感器技術參數

3.2 保護及錄波情況

（1）保護裝置動作情況

現場查看保護裝置，A、B兩套零序電壓定子接地保護均動作。A、B兩套發電機保護裝置測量接地電阻值均在1.83 kΩ左右，注入式定子接地保護均發告警信號且現場告警無法復歸（注入式定子接地保護告警定值為5 kΩ，延時5 s。跳閘定值為0.5 kΩ，延時0.5 s）。

（2）錄波情況

查看錄波，故障時機端三相電流相序和幅值未明顯異常。機端開口三角有零序電壓且不斷增大，零序電壓達到10 V，經0.5 s發電機A、B套保護動作出口（基波零序電壓定子接地保護定值為10 V，延時0.5 s）。中性點有零序電壓且與機端開口三角基本一致。機端A相電壓60 V左右，機端B相電壓降至51 V左右，C相電壓降至53 V左右。錄波波形見圖1。

圖1 XX號機組B故障錄波波形

3.3 故障電壓互感器現場檢查情況

現場檢查發現機組勵磁變壓器內B相4PT表面有裂紋并流出黑色膠狀物質，現場測量故障PT一次繞組對地絕緣為0，一次繞組對二次繞組絕緣合格（大于550 MΩ），二次繞組對地絕緣合格（大于550 MΩ）。

圖2 故障PT現場圖

4 故障原因分析

4.1 保護及錄波分析

兩套發電機保護裝置采樣及動作行為一致，機端PT自產零序、機端開口三角零序、中性點零序電壓均基本一致，故障期間機端電壓無異常波動，無倒閘操作。

結論：判定為一次側存在接地故障，排除諧振或操作過電壓為事故因素。

4.2 互感器解體分析

對PT部分解剖后發現一次繞組的外層部分（約10層）絕緣狀態良好，中層及部分底層一次繞組燒蝕明顯。鐵心明顯過熱，外包絕緣層碳化，PT一次繞組對鐵心有明顯的放電痕跡。PT解剖如圖3所示。

圖3 故障PT底座及鐵心解剖圖

結論：一次繞組匝間短路，導致絕緣擊穿，繞組對鐵心放電。

4.3 總結分析

發電機出口PT采用的是固體環氧絕緣，是由環氧樹脂、填料、顏料及固化劑按一定比例混合后真空澆筑固化成型，如果絕緣內部存在氣隙等就會造成局部場強過高發生局部放電；另外繞組在繞制過程中如形成尖角、毛刺，也會使局部電場增強而發生局部放電，局放不會馬上導致絕緣擊穿，但有累積效應，會逐步降低PT繞組絕緣材料性能，最終導致匝間絕緣的擊穿。

結論：產品在線圈繞制及澆筑過程中存在局部缺陷以及繞組漆包線質量本身存在局部缺陷導致PT局放，造成匝間短路，因累積效應，最終絕緣擊穿，發電機保護動作。

5 防范措施

（1）同類型PT紅外測溫及局放測量

為排查其他同類型電壓互感器運行溫度是否正常，維護人員組織對發電機機端20 kV電壓互感器開展測溫工作（表2）。

表2 測溫統計表單位：℃

綜合分析測溫數據，同一機組三相電壓互感器運行溫度基本一致，無明顯差異；發電機機端20 kV電壓互感器運行中本體溫度正常，未發現溫度異常點，本體溫度均比環境溫度略高，溫度最高值比環溫高約4.2 ℃。

對設備運行期間打開柜門檢測風險較大的勵磁變處PT，采用紅外成像儀測溫，溫度最高值比環溫高約8 ℃，未發現溫度異常點。

為排查其他同類型電壓互感器局部放電量是否正常，同時對發電機機端20 kV電壓互感器開展局放測量工作，測量發現無明顯異常局部放電信號。

（2）檢修期間對同類型PT本體進行全面檢查，確認是否存在異常現象。

（3）清理PT備品備件，對消耗的備件及時采購補充，對帳齡較長的PT備件進行更新，確保庫存備件狀態良好可用。

（4）調研業內電磁式PT絕緣材料及制造工藝，研究采用全絕緣PT替代分級絕緣PT的可行性。

（5）研究PT局部放電在線監測的可行性。

（6）研究PT紅外在線測溫的可行性。

6 結語

電壓互感器是電力系統中保護、計量用重要的電力設備，互感器故障嚴重影響電力設備的安全可靠運行。本文闡述了導致電壓互感器故障的多種原因及類型，同時結合電壓互感器故障實際案例深入分析事件原因、處理過程，以及針對此類故障現象提出防范措施，有效提高了電壓互感器故障處理效率及電力設備的安全可靠性。