取消發電機電壓互感器一次側熔斷器的研究與實踐

陳鈺林，曹華鋒，莫元雄，趙 兵，趙 強

（廣東省能源集團天生橋一級水電開發有限責任公司水力發電廠，貴州 興義 562400）

0 引言

天生橋一級水電廠（簡稱天一電廠）裝機4×300 MW，自2000年投產以來多次發生發電機電壓互感器（PT）一次熔斷器（保險）熔斷故障，但都是在機組正常運行和開停機過程中產生的，是在最小熔斷電流以下的誤熔斷，事后PT測試正常，換上新保險都能正常運行。天一電廠為發-變-線路單元接線，PT一次保險誤熔情況統計見表1。近年來，國內多個電廠也發生了保險誤熔故障[1-4]，嚴重影響機組的安全運行，己引起了業界較大的關注。

表1 天一電廠PT保險誤熔情況統計

包括天一電廠在內的若干電廠雖然采取了一些防治措施，但并沒有從根本上杜絕故障，天一電廠于2009年將0.5 A的保險更換為1 A，2016～2019年4年間仍發生了5次保險誤熔故障。為此，天一電廠立項開展了故障分析及對策研究，大膽提出：既然運行實踐中，20多次PT一次保險故障都是非正常的誤熔斷，而沒有一次是過流正確熔斷的，何不考慮取消它而用一根硬導線來代替？如果確實可行，那么長期困繞天一電廠的保險誤熔問題就得到徹底解決，是一個很有創新意義和實用價值的研究項目。但這是對傳統觀念和做法的突破，必須進行全面和深入的可行性研究。經過充分的分析論證，我們認為，這項措施是完全可行的，2021年4月已在天一電廠3號機組、4號機組實施，投運至今沒有出現任何與改造相關的問題。

1 PT一次保險誤熔斷分析

1.1 熔斷過程

保險誤熔時流過的是小電流，它有別于短路過流時的快熔，而是慢熔過程。這里以天一電廠2018年1月6日4號機5YH的A相保險熔斷故障的錄波圖為例加以說明，見圖1。保險熔斷可以分為幾個階段：

圖1 A相保險熔斷故障錄波圖

（1）起弧階段：A相保險在以往的長期運行及反復沖擊下，熔絲的某處出現了缺陷，運行中的某個誘因使熔絲在此處裂開了很小的斷口并產生電弧，使A相電壓微降且波形開始畸變。由于錄波圖不易看清，將局部波形加以放大和臨摹，見圖2，其中圖2（a）表示了保險斷裂前后的波形，電壓的正負波峰呈小凹狀。

（2）發展階段：隨著熱量的集聚，斷口電弧的溫度逐漸升高使熔絲熔化，斷口逐漸擴大，A相電壓逐漸下降，波形畸變逐漸發展，見圖2（b）。

（3）穩定階段：斷口逐漸擴大到一定程度后不再發展，而形成了穩定的電弧，A相電壓、波形畸變都趨于穩定，見圖2（c）。因是交流電壓，電弧會出現間歇性燃燒與熄滅。

圖2 4號機5YH-A相保險熔斷過程

（4）退出階段：由于PT開口三角電壓上升較大，接地保護或者斷線閉鎖保護可能動作告警，運行人員將保險退出運行，斷口處介質絕緣恢復。

國內曾報導過多起因PT一次保險慢熔時，斷線閉鎖不動作而產生誤強勵導致跳閘的事故[5-8]。

1.2 保險熔斷的影響因素

1.2.1 保險誤熔斷的諸多因素

文獻[9]分析了保險誤熔的諸多因素，穩態因素有:①PT勵磁電流；②PT負載電流；③PT零序電流；④諧波；⑤電暈效應；⑥熔絲氧化；⑦振動等等。暫態因素有：①PT勵磁涌流沖擊；②變壓器傳遞過電壓沖擊；③單相接地故障以及故障消失后低頻振蕩電流沖擊。盡管保險誤熔的因素多而復雜，但應該分清主次。

1.2.2 開停機時PT勵磁涌流沖擊

當發電機開機建壓時，PT及其保險必將受到勵磁涌流的沖擊。發電機停機滅磁時，PT上的電流迅速被截斷，會產生過電壓沖擊。天一電廠實際運行中機組開停機次數多，據統計，2003～2020年18年間，一臺機年平均開停機次數為373次，各機組近3年的開停機次數見表2，勵磁涌流的頻繁沖擊加速了保險老化疲勞的累積效應。從表1可見，21次保險誤熔故障中，開停機過程為8次，占比約為40%，而開停機時間相對于正常運行時間是微不足道的，說明開停機時PT勵磁涌流沖擊是保險誤熔的主要因素之一。文獻[3]也報導該廠11次保險誤熔故障大多在開停機過程發生。

表2 天一電廠發電機開停機次數統計

1.2.3 變壓器傳遞過電壓沖擊

電廠的高壓主系統產生的事故、操作、暫態、雷電等過電壓，都可通過主變的電磁耦合傳遞到低壓側，使保險受到傳遞過電壓沖擊。天一電廠220 kV系統接線復雜且含交直流變換，主變高壓斷路器并解列操作頻繁，出現各種過電壓的機率較大。主變低壓側的5YH占PT總組數的20%，但保險誤熔次數卻占了近40%。5YH與主變距離最近，首當其沖受到沖擊，1～4YH 4組PT距離5YH大約30 m（電氣距離），對地電容不能忽視，因為封閉母線的對地電容要比架空母線大得多。而有些傳遞過電壓是很陡的沖擊波，通過對地電容衰減很快，傳播到距離較遠的其余PT時己有所減弱，這是5YH一次保險誤熔機率大的主要原因。據此分析，變壓器傳遞過電壓沖擊是保險誤熔的又一主要因素。理論分析和運行實踐表明，與其它接地方式相比，消弧線圈接地的傳遞過電壓較高，因而保險誤熔的機率較大。

1.3 保險熔斷機理的分析

（1）熱老化效應：運行中熔體達到穩定的溫升，當熔體受到暫態過電流沖擊時，溫度隨之上升，而沖擊消失后溫度又回落，使熔體產生了退火效應。停機時，熔體的溫度逐漸下降至室溫，也是一種退火效應（一年數百次），熔體經過反反復復的退火處理，其抗拉強度和延伸率等機械性能均會降低，這種現象就是熱老化效應。

（2）伸縮疲勞效應：在接通和斷開電流時，熔體在溫度升降的過程中，若其自由伸縮受到約束，就會產生反復應力的作用，這種現象稱為伸縮疲勞效應。保險管中填滿石英砂，熔體熱脹冷縮的形狀變化必然受到阻礙，這時熔體與石英砂磨擦產生內應力。

（3）電動力疲勞效應：保險熔絲是螺旋形的電感線圈，流過PT一次電流時就產生了磁場，而載流導體與磁場的作用就會產生電動力。當開停機過程或外網傳遞，使PT突然加上電壓，產生了勵磁涌流，熔絲產生的磁感應強度突升，瞬態電動力隨之突增，使熔絲拉伸或壓縮，熔絲與石英砂就有相對運動，產生摩擦應力，并可能刮傷熔絲的某些點位，熔絲受到反復電動力的沖擊，產生電動力疲勞效應。為了揭示電動力的作用，用若干臺低壓PT并聯通過0.5 A保險加壓試驗，調整電壓高于PT額定值，使勵磁涌流的最大值約為20倍，通電10 s后斷開，停電2 min后再合，自動持續反復合跳。經過800多次的合跳，熔絲斷裂。

綜上所述，保險熔斷是綜合了多種因素的不利影響，長時間逐步積累后，由某種誘因激發而斷裂，是由量變到質變的過程。因此，小電流條件下的保險誤熔，不能用傳統的保險過流發熱熔斷的觀點分析。保險熔斷過程4個階段、2個主要因素、3個老化疲勞效應，就是保險誤熔全貌的描述。

2 各種故障的分析

本節通過故障分析，揭示發生這些故障時，保險是否真正起到預期的保護作用，由此獲得取消PT一次保險可行性的充分論據，是本研究的重點。

2.1 PT出口相間短路分析

PT高壓出口引線、套管或端部線圈相間短路時，短路電流很大，使短路相保險瞬間爆斷，這是保險作用和功能的重要體現。

2.1.1 保險的技術數據

發電廠和變電站PT一次保險，都普遍采用RN2型（或XRNP2型），各制造廠家產品的技術數據基本相同，見表3。

表3 PT用RN2型熔斷器技術數據

2.1.2 相間短路時PT一次側保險存在的問題

天一電廠短路電流計算值見表4，相間短路時PT一次保險存在兩方面的問題：

表4 天一電廠短路電流計算值

（1）保險的開斷容量和開斷電流不滿足要求。天一電廠保險通過的短路電流和三相短路容量遠遠大于保險的容許值，不符合保險選擇的要求。真正發生相間短路時，保險不能可靠滅弧而引起事故擴大，是一個潛在的重大隱患。在電力系統中，110 kV及以上的PT一直是不裝保險的，重要原因是無法提供能滿足開斷電流和容量的產品，天一電廠PT保險也存在同樣的問題。

（2）保險熔斷與差動保護沒有選擇性配合。天一電廠發電機和發變組均裝有比率制動式差動和差動速斷保護，PT出口相間短路差動保護必定快速瞬時啟動，這與保險在時間上不可能有選擇性配合。

PT高壓引線相間短路的機率是非常小的，如果認為可以不予考慮，那么從短路保護的角度看，保險也就沒有必要存在。

2.2 單相接地故障分析

2.2.1 單相接地電流

發電機出口回路單相接地故障電流的大小與中性點接地方式有關，表5列出了天一電廠采用不同中性點接地方式時的數據，其中不接地和消弧線圈接地方式是現場實測，對于高阻接地方式，一般取則（IC為電容電流）。天一電廠采用的是消弧線圈接地方式，接地電流比其它兩種方式大大減少。

表5 不同中性點接地方式單相接地電流

2.2.2 單相接地時通過PT一次保險的電流

（1）接地點在PT引線、高壓套管，保險就會流過總的接地電流2.18 A，PT開口三角零序電壓達到100 V，而發電機零序電壓保護定值為10 V，必然動作按保護延時2.9 s跳閘，保險時間-電流特性的數據見表6。通流2.9 s時，0.5 A、1 A保險的熔斷電流分別為2.6 A、3.8 A，兩種保險都不會熔斷。如果接地發生在其它地點，非接地相對地電壓升高為線電壓，流過保險的電流很小，保險更不會熔斷。

表6 保險時間-電流特性數據

（2）接地消失瞬間，非接地相電容通過PT高壓繞組放電，產生低頻振蕩電流，電容的放電過程如下：

正常運行→三相對地均為相電壓→C相接地→A、B相電容充電至線電壓→C相接地消失→A、B相電容放電至相電壓→恢復正常

天一電廠參數為：相對地電容C0=1.268 6μF，回路電感L=3 437 H，R=800 Ω，中性點不接地時的振蕩頻率為：

振蕩電流產生的低頻磁鏈，使PT瞬時飽和，產生超低頻飽和過電流，對PT及其一次保險形成沖擊。

對于中性點經消弧線圈接地方式，故障消失后，非接地相電容儲存的對應于線電壓的電荷，除通過自身PT一次繞組放電外，還可以通過發電機定子相繞組XG、消弧線圈XL放電，見圖3。對天一電廠，XG=0.925 Ω，XL=944.5 Ω，XPT=985 kΩ，XG、XL串聯值要比XPT小得多，因此分流通過PT及其一次保險的振蕩電流很小，PT一次保險不會過熱熔斷。接入消弧線圈以后，則振蕩電流的頻率為：

圖3 A相電容放電回路

可見振蕩頻率比中性點不接地方式時增大，已接近工頻。

為清晰了解接地故障消失后的低頻振蕩情況，用ATP-EMTP軟件對中性點不接地和經消弧線圈接地兩種情況進行數字仿真（C相接地）。中性點不接地方式振蕩電流仿真波形見圖4，最大電流峰值約為0.36 A，振蕩頻率約為2.77 Hz，與計算值差別不大。中性點經消弧線圈接地方式振蕩電流仿真波形見圖5，最大電流峰值約為30 mA，只有前者的8.3%，振蕩頻率約為49 Hz，與計算值差別不大。

圖4 不接地方式故障消失后的振蕩電流波形

圖5 經消弧線圈接地方式故障消失后的振蕩電流波形

2.3 PT一次側匝間短路分析

2.3.1 物理模擬試驗

PT一次側匝間短路的電磁關系比較復雜，我們進行了故障模擬試驗。實際使用的PT是密封的，不能進行匝間短路試驗，這里用三相自耦調壓器代替。三相交流電源經隔離變壓器后，自成一個小電流接地系統，將三相調壓器一相的滑動頭與公共點連接，旋動調壓器就可以實現不同匝數的短路。

圖6示出了零序電壓3U0隨短路匝數比α變化的曲線，可見，3U0隨α的增加而增大，當α很小時，3U0隨α的增加上升很快，以后3U0的增加逐漸減緩。當接入消弧線圈L時，3U0隨α增加的變化趨勢一致，但在α較小時，3U0的數值略低，隨著α的增加差值減少。

圖6 中性點位移電壓與α關系曲線

圖7表示了I/I0（短路前空載電流）隨α變化的曲線，可見匝間短路相的電流隨短路匝數比α的增加而增大，I/I0開始上升較快，以后逐漸趨緩，接入消弧線圈時，電流大幅減小。當α=100%時就是單相直接接地，這時短路相保險流過單相直接接地總電流。由于發生匝間短路故障是從很少匝數開始發展的，3U0達到零序保護定值會動作跳閘，故匝間短路不可能使α=100%，匝間短路一次電流必定小于單相直接接地電流2.18 A，PT保險不會熔斷。

圖7 短路相電流倍數與α關系曲線

2.3.2 PT一次側匝間短路實例

這里收集了一些PT一次匝間短路實例[10-13]，有關數據見表7?？梢钥吹剑孩僭验g短路都引起零序保護動作跳閘，其中例5的短路匝數比只有2.3%，零序電壓也有12 V；②PT一次保險都未熔斷；③電壓最高相的下一相為故障相；④故障相的直流電阻減小?？梢娺\行實踐與理論分析是一致的。

表7 PT一次側匝間短路實例數據

2.4 PT二次側短路分析

2.4.1 短路電流計算

經測試得天一電廠的PT短路阻抗為13.86 kΩ，計算出一次短路電流為：

2.4.2 PT二次短路仿真

二次短路時PT一次短路電流仿真波形見圖8。一次短路電流基本上是正弦基波，穩態電流峰值約為1.1 A，有效值為0.78 A，與計算值0.75 A基本一致。

圖8 二次短路時的一次電流波形

由此可見，PT二次短路時，盡管一次短路電流增大，但仍不能使0.5 A和1 A的保險熔斷。

2.5 傳遞過電壓分析

主變有各種傳遞過電壓，這里只計算電廠高壓系統接地短路時的過電壓，其它過電壓時程很短，對保險發熱影響很小。根據天一電廠參數算出零序電壓UH0=43.6 kV。低壓側的傳遞過電壓UL0，可由下式計算[14]：

式中，C∑為三相對地總電容，C∑=3C0=1.268 6×3=3.81 μF；Q為品質因數，Q=XL/R∑，R∑=RL+RW，RL在消弧線圈2-3檔時的實測電阻是5.3 Ω，外串電阻為40 Ω；K為脫諧度，K=XL/XC，XC=1/3ωC=834.5 Ω。CM可用經驗公式進行計算[15]，式中Se為變壓器額定容量（MVA），天一電廠為380 MVA，當變壓器高壓側額定電壓為220 kV時，Km0取4.7，CM計算得：

用消弧線圈不同檔位的參數代入，就可以算出傳遞過電壓UL0，計算數據見表8。

表8 消弧線圈不同檔位傳遞過電壓

由此可見，UL0和3U0隨脫諧度K而變，當K=1.0有最大值。發電機出口各相對地電壓是相電壓與UL0的矢量和，消弧線圈在2-3檔時，UL0=1.005 kV，就算與某一相電壓同相位，最高的相對地電壓也只有11.4 kV，查PT勵磁特性流過一次保險的電流只有0.006 7 A，保險不會熔斷，但UL0對3U0的影響較大。

2.6 PT繞組接地

由于PT一次繞組中性點接地，一次繞組某點接地，相當于接地點與中性點之間的線圈匝間短路，上述對PT匝間短路的分析完全適用。

2.7 鐵磁諧振

當發電機中性點通過消弧線圈接地時，在零序等效電路中，消弧線圈的電抗XL、PT勵磁電抗XPT、對地電容容抗XC三者是并聯關系，天一電廠XPT=985 kΩ，XC=834.5 Ω，XL=944.5 Ω，可見XL比XPT小得多，XPT的變化對并聯后的等值電抗的影響微乎其微，不會產生PT鐵磁諧振。

2.8 匯總

除相間短路外，其它各種故障時保險通過的電流見表9。零序保護延時2.9 s時，0.5 A、1.0 A保險的熔斷電流為2.6 A、3.8 A，可見各種故障時，PT一次保險都不會熔斷。

表9 各種故障保險通過的電流

3 保險誤熔斷現有防治措施分析

3.1 提高PT一次保險的額定電流

以往PT一次保險的額定電流都是0.5 A，近年來PT一次保險誤熔故障事件并不少見，提高保險的額定電流就順理成章作為一項防治措施，一般將保險的額定電流提高到1～2 A。

（1）這一措施是基于認為保險是通流過熱熔斷的，但保險故障的初始階段并非“熔斷”，而是諸多因素復合起作用并逐步積累，由某種誘因激發而斷裂。同時，熔絲斷裂的主要原因是主變傳遞過電壓和開停機勵磁涌流沖擊，保險通流發熱只是次要的因素，企圖通過降低熔絲溫升這單一且非主要因素，解決諸多因素復合作用的問題，效果顯然不理想。天一電廠的運行表明，2009年將0.5 A的保險全部更換為1 A后，開始幾年誤熔故障較少，但從2016年開始，連續4年均發生PT保險熔斷故障，這說明保險更換初期誤熔情況雖然有了一定的改善，但主要得益于更換后各種因素對保險不利影響的積累得以清零的結果。

（2）一直沿用的0.5 A保險，己經比PT的額定電流或極限電流大很多倍。例如，天一電廠PT的額定容量是30 VA，極限容量是600 VA，額定電流和極限電流分別為0.002 98 A和0.058 A，0.5 A電流是PT額定電流的168倍，是極限電流的8.6倍，可見0.5 A保險對于保護PT來說電流太大了（采用0.5 A主要考慮機械強度），不能保證PT不損壞，而再提高保險的額定電流，顯然更進一步削弱甚至完全失去了保險對PT的保護作用。由此可見，提高保險額定電流的措施，實際上就是向取消保險的趨勢發展。

3.2 減小熔體的電阻

0.5 A保險的電阻大約為200 Ω，有些電廠為應對PT保險誤熔故障，大幅降低熔體的電阻，例如，文獻[4]中熔體由康銅改為銀鎳合金，熔體的電阻約為14 Ω，天一電廠更換為1 A的保險電阻更是小至4.3 Ω，保險的發熱量是大大減小了。但實際上PT保險誤熔是在正常小電流的情況下發生的，故這一措施針對性不強，不會有明顯的效果，天一電廠的運行實踐就說明這一點。同時，大幅降低熔體的電阻可能會使保險的熔斷特性變差，對天一電廠1 A的保險進行測試，通流時間2.9 s時大于5.5 A才熔斷，比典型特性的3.8 A增大很多。這一措施實際上也是向取消保險的趨勢發展。

3.3 定期更換PT一次保險

定期更換PT一次保險，使經過一定時間運行而產生缺陷的保險退役，對降低保險誤熔的機率肯定是有利的。但是，各個保險所受的諸多因素影響是不同的，而保險誤熔前往往沒有征兆，只好盲目地把全部保險一次性更換。這樣不但增加了維護成本，同時也增加了設備的操作和維護工作量。

由此可見，由于對PT保險誤熔的機理缺乏全面的、正確的認識，現有措施都是基于保險“過熱熔斷”的觀點提出的，沒有對癥下藥，效果不佳，解決誤熔問題不能囿于保險本身，需要從傳統觀念上突破。

4 結論

（1）PT一次保險誤熔是在小電流下發生的，具有慢熔的特點，是熱老化效應、伸縮疲勞效應、電動力疲勞效應復合作用并不斷積累的結果。在導致誤熔的諸多因素中，開停機勵磁涌流沖擊和主變傳遞過電壓沖擊，是熔絲斷裂的主要因素。

（2）天一電廠PT高壓出口引線或套管相間短路時，PT一次保險的開斷電流和開斷容量不滿足要求，存在保險不能可靠滅弧而引起事故擴大和設備損壞的隱患，還存在保險熔斷與發電機差動保護沒有選擇性配合的問題。因此，大中型發電機PT一次保險應進行短路校驗。

（3）天一電廠PT一次保險在相間短路時存在隱患，而其它各種故障時，保險都不會熔斷，因此取消PT一次保險而用硬導線代替的措施是完全可行的，也是十分必要的。這一措施的實施從根本上杜絕了PT一次保險誤熔故障，顯著提高了電廠以至整個系統運行的安全性，減少運行維護工作量，對水電廠實施遠程監控也十分有利，有著顯著的社會和經濟效益，具有創新性和實用性。

（4）對于中性點經消弧線圈接地的電廠，取消PT一次保險而用硬導線代替的措施有普遍的推廣應用價值，因為消弧線圈使接地故障電流大大減小、接地消失后通過保險的低頻振蕩電流很小、接地電弧熄滅不重燃、不產生鐵磁諧振等特性是共有的。對采用中性點高阻接地的電廠，也有實用參考價值，因接地電流較大，理論上講個別故障時PT保險可能先于零序保護動作前熔斷，但PT本身故障的機率很低（天一電廠20年為零故障），能使保險熔斷的機率就更小，而保險誤熔的機率可能大得多，要根據“廠情”具體分析論證。

（5）用硬導線代替PT一次保險的措施十分簡單易行，改造成本幾乎為零，設備不需作任何變動，現有繼電保護的配置、接線、整定值都不用作任何改變。