一起發(fā)電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)換性故障的分析及啟示

李軍保，陳俊

（1．浙江省能源集團(tuán)有限公司，杭州310007；2．南京南瑞繼保電氣有限公司，南京211102）

一起發(fā)電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)換性故障的分析及啟示

李軍保1，陳俊2

（1．浙江省能源集團(tuán)有限公司，杭州310007；2．南京南瑞繼保電氣有限公司，南京211102）

以一起發(fā)電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)換性故障為例，分析保護(hù)裝置記錄的相關(guān)電氣量波形及故障報(bào)告，確認(rèn)故障過(guò)程為定子匝間短路故障轉(zhuǎn)相間短路故障，由發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)和發(fā)變組差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作于跳閘。該機(jī)組未配置匝間專用TV和定子匝間保護(hù)，無(wú)法快速切除定子匝間故障，最終發(fā)展成相間短路故障，建議各種類型的大型機(jī)組均應(yīng)配置定子匝間保護(hù)。

發(fā)電機(jī)；定子；匝間保護(hù)；分析

0 引言

GB/T 14285－2006《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》4．2．1節(jié)要求大型發(fā)電機(jī)組應(yīng)裝設(shè)定子繞組匝間短路保護(hù)。由于一般發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)只能引出3個(gè)端子，一般配置縱向零序電壓定子匝間保護(hù)或負(fù)序功率方向定子匝間保護(hù)。

目前還有一些機(jī)組，尤其是一些大型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組，未配置專用TV（電壓互感器）和定子匝間保護(hù)，存在一定的安全隱患。近年來(lái)，已多次發(fā)生定子匝間短路故障或定子繞組分支開焊故障，應(yīng)引起重視。

以下分析一起發(fā)電機(jī)定子匝間短路轉(zhuǎn)相間短路故障的案例，由于未配置定子匝間保護(hù)，不能及時(shí)切除定子匝間短路故障，最終轉(zhuǎn)化成相間短路故障，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，這也充分說(shuō)明配置定子匝間保護(hù)的必要性。同時(shí)，以案例的錄波數(shù)據(jù)驗(yàn)證了一種定子匝間保護(hù)新原理的正確性，為沒(méi)有裝設(shè)專用TV的發(fā)電機(jī)提供了實(shí)現(xiàn)定子匝間保護(hù)的一種途徑。

1 發(fā)電機(jī)組保護(hù)動(dòng)作情況

2012－10－16 T 11∶44，某300 MW機(jī)組突然跳閘，光字牌大片報(bào)警，主變壓器（簡(jiǎn)稱主變）220 kV開關(guān)、磁場(chǎng)開關(guān)跳閘，發(fā)電機(jī)定子電壓、定子電流、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流均到零；汽輪機(jī)跳閘，各主汽門、調(diào)門關(guān)閉；鍋爐MFT（主燃料跳閘）動(dòng)作，鍋爐熄火。

發(fā)電機(jī)變壓器組（簡(jiǎn)稱發(fā)變組）保護(hù)A與B柜面板有跳閘信號(hào)“差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作”，保護(hù)C柜無(wú)跳閘信號(hào)，C柜操作箱有2路跳閘出口燈亮。保護(hù)裝置跳閘報(bào)告顯示，11∶44∶51．547，發(fā)電機(jī)組保護(hù)啟動(dòng)，2 124 ms后發(fā)電機(jī)差動(dòng)速斷動(dòng)作，2 125 ms后發(fā)變組差動(dòng)速斷保護(hù)動(dòng)作，2 131 ms發(fā)電機(jī)比率差動(dòng)，2 133 ms發(fā)變組比率差動(dòng)，2 134 ms發(fā)電機(jī)工頻變化量差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，A與B柜2套保護(hù)動(dòng)作結(jié)果相同。保護(hù)裝置變位報(bào)告顯示，11∶44∶51．552，主變后備保護(hù)啟動(dòng)；11∶44∶51．578，主變差動(dòng)保護(hù)和發(fā)變組差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)；11∶44∶53．654，發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)；11∶44∶53．703，主變高壓側(cè)開關(guān)跳閘，11∶44∶54．117，主汽門關(guān)閉。變位報(bào)告和跳閘報(bào)告由不同的CPU板處理，由于采樣和計(jì)算誤差，2個(gè)CPU板的啟動(dòng)時(shí)刻相差5 ms。

綜合以上跳閘報(bào)告和變位報(bào)告可判斷，首先是主變后備保護(hù)啟動(dòng)，隨后是發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障啟動(dòng)、發(fā)變組差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)，最后由發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)、發(fā)變組差動(dòng)保護(hù)跳閘，跳開主變高壓側(cè)斷路器，關(guān)主汽門并滅磁，直至電流衰減，差動(dòng)保護(hù)和后備保護(hù)返回。

2 保護(hù)裝置錄波數(shù)據(jù)分析

由于2套保護(hù)動(dòng)作行為一致，分析以A套保護(hù)錄波數(shù)據(jù)為例，錄波圖中前半部分是保護(hù)啟動(dòng)時(shí)刻的波形（啟動(dòng)前2個(gè)周波，啟動(dòng)后6個(gè)周波），后半部分是保護(hù)跳閘時(shí)刻的波形（跳閘前2個(gè)周波，跳閘6個(gè)周波）。

主變高壓側(cè)三相電壓和零序電壓的波形如圖1所示。

圖1 主變高壓側(cè)電壓波形

主變高壓側(cè)三相電流和外接零序電流波形如圖2所示。

可見，故障過(guò)程中主變高壓側(cè)三相電壓沒(méi)有明顯降低，高壓側(cè)零序電壓和零序電流均為0，說(shuō)明主變高壓側(cè)未發(fā)生故障。

圖2 主變高壓側(cè)電流波形

從圖2可見，保護(hù)啟動(dòng)時(shí)刻，主變高壓側(cè)A與C相電流增大，B相電流無(wú)變化，B與C相電流同相位且與A相電流相位相反。故障跳閘時(shí)刻主變高壓側(cè)B與C相電流增大，A相電流無(wú)顯著變化。

主變高壓側(cè)相間后備保護(hù)采用阻抗保護(hù)，正向阻抗定值為5．3 Ω，反向阻抗定值為0．26 Ω，阻抗保護(hù)Ⅰ時(shí)限為1．2 s，阻抗保護(hù)Ⅱ時(shí)限為1．5 s。從圖2可見，故障時(shí)刻主變高壓側(cè)A與C相電流明顯增大，經(jīng)計(jì)算滿足了阻抗保護(hù)的相電流突變量啟動(dòng)判據(jù)，但主變高壓側(cè)相間阻抗計(jì)算值未落入阻抗特性圓內(nèi)，因此，主變后備保護(hù)只是啟動(dòng)，不滿足動(dòng)作條件。

發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)定值為：比率差動(dòng)啟動(dòng)定值0．2Ie（Ie為額定電流），起始斜率0．05，最大斜率0．5，差動(dòng)速斷定值4Ie。發(fā)電機(jī)差動(dòng)電流波形及兩側(cè)電流波形如圖3和圖4所示。

從圖3和圖4可見，保護(hù)啟動(dòng)時(shí)刻，發(fā)電機(jī)機(jī)端和中性點(diǎn)電流均增大，但發(fā)電機(jī)差動(dòng)電流很小，說(shuō)明故障初期不是定子繞組內(nèi)部相間短路故障。

發(fā)電機(jī)機(jī)端三相電壓、機(jī)端和中性點(diǎn)零序電壓波形如圖5所示。

從圖5可見，保護(hù)啟動(dòng)時(shí)刻發(fā)電機(jī)機(jī)端C相電壓降為0 V，而A與B相電壓不但沒(méi)有升高，反而略有降低，中性點(diǎn)零序電壓很小，而且發(fā)電機(jī)相電流明顯增大，不符合定子單相接地故障的特性。

圖3 發(fā)電機(jī)差動(dòng)電流波形

圖4 發(fā)電機(jī)機(jī)端電流（Ifa-Ifc）及中性點(diǎn)電流（Ina-Inc）波形

圖5 發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓波形

根據(jù)以上分析，排除了發(fā)電機(jī)內(nèi)部相間短路和單相接地故障的可能，推測(cè)為定子繞組C相首尾大匝間短路故障。為了驗(yàn)證以上推測(cè)，采用機(jī)端電壓和中性點(diǎn)電流計(jì)算負(fù)序功率，通過(guò)負(fù)序功率方向來(lái)判別是否發(fā)生了定子匝間故障，負(fù)序電壓、負(fù)序電流和負(fù)序功率計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 負(fù)序電壓、負(fù)序電流和負(fù)序功率

從圖6可見，保護(hù)啟動(dòng)時(shí)刻，出現(xiàn)較大的負(fù)序電壓和負(fù)序電流，以機(jī)端負(fù)序電壓和中性點(diǎn)負(fù)序電流計(jì)算的負(fù)序功率為較大的正值，負(fù)序電流滯后負(fù)序電壓約10°左右，符合發(fā)電機(jī)定子匝間故障的電氣特征，驗(yàn)證了前面的推測(cè)。

從圖3—5的后半部分波形可見，保護(hù)跳閘時(shí)，發(fā)電機(jī)機(jī)端和中性點(diǎn)B與C相電流增大，且方向相反，A相電流變化不明顯，此時(shí)B相電壓也降低到0 V，發(fā)電機(jī)B與C相差流較大，說(shuō)明此時(shí)已轉(zhuǎn)化成B與C相間短路故障，約2個(gè)周波后，A相電流也增大，A相電壓也降低至很小值，發(fā)電機(jī)三相均產(chǎn)生了較大的差流，說(shuō)明此時(shí)已轉(zhuǎn)化成三相短路故障，故障過(guò)程中發(fā)電機(jī)差動(dòng)電流與制動(dòng)電流的關(guān)系如圖7所示。

圖7 發(fā)電機(jī)差動(dòng)電流與制動(dòng)電流的關(guān)系

由圖7可見，在故障轉(zhuǎn)化成相間短路故障后，發(fā)電機(jī)差動(dòng)電流滿足比率制動(dòng)動(dòng)作條件，差流最大值超過(guò)了差動(dòng)速斷定值4Ie，差動(dòng)速斷保護(hù)也滿足動(dòng)作條件，發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)正確動(dòng)作。從圖4發(fā)電機(jī)機(jī)端B相電流可見，從故障轉(zhuǎn)化成相間短路到發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳開主變高壓側(cè)開關(guān)不到60 ms（后半部分波形中機(jī)端B相電流突然增加到變?yōu)?的時(shí)間，不超過(guò)3個(gè)周波）。

發(fā)電機(jī)內(nèi)部相間短路故障屬于發(fā)變組差動(dòng)保護(hù)的保護(hù)范圍，發(fā)變組差動(dòng)保護(hù)定值為：比率差動(dòng)啟動(dòng)定值0.4Ie，起始斜率0.1，最大斜率0.7，二次諧波制動(dòng)系數(shù)0.15，差動(dòng)速斷定值5Ie。故障過(guò)程中發(fā)變組差動(dòng)電流波形如圖8所示。

圖8 發(fā)變組差動(dòng)電流波形

發(fā)變組差動(dòng)電流、制動(dòng)電流以及比率制動(dòng)特性曲線如圖9所示。

圖9 發(fā)變組差動(dòng)電流與制動(dòng)電流的關(guān)系

由圖9可見，定子匝間故障轉(zhuǎn)為相間短路故障后，發(fā)變組三相差流均滿足比率制動(dòng)動(dòng)作條件，差流最大值超過(guò)了差動(dòng)速斷定值5Ie，滿足差動(dòng)速斷動(dòng)作條件，發(fā)變組差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作正確。

綜合以上分析，本次故障的大致發(fā)展過(guò)程如下：首先發(fā)生定子繞組C相匝間故障（C相首末端短路），造成發(fā)電機(jī)電流和主變高壓側(cè)電流增大，發(fā)變組后備保護(hù)啟動(dòng)，發(fā)電機(jī)差動(dòng)和發(fā)變組差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)，由于該機(jī)組未配置定子匝間保護(hù)專用TV，匝間故障不能被快速切除，故障持續(xù)了約2 s后轉(zhuǎn)變成發(fā)電機(jī)內(nèi)部B與C相短路故障，隨即轉(zhuǎn)變成內(nèi)部三相短路故障，最后由發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)和發(fā)變組差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳閘。故障過(guò)程中，發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)和發(fā)變組差動(dòng)保護(hù)之所以在保護(hù)啟動(dòng)后2 s多才動(dòng)作，是因?yàn)榈?個(gè)啟動(dòng)元件是主變高壓側(cè)阻抗保護(hù)，不是差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)元件，等到定子匝間故障轉(zhuǎn)化成相間短路故障后，才由差動(dòng)保護(hù)快速動(dòng)作跳閘。

3 發(fā)電機(jī)解體檢查及啟示

拆除發(fā)電機(jī)出線軟連接及中心點(diǎn)連接銅排，測(cè)量三相繞組對(duì)地絕緣為零，隨后拆卸發(fā)電機(jī)汽勵(lì)兩側(cè)人孔門及底部人孔門，檢查發(fā)電機(jī)端部線圈及引線，檢查發(fā)現(xiàn)C相出線及中性點(diǎn)引線燒熔，B相出線燒損，故障現(xiàn)象與上述故障錄波分析結(jié)果相吻合。

某大型水電站也發(fā)生過(guò)類似故障，由于配置了能夠靈敏反映定子匝間故障的多重主保護(hù)，由裂相橫差保護(hù)和不完全差動(dòng)保護(hù)快速跳閘，避免了發(fā)展為相間短路故障，大大減小了對(duì)設(shè)備的損傷。可見，大型機(jī)組配置定子匝間保護(hù)是很有好處的。

有些人認(rèn)為大型機(jī)組的定子同槽上下層線棒同屬一相的很少，理論上發(fā)生定子匝間短路的可能性很小，認(rèn)為沒(méi)有必要配置定子匝間保護(hù)。事實(shí)上，定子匝間故障不僅僅包括定子匝間短路故障，還包括定子繞組分支開焊故障，并且已多次發(fā)生分支開焊故障，因此，從該角度出發(fā)，配置定子匝間保護(hù)也是必要的。

4 定子匝間保護(hù)新原理驗(yàn)證

國(guó)內(nèi)有學(xué)者提出了一種由機(jī)端對(duì)地零序電壓和中性點(diǎn)對(duì)地零序電壓計(jì)算縱向零序電壓（稱為復(fù)合零序電壓或自產(chǎn)縱向零序電壓）的方法，如式（1）所示：

采用以上自產(chǎn)縱向零序電壓即可實(shí)現(xiàn)不依賴于匝間專用TV的定子匝間保護(hù)。

根據(jù)該機(jī)組相關(guān)參數(shù)，可求得該機(jī)組的自產(chǎn)縱向零序電壓調(diào)整系數(shù)k1和調(diào)整系數(shù)k2分別為0．852 5和0．258 3。

利用圖5所示的機(jī)端零序電壓和中性點(diǎn)零序電壓波形，將以上2個(gè)調(diào)整系數(shù)代入自產(chǎn)縱向零序電壓計(jì)算式，求得的自產(chǎn)縱向零序電壓基波幅值如圖10所示。

圖10 自產(chǎn)縱向零序電壓基波幅值

可見，在本次定子匝間故障過(guò)程中，自產(chǎn)縱向零序電壓基波幅值可達(dá)30 V以上。

1臺(tái)具有n個(gè)并聯(lián)分支的發(fā)電機(jī)，當(dāng)1路分支的α部分發(fā)生匝間短路時(shí)，假設(shè)非故障相電壓未發(fā)生明顯變化，則此時(shí)的縱向零序電壓為[5]：

式中：xf0為發(fā)電機(jī)零序阻抗；I0為零序電流。

本案例中該發(fā)電機(jī)為3個(gè)并聯(lián)分支，當(dāng)C相1路分支首末端短路時(shí)，A與B相電壓只是略有降低，并且相角沒(méi)有發(fā)生變化，基本符合式（2）的前提條件，因此，故障時(shí)的縱向零序電壓理論值（有名值）應(yīng)為：

縱向零序電壓理論值與圖10所示的自產(chǎn)縱向零序電壓計(jì)算值基本吻合。

可見，在此次定子繞組大匝數(shù)匝間短路故障中，自產(chǎn)縱向零序電壓保護(hù)能夠可靠動(dòng)作，可避免匝間短路故障轉(zhuǎn)化成相間短路故障。

5 結(jié)語(yǔ)

分析了一起發(fā)電機(jī)定子匝間短路轉(zhuǎn)相間短路故障的案例，并且得到了一些有益的啟示：

（1）定子匝間故障若不能及時(shí)切除，可能轉(zhuǎn)化成相間短路故障，對(duì)機(jī)組造成嚴(yán)重?fù)p傷，發(fā)電機(jī)組應(yīng)裝設(shè)定子匝間保護(hù)。

（2）對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)組，應(yīng)充分利用發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)引出方式靈活的優(yōu)勢(shì)，配置單元件橫差保護(hù)、裂相橫差保護(hù)和不完全縱差保護(hù)等可靈敏反映定子匝間故障的快速保護(hù)。

（3）對(duì)于火電、核電和燃?xì)廨啓C(jī)組，建議采取以下技術(shù)措施：配置匝間專用TV，投入縱向零序電壓匝間保護(hù)功能；如果專用TV沒(méi)有安裝空間，則可采用自產(chǎn)縱向零序電壓保護(hù)。

[1]王維儉．電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用[M]．北京：中國(guó)電力出版社，1996．

[2]邰能靈，朱佳杰．大型超臨界汽輪發(fā)電機(jī)匝間短路故障分析及主保護(hù)研究[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30（20）∶54－58．

[3]俞勝，仇新宏，李哲，等．基于負(fù)序電壓分布的發(fā)電機(jī)定子匝間短路保護(hù)[J]．電力自動(dòng)化設(shè)備，2010，30（9）∶72－74．

[4]王大鵬，王濤，周宏斌，等．一起定子接地故障及匝間故障引發(fā)的繼電保護(hù)動(dòng)作行為分析[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2008，36（22）∶82－87．

[5]王維儉，侯炳蘊(yùn)．大型機(jī)組繼電保護(hù)理論基礎(chǔ)[M]．2版．北京：水利電力出版社，1989．

（本文編輯：楊勇）

Analysis on a Internal Translating Fault of Generators and the Enlightenment

LI Jun-bao1，CHEN Jun2
（1．Zhejiang Provincial Energy Group Co．，Ltd．，Hangzhou 310007，China；2．Nanjing Nari-Relays Electric Co．，Ltd．，Nanjing 211102，China）

By taking an internal translating fault of the generator for instance,the paper analyzes waveform of power system and fault report recorded by protective devices．It is determined that the inter-phase short circuit fault comes from inter-turn fault of the stator and the differential protection of the generator and generator transformer unit's action on trip-out．The unit is not configured with special inter-turn TV and stator inter-turn protection and is unable to fast cut off the inter-turn fault of stator，which ultimately develops into inter-phase short circuit．It is suggested that large units of all sorts should be configured with inter-turn fault protection．

generator；stator；inter-turn protection；analysis

TM311

：B

：1007－1881（2013）05－0057－05

2013－01－29

李軍保（1965-），男，浙江仙居人，高級(jí)工程師，主要從事發(fā)電廠電氣專業(yè)技術(shù)管理工作。