一起勵(lì)磁變?cè)验g短路的分析和對(duì)策

韓憲良

（廣東省粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東 揭陽 551223）

一起勵(lì)磁變?cè)验g短路的分析和對(duì)策

韓憲良

（廣東省粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東 揭陽 551223）

文章就廣東某電廠自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)中接自發(fā)電機(jī)出口的勵(lì)磁變發(fā)生匝間短路事故進(jìn)行了分析解讀。通過從該勵(lì)磁變結(jié)構(gòu)及事故過程中相關(guān)保護(hù)動(dòng)作情況等方面進(jìn)行梳理分析，提出防止事故擴(kuò)大、降低事故損失的改進(jìn)意見，為同類型勵(lì)磁系統(tǒng)提供借鑒。

自并勵(lì) ；勵(lì)磁變；匝間短路；保護(hù)

廣東某電廠勵(lì)磁系統(tǒng)采用靜止可控硅機(jī)端自并勵(lì)勵(lì)磁方式，勵(lì)磁變采用廣東順特生產(chǎn)的樹脂澆注干式變，型號(hào)為DCB9-3300/27，額定電壓為27000/980V，接線組別為Yd11，F(xiàn)級(jí)絕緣按B級(jí)溫升報(bào)警，帶外殼，箱體防護(hù)等級(jí)為IP23，冷卻方式AN/AF。勵(lì)磁變配置雙套F35保護(hù)裝置，功能設(shè)置有勵(lì)磁變高壓側(cè)速斷保護(hù)、勵(lì)磁變過流保護(hù)各兩段動(dòng)作于發(fā)變組全停，勵(lì)磁變過負(fù)荷保護(hù)定時(shí)限報(bào)警，勵(lì)磁變過負(fù)荷反時(shí)限程序跳閘。

1 事故發(fā)生的過程

事故前發(fā)電機(jī)經(jīng)主變接入 500kV系統(tǒng)，所帶負(fù)荷為400MW，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)（自并勵(lì)）由機(jī)端勵(lì)磁變供電。2013年9月6日7時(shí)48分勵(lì)磁變高壓側(cè)電流速斷保護(hù)動(dòng)作，7.2ms勵(lì)磁變過流保護(hù)動(dòng)作，7.4ms發(fā)變組保護(hù)全停 I出口，11ms系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作聯(lián)跳動(dòng)作，428ms發(fā)電機(jī)過激磁保護(hù)動(dòng)作，518.6ms發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作。事故后調(diào)取的溫控器記錄數(shù)據(jù)顯示，鐵心最高溫度為112℃，A相繞組最高溫度為91℃，變壓器溫升正常。為了即時(shí)檢查毀壞情況和對(duì)故障原因進(jìn)行分析，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)變壓器進(jìn)行了檢查和試驗(yàn)，測(cè)得A相高低壓側(cè)對(duì)地絕緣為零，已被嚴(yán)重?zé)龤茐?。通過解體情況分析，故障發(fā)生在A相一組線圈的低壓側(cè)，因?yàn)樵验g短路不斷擴(kuò)大導(dǎo)致A相高、低線圈全部燒損。

2 故障濾波記錄分析

本勵(lì)磁變采用分相式組裝，即A、B、C三相分別為單相兩芯柱變壓器，然后用母線排將三相連接成Yd11方式。接線原理圖如圖1：

圖1 勵(lì)磁變接線原理圖

故障錄波圖如圖2，圖中上部黃、綠、紅表示勵(lì)磁變高壓側(cè)的A、B、C三相線電流，即圖1中的IA、IB、和IC，灰色表示高壓側(cè)中性點(diǎn)電流 I0，有中性點(diǎn)電流是因?yàn)殡娏骰ジ衅鞑捎猛耆切徒泳€。圖2下部黃、綠、紅表示勵(lì)磁變低壓側(cè)的a、b、c三相線電流，即Ia、Ib、和Ic。根據(jù)故障錄波圖的特性，將故障分為三個(gè)階段進(jìn)行分析。

圖2 故障錄波圖

第一階段主要反應(yīng)出A相低壓側(cè)發(fā)生匝間短路初期，發(fā)生匝間短路的回路為單匝或少數(shù)，勵(lì)磁變本身的短路阻抗受到的影響較小，整體而言對(duì)于低壓側(cè)非匝間短路線圈所感應(yīng)的電流還是符合相序條件，所以對(duì)于低壓側(cè)的線電流影響也不是很大，即幅值和相位正常。由于勵(lì)磁變聯(lián)結(jié)組別為 Yd11型，零序電流在高壓側(cè)不能形成回路，但可低壓側(cè)內(nèi)部形成零序回路，高壓側(cè)線電流與低壓側(cè)相電流相序保持相同。低壓側(cè)內(nèi)部發(fā)生匝間短路后，也就相當(dāng)于勵(lì)磁變負(fù)載的不平衡，因而會(huì)在低壓側(cè)內(nèi)部形成比較大的零序電流，而高壓側(cè)零序電流 I0仍為零。同時(shí)，低壓側(cè)發(fā)生匝間短路后，會(huì)在短路匝線圈內(nèi)感應(yīng)很大的反極性磁通，即低壓側(cè)A相線圈對(duì)外表現(xiàn)不再是電感，而是有一定阻抗的導(dǎo)電體，即圖1中的變低ax發(fā)生高阻性短接，從而使高壓側(cè)AO產(chǎn)生比較大的電流IA，它然后經(jīng)繞組BO、CO流回系統(tǒng)，所以就有高壓側(cè)B、C相電流的相位和幅值基本相同的情況。

第二階段通過圖2的故障錄波圖可看出，出現(xiàn)了中性點(diǎn)電流I0，幅值為13.99kA。但I(xiàn)A的幅值變小，反而IB、IC幅值增加到6.16kA，且相位與中性點(diǎn)電流相位I0基本相同。出現(xiàn)上述情況的主要原因是低壓側(cè)匝間短路繼續(xù)發(fā)展，致使高壓側(cè)出現(xiàn)了接地。高壓側(cè)未接出現(xiàn)地前由于高壓側(cè)采用Y型接線，零序電流無法流通中性點(diǎn)O處的對(duì)地電位會(huì)升高，低壓側(cè)匝間短路作用在高壓側(cè)的大電流，使得高壓側(cè)A相線圈出現(xiàn)破皮閃絡(luò)，非故障相由相電壓變線電壓，使得中性點(diǎn)電壓升高為相電壓15.6kV，造成中性點(diǎn)接地處有很大電流為13.99kA，并將中性點(diǎn)連接線燒斷。這個(gè)過程中出現(xiàn)了IA的幅值變小，IB、IC幅值增加且與中性點(diǎn)電流相位基本相同的現(xiàn)象，進(jìn)一步說明高壓側(cè)A相里面和中性點(diǎn)0接地，致使發(fā)電機(jī)出口的A相電壓Ua降低且接近零，而B、C相升則為線電壓水平，高壓側(cè)A相相當(dāng)于被地短接，所以A相電流是比較小的。在A相和中性點(diǎn)0接地后，相當(dāng)于B、C兩相發(fā)生了相間接地短路，所以中性點(diǎn)的電流I0基本上為B、C兩相之和，相位也相同。

第三階段從圖2的故障錄波圖可看出，中性點(diǎn)電流消失而A相電流迅速增加，且相位與B、C兩相相反，其基本與第一階段相同，只是電流幅值有大幅增加，A相電流 IA為11.982kA，出現(xiàn)上述問題的原因是由于中性點(diǎn)連接線被燒斷后入地的中性點(diǎn)電流消失，在低壓側(cè)A相匝間短路的回路增多的情況下，高壓側(cè)A相的相（線）電流IA肯定會(huì)突然增大的。開關(guān)跳閘后發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量仍然存在，電流幅值是逐步衰減的，大約持續(xù)了12秒后A相電流IA才降為1.561kA。

通過上面分析，發(fā)生問題的主要原因是由于A相線圈低壓側(cè)發(fā)生匝間短路并不斷擴(kuò)大引起，同時(shí)還伴隨著有接地等現(xiàn)象才上出現(xiàn)上述錄波圖。通過電流拆算后發(fā)現(xiàn)低壓側(cè)的電流有上幾萬甚至幾十萬安的電流，這個(gè)電流和持續(xù)時(shí)間是足夠?qū)相高、低壓側(cè)銅箔燒燒損。

3 保護(hù)動(dòng)作分析判斷

勵(lì)磁變高壓側(cè)額定電流212A（折合二次值 0.424A，CT變比 500/1）。勵(lì)磁變高壓側(cè)速斷保護(hù)由兩段構(gòu)成，瞬時(shí)速動(dòng)段定值為5.5A，延時(shí)0S，短延時(shí)速動(dòng)段定值2.1A，延時(shí)0.15S，勵(lì)磁變過流保護(hù)定值為0.9A，延時(shí)0.5S。速動(dòng)及過流保護(hù)均動(dòng)作于發(fā)變組全停。勵(lì)磁變過負(fù)荷保護(hù)定時(shí)限定值0.37A，延時(shí)12S報(bào)警，勵(lì)磁變過負(fù)荷反時(shí)限啟動(dòng)值為0.37A，程序跳閘。發(fā)電機(jī)過激磁保護(hù)采用相電壓判別元件，設(shè)有定時(shí)限和反時(shí)限段，定時(shí)限設(shè)兩段，I段定值為1.07 pu，延時(shí)0.5S發(fā)信，II段定值為1.19pu，延時(shí)1S，反時(shí)限啟動(dòng)值為1.08pu，動(dòng)作于解列滅磁；發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)定值為13.8V，延時(shí)0.5S，動(dòng)作于發(fā)變組全停。

從發(fā)變組錄波圖圖2分析，勵(lì)磁變高壓側(cè)A相電流二次有效值為3.674A，B相電流二次有效值為1.838A，C相電流二次有效值為1.832A，且B、C相電流同相位，超過勵(lì)磁變高壓側(cè)速斷電流動(dòng)作值2.1A，滿足過勵(lì)磁變高壓側(cè)速斷保護(hù)動(dòng)作條件，7：48：24：574，動(dòng)作于發(fā)變組全停。7：48：24：995，發(fā)電機(jī)機(jī)端B、C兩相電壓在勵(lì)磁變A相故障后升為線電壓88V（1.53pu），大于發(fā)電機(jī)過激磁保護(hù)值；7：48：25：085，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)二次電壓為85.7V，大于定值13.8V，定子接地保護(hù)動(dòng)作。

整個(gè)過程從發(fā)生低壓側(cè)故障至故障電流達(dá)到短延時(shí)速斷保護(hù)電流定值的時(shí)間 650ms；故障電流達(dá)到短延時(shí)速斷電流定值至發(fā)生高壓側(cè)單相接地故障的時(shí)間148ms；發(fā)生高壓側(cè)單相接地故障至基波定子接地保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間 0.5s。而短延時(shí)速斷延時(shí)150ms，保護(hù)動(dòng)作速度慢，導(dǎo)致發(fā)展成高壓側(cè)單相接地故障，加上發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和殘壓的影響使得勵(lì)磁變A相高低側(cè)全部燒損。

表1 保護(hù)動(dòng)作時(shí)序

4 改進(jìn)措施

通過對(duì)此次勵(lì)磁變事故過程及保護(hù)動(dòng)作情況的全面分析，并得出相關(guān)結(jié)論如下，并進(jìn)行了相關(guān)整改：

（1）由于勵(lì)磁變未配置差動(dòng)保護(hù)，導(dǎo)致本次低壓側(cè)故障切除慢，最終發(fā)展為高壓側(cè)接地故障，可以考慮對(duì)勵(lì)磁變保護(hù)進(jìn)行改造。近年勵(lì)磁變發(fā)生多次故障，咨詢國內(nèi)各保護(hù)廠家，通過近年來百萬機(jī)組勵(lì)磁變的運(yùn)行情況進(jìn)行總結(jié)分析，勵(lì)磁變配置差動(dòng)保護(hù)還是有一定的必要性。

（2）廣東近年投運(yùn)的大機(jī)組基本未配置勵(lì)磁變差動(dòng)保護(hù)，建議有條件（低壓側(cè)安裝有保護(hù)級(jí)CT）的電廠考慮增配差動(dòng)保護(hù)。

（3）對(duì)于未配差動(dòng)保護(hù)的勵(lì)磁變（包括低壓側(cè)未安裝CT的勵(lì)磁變），其速斷過流保護(hù)應(yīng)對(duì)勵(lì)磁變低壓側(cè)母線短路有靈敏度，速斷過流保護(hù)與勵(lì)磁柜熔斷器的電流及時(shí)間定值的配合進(jìn)一步優(yōu)化。

（4）過激磁保護(hù)應(yīng)改用線電壓接線，要求廠家及繼保人員進(jìn)行了保護(hù)升級(jí)工作，提高保護(hù)的可靠性。

（5）機(jī)端接地故障中性點(diǎn)電流較大，定子接地保護(hù)已校驗(yàn)電壓定值可躲高壓側(cè)短路，建議時(shí)間定值（0.5s）考慮適當(dāng)縮短（按規(guī)程最小可整0.3s）。

（6）原勵(lì)磁變溫控器測(cè)溫元件，僅用于就地的溫度顯示、啟動(dòng)風(fēng)機(jī)、報(bào)警以及起動(dòng)保護(hù)，無法實(shí)現(xiàn)干式勵(lì)磁變溫度的遠(yuǎn)方顯示，不利于運(yùn)行人員隨時(shí)監(jiān)視勵(lì)磁變溫度的運(yùn)行情況。勵(lì)磁變?nèi)嗬@組另外加裝一組測(cè)溫元件，DCS和勵(lì)磁變溫控器輸出的超溫報(bào)警信號(hào)都作為勵(lì)磁變超溫信號(hào)分別報(bào)警，以提醒運(yùn)行人員采取相應(yīng)的措施。并在勵(lì)磁變間加裝了獨(dú)立通風(fēng)系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

此次事故最初由勵(lì)磁變低壓線圈（中下部）對(duì)鐵心或屏蔽放電、導(dǎo)線出現(xiàn)毛刺、絕緣強(qiáng)度不夠等原因所引起，而最終由低壓側(cè)匝間短路擴(kuò)大到高壓側(cè)接地。通過對(duì)此事故的發(fā)展全程剖析，提出勵(lì)磁變?cè)雠洳顒?dòng)保護(hù)的建議，對(duì)勵(lì)磁變有聯(lián)系的發(fā)電機(jī)相關(guān)保護(hù)進(jìn)行了優(yōu)化，此外還勵(lì)磁變溫控進(jìn)行了升級(jí)改造。經(jīng)過多方面的改善，能夠有效的防止勵(lì)磁事故發(fā)生，發(fā)生事故更能降低事故損失，在勵(lì)磁系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行過程中起到了很好的效果。

［1］ 張陽輝，翁利國，方敏.關(guān)于特大型水電站勵(lì)磁變保護(hù)配置方案的探討［J］.浙江水利水電專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2013，（4）：21-23.

［2］ 王璐，周淵.干式勵(lì)磁變超溫保護(hù)的改進(jìn)［A］.全國發(fā)電機(jī)組技術(shù)協(xié)作會(huì).全國火電大機(jī)組（300MW級(jí)）競(jìng)賽第37屆年會(huì)論文集［C］.全國發(fā)電機(jī)組技術(shù)協(xié)作會(huì)，2008：3.

［3］ 郭建.勵(lì)磁變壓器事故分析與短路電流計(jì)算［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2002，（12）：74-76.

Analysis and countermeasure of the turn-to-turn short circuit between the turn of excitation variable

In this paper， an analysis is made on the inter turn short circuit fault in the excitation system of the self shunt excitation system of a power plant in Guangdong. Through the analysis of the excitation transformer structure and the related protective action in the accident process， put forward to prevent the expansion of the accident， improved opinion on reducing accident loss， to provide reference for the same type of excitation system.

Self shunt excitation； excitation variable； turn-to-turn short circuit； protect

TM57

A

1008-1151（2016）01-0044-03

2015-12-12

韓憲良（1981-），男，安徽滁州人，廣東省粵電靖海發(fā)電有限公司工程師，從事電廠電氣技術(shù)管理工作。