勵(lì)磁特性試驗(yàn)在電壓互感器故障診斷中的應(yīng)用

李憲棟，石月春，李 強(qiáng)，韓法玲

（1.黃河水利水電開發(fā)總公司，河南省濟(jì)源市 459017；2.長春工程學(xué)院，吉林省長春市 130012）

0 引言

電壓互感器（TV）是電力系統(tǒng)中重要的測量元件，電磁式電壓互感器在中低壓電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。近年來，由于電壓互感器故障造成的電力系統(tǒng)故障情況時(shí)有發(fā)生，其中包括多起發(fā)電機(jī)出口電壓互感器故障引發(fā)定子接地保護(hù)動(dòng)作的情況[1-6]。除明顯的電壓互感器損壞等嚴(yán)重故障外，由于電壓互感器繞組內(nèi)部絕緣或二次回路等原因造成的隱性故障[7-8]成為近年來關(guān)注的重點(diǎn)。這是因?yàn)檫@種隱性故障不僅在運(yùn)行中難以發(fā)現(xiàn)，在特殊情況下還以其他形式出現(xiàn)，增加了現(xiàn)場排查故障的難度。如何快速準(zhǔn)確判斷出電磁式電壓互感器的隱性故障就成為運(yùn)行人員關(guān)注的問題。

《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定，電磁式電壓互感器需要定期測量絕緣電阻和進(jìn)行交流絕緣耐壓試驗(yàn)。絕緣電阻測試對(duì)于發(fā)現(xiàn)貫穿性絕緣缺陷具有明顯的效果，但很難發(fā)現(xiàn)局部缺陷。交流耐壓試驗(yàn)可以更接近真實(shí)運(yùn)行情況的檢測設(shè)備狀態(tài)，但其破壞性往往被詬??；而且現(xiàn)場運(yùn)行單位往往受現(xiàn)場試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)環(huán)境的影響，很難進(jìn)行這類試驗(yàn)。文獻(xiàn)[9]表明，交流耐壓試驗(yàn)對(duì)于判斷電壓互感器內(nèi)部繞組隱性故障幫助不大。能否找到一種有效地使用常用的試驗(yàn)儀器設(shè)備就能進(jìn)行電磁式電壓互感器故障判斷的試驗(yàn)方法成為現(xiàn)場試驗(yàn)人員關(guān)注的問題。本文結(jié)合實(shí)際案例來對(duì)電磁式電壓互感器本體隱性故障的診斷方法進(jìn)行探討。

1 故障案例

1.1 系統(tǒng)接線

某廠1號(hào)機(jī)組采用單元接線，發(fā)電機(jī)定子額定電壓為18kV。發(fā)電機(jī)出口接有勵(lì)磁變壓器、4組機(jī)端電壓互感器和發(fā)電機(jī)出口斷路器。勵(lì)磁變壓器與發(fā)電機(jī)出口母線直接相連，機(jī)端電壓互感器通過高壓熔斷器與母線相連。1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)機(jī)端電壓互感器型號(hào)為JDZX1-20，4號(hào)機(jī)端電壓互感器型號(hào)為JDZX4-20。

1.2 故障情況及處理

2009年12月，1號(hào)機(jī)組運(yùn)行過程中報(bào)“1號(hào)機(jī)定子接地保護(hù)2段（100%）動(dòng)作，發(fā)變組保護(hù)80%定子接地和零序過電壓保護(hù)動(dòng)作”信號(hào)，機(jī)組停機(jī)。測量機(jī)組絕緣正常。分別測量勵(lì)磁變壓器和機(jī)端電壓互感器絕緣，絕緣電阻均滿足要求。投入機(jī)端電壓互感器進(jìn)行升壓試驗(yàn)，升壓過程中跳閘，機(jī)組電壓不能升高到額定值。分別順序投入機(jī)端電壓互感器升壓試驗(yàn)，當(dāng)投入發(fā)電機(jī)出口3號(hào)電壓互感器時(shí)，機(jī)組升壓失敗，最終確定為3號(hào)電壓互感器A相故障所致。

2011年3月，1號(hào)機(jī)組運(yùn)行過程中報(bào)“1號(hào)機(jī)定子接地保護(hù)2段（100%）動(dòng)作，機(jī)組停機(jī)。對(duì)機(jī)組進(jìn)行零起升壓，當(dāng)機(jī)組升至7000V電壓時(shí)，保護(hù)動(dòng)作跳出口斷路器。第二次機(jī)組升壓至4000V電壓后，保護(hù)動(dòng)作。將1號(hào)機(jī)組出口1號(hào)、3號(hào)機(jī)端電壓互感器投入，2號(hào)、4號(hào)電壓互感器退出，零起升壓，設(shè)備正常，升至額定電壓后穩(wěn)定運(yùn)行。將1號(hào)機(jī)組出口2號(hào)、4號(hào)電壓互感器投入，1號(hào)、3號(hào)機(jī)端電壓互感器退出，零起升壓，建壓失敗。通過對(duì)1號(hào)機(jī)組故障錄波分析，認(rèn)為2號(hào)電壓互感器 B相出現(xiàn)故障的可能性較大，故將3號(hào)電壓互感器C相更換至2號(hào)電壓互感器 B相，僅投入機(jī)組出口2號(hào)、4號(hào)電壓互感器經(jīng)零起升壓正常。最后確定為1號(hào)機(jī)組2號(hào)機(jī)端電壓互感器B相故障。

2 試驗(yàn)分析

該廠1號(hào)機(jī)組2002年初投運(yùn)，機(jī)組及附屬設(shè)備電壓互感器等電氣設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)定期進(jìn)行，檢修未發(fā)現(xiàn)異常和故障。故障出現(xiàn)時(shí)也沒有電力系統(tǒng)故障記錄。

事后對(duì)故障電壓互感器進(jìn)行了進(jìn)一步的試驗(yàn)檢查，試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比見表1。從表1中可以看出，電壓互感器的變比和繞組直流電阻未發(fā)現(xiàn)明顯的變化（一般認(rèn)為超過30%為明顯差異），直流電阻數(shù)值與正常TV的值比稍小，懷疑是電壓互感器內(nèi)部繞組故障。

參照電流互感器試驗(yàn)，對(duì)電壓互感器進(jìn)行勵(lì)磁特性測試，并與同類型的電壓互感器進(jìn)行了對(duì)比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

文獻(xiàn)[10]對(duì)電磁式電壓互感器的勵(lì)磁特性進(jìn)行了測試，試驗(yàn)結(jié)果表明，正常電壓互感器在額定電壓100V附近進(jìn)入飽和區(qū)，電壓的微小變化會(huì)引起勵(lì)磁電流的急劇增長，而在此之前的線性區(qū)域，電流隨電壓變化緩慢增長，總體上除拐點(diǎn)外基本成線性關(guān)系。1號(hào)機(jī)組3號(hào)A相電壓互感器勵(lì)磁特性測試中，當(dāng)施加電壓為1.5V時(shí)勵(lì)磁電流已經(jīng)達(dá)到20A跳閘，線性插值計(jì)算對(duì)應(yīng)施加電壓為1V時(shí)勵(lì)磁電流已經(jīng)達(dá)到13.33A，10V時(shí)電流計(jì)算為133.3A。1號(hào)機(jī)組2號(hào)電壓互感器B相電壓互感器勵(lì)磁特性測試中，電壓為1V時(shí)電流為1A，電壓為10V時(shí)電流為9.8A；線性插值計(jì)算對(duì)應(yīng)施加電壓為20V時(shí)勵(lì)磁電流已經(jīng)達(dá)到19.6A。而同類型正常電壓互感器在外加電壓為20V時(shí)電流僅為0.068A左右，施加額定電壓100V時(shí)的電流也僅為0.190A左右。從試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析看，兩臺(tái)電壓互感器的繞組的直流電阻變小，勵(lì)磁特性明顯改變，應(yīng)該是繞組內(nèi)部發(fā)生了匝間短路故障。

表1 電壓互感器診斷試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Diagnose test results of potential transformer

表2 電壓互感器勵(lì)磁特性試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Excitation characteristic test results of potential transformer

3 電壓互感器特性與發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)的關(guān)系

通過測量機(jī)端電壓互感器開口三角不平衡電壓來判斷發(fā)電機(jī)定子接地故障是常見的方法之一，此時(shí)的發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)定值應(yīng)高于正常運(yùn)行時(shí)由于三相電壓互感器勵(lì)磁特性差異造成的不平衡電壓。在發(fā)電機(jī)發(fā)生定子接地時(shí)機(jī)端三相電壓將出現(xiàn)較大的差別，此時(shí)在電壓互感器的開口三角出現(xiàn)較高的不平衡電壓，超過整定值即判斷為定子接地故障。本案例中的發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)就采用了此原理。

文獻(xiàn)[6]對(duì)發(fā)電機(jī)出口電壓互感器匝間短路故障引起定子接地保護(hù)動(dòng)作的機(jī)理進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了工程驗(yàn)證。發(fā)電機(jī)出口某相電壓互感器發(fā)生匝間短路故障時(shí)，該相對(duì)地等效阻抗變小，導(dǎo)致定子三相對(duì)地阻抗不平衡，會(huì)產(chǎn)生一定的機(jī)端零序電壓和中性點(diǎn)零序電壓，引起基波零序電壓定子接地保護(hù)動(dòng)作。

當(dāng)電壓互感器匝間短路等原因造成其特性變異時(shí)，發(fā)電機(jī)出口3臺(tái)電壓互感器特性不再相似，若差異超出了正常運(yùn)行時(shí)的允許范圍時(shí)，就會(huì)在電壓互感器的開口三角出現(xiàn)較高的不平衡電壓。這時(shí)與發(fā)電機(jī)定子接地故障情況類似，容易誤判為發(fā)電機(jī)定子接地。本文中的案例就是這樣的典型情況。兩次故障的情況非常相似，雖然是不同的電壓互感器導(dǎo)致的故障，但都是電壓互感器特性變異導(dǎo)致的不平衡電壓，引起了發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作。

4 電磁式電壓互感器隱性故障診斷方法探討

電磁式電壓互感器隱性故障包含二次回路和本體故障，本文側(cè)重于對(duì)互感器本體隱性故障的診斷。對(duì)于電磁式電壓互感器故障的診斷，應(yīng)先測量其絕緣電阻。絕緣電阻測量能發(fā)現(xiàn)較多的問題，但是在電壓互感器局部缺陷和隱性故障診斷方面有其局限性。如果絕緣正常，再進(jìn)行繞組變比、直流電阻測試，這些試驗(yàn)項(xiàng)目都不是例行試驗(yàn)中的項(xiàng)目。診斷故障常用的方法是與同一設(shè)備歷史數(shù)據(jù)對(duì)比或與相同類型設(shè)備試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，如果有較大差異，則認(rèn)為設(shè)備故障。

《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定，電磁式電壓互感器在必要時(shí)可進(jìn)行空載電流測試，可見測試電磁式電壓互感器空載電流是診斷其故障的一種方法。空載電流測試與勵(lì)磁特性測試方法類似，都是在電壓互感器一次側(cè)開路時(shí)，在電壓互感器的二次繞組側(cè)施加工頻電壓，同時(shí)測量回路的電壓和電流。不同的是，空載電流測試的是對(duì)應(yīng)額定電壓時(shí)的電流，且同時(shí)測量了空載損耗，電流表接線位置位于電壓表外側(cè)。勵(lì)磁特性一般是針對(duì)電流互感器的試驗(yàn)項(xiàng)目，主要是測量其勵(lì)磁特性，以確定是否滿足所在回路發(fā)生故障時(shí)能保證正確測量回路的電流，而不受互感器飽和的影響。電磁式電壓互感器國標(biāo)對(duì)互感器的試驗(yàn)要求是，對(duì)于設(shè)備最高電壓高于40.5kV的電壓互感器應(yīng)測量其勵(lì)磁特性，且規(guī)定其差異不應(yīng)超過30%，電壓互感器的勵(lì)磁特性試驗(yàn)中應(yīng)至少包括0.2、0.5、0.8、1.0和1.2倍額定電壓下的電流值。

在電磁式電壓互感器出現(xiàn)故障時(shí)，測量其空載電流已經(jīng)不具有現(xiàn)實(shí)意義了（如前面的案例中的情況），往往在施加較低電壓時(shí)，回路電流已經(jīng)出現(xiàn)較快較大的數(shù)值，造成控制回路跳閘[9]。針對(duì)勵(lì)磁特性試驗(yàn)中的0.2、0.5等較低倍數(shù)額定電壓下的電流值進(jìn)行對(duì)比就可以快速診斷出電壓互感器是否故障。

5 結(jié)束語

現(xiàn)場實(shí)踐表明，測量比較電磁式電壓互感器的勵(lì)磁特性是一種簡單易行且有效地電磁式電壓互感器本體隱性故障診斷方法。勵(lì)磁特性測試在互感器二次側(cè)進(jìn)行，試驗(yàn)電壓較低，試驗(yàn)儀器體積不大，便于攜帶，而且有成熟的用于測量電流互感器伏安特性的綜合型自動(dòng)測試儀器，現(xiàn)場實(shí)施起來更方便，更安全。與交流耐壓試驗(yàn)相比，勵(lì)磁特性測試無疑是一種現(xiàn)場更容易更合適采用的試驗(yàn)方法。在不具備條件進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)時(shí)，定期測量電磁式電壓互感器的勵(lì)磁特性對(duì)于發(fā)行其內(nèi)部隱性故障具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 呂景順，孫亞明，馬建海，等．發(fā)電機(jī)出口電壓互感器匝間故障引起機(jī)組定子接地保護(hù)動(dòng)作實(shí)例分析[J]．大電機(jī)技術(shù)，2009（9）：74-75．LV Jingshun，SUN Yaming，MA Jianhai，et al． Case study of the stator grounding protection act of the generator set caused by the inter-turn fault of the voltage transformer of generator outlet[J]． Large Electric Machine and Hydraulic Turbine，2009（9）：74-75．

[2] 張兵海，蘇艷賓，馬彥河，等．TV故障引起的發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作分析[J]．河北電力技術(shù)，2011，30（4）：5-6．ZHANG Binghai，SU Yanbin，MA Yanhe，et al． Analysis on generator stator earth fault protection by voltage transformer fault[J]． Hebei Electric Power，2011，30（4）：5-6．

[3] 劉寶華，楊洪亮，王福才．發(fā)電機(jī)出口TV匝間短路故障分析[J]．電站系統(tǒng)工程，2013，29（6）：53-54．LIU Baohua，YANG Hongliang，WANG Fucai． Generator outlet TV-turn fault analysis [J]．Power system Engineering，2013，29（6）： 53-54．

[4] 王昕，劉世富，王慶玉，等．電壓互感器二次短路引起發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作分析[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，37（6）：130-133．WANG Xin，LIU Shifu，WANG Qingyu，et al． Analysis on stator ground fault protection trip caused by ground fault in voltage transformer circuit [J]．Automation of Electric Power Systems，2013，37（6）：130-133

[5] 趙淼，趙文炎，高自偉，等．電壓互感器一次繞組匝間短路引起發(fā)電機(jī)運(yùn)行異常的分析及處理[J]．黑龍江電力，2014，36（2）：160-162．ZHAO Miao，ZHAO Wenyan，GAO Ziwei，et al．Analysis and treatment of the abnormality of generator caused by potential transformer primary winding between-turns short circuit [J]．Heilongjiang Electric Power，2014，36（2）：160-162．

[6] 陳俊，陳佳勝，張琦雪，等．發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓互感器匝間短路導(dǎo)致定子接地保護(hù)動(dòng)作分析[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2016，40（10）： 143-147．CHEN Jun，CHEN Jiasheng，ZHANG Qixue，et al． Operation Analysis of Stator Earth Protection Due to Voltage Transformer Inter-turn Short-circuit at Generator Terminal[J]．Automation of Electric Power Systems，2016，40（10）：143-147．

[7] 秦濤，張磊，王向東． 電壓互感器二次單相接地短路故障分析 [J]．電流系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（7）： 136-138．QIN Tao，ZHANG Lei，WANG Xiangdong． Analysis on secondary single phase grounding short circuit fault of voltage transformer[J]． Power system protection and control，2010，38（7）：136-138．

[8] 李斌，靳方超，李仲青，等．電壓回路中性線斷線的隱性故障識(shí)別及其影響[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（5）：179-186．LI Bin，JIN Fangchao，LI Zhongqin，et al． Hidden Failure Identification of Voltage Transformer Secondary Circuit and Uts Impact[J]． Proceedings of the CSEE，2013，33（5）：179-186．

[9] 郭曉艷． 一起由電壓互感器故障引起的母線接地故障的試驗(yàn)分析[J]．中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2015，7（2）：97．GUO Xiaoyan． Experiment analysis of bus earth induced by Potential transformer fault． China New technologies and products，2015，7（2）：97．

[10] 林莉，何月，王軍兵，等．中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)單相接地時(shí)電壓互感器損壞機(jī)理[J]．高電壓技術(shù)，2013，39（5）：1114-1120．LN Li，HE Yue，WANG Junbing，et al． Mechanism of potential transformer damaged in Ungrounded Neutral Power system[J]． High voltage Engineering，2013，39（5）：1114-1120．