發(fā)電機(jī)機(jī)端PT熔斷器慢熔引起斷線的故障檢測方法研究

胡 帥，馬 濤，周 勇

（國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院，烏魯木齊 830000）

0 引言

當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)端PT（電壓互感器）一次側(cè)和二次側(cè)出現(xiàn)斷線時(shí)，發(fā)電機(jī)-變壓器組（以下簡稱“發(fā)變組”）保護(hù)裝置的PT斷線判據(jù)應(yīng)能快速準(zhǔn)確地檢測到電壓回路異常并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)閉鎖相關(guān)發(fā)電機(jī)保護(hù)和自動(dòng)調(diào)壓裝置[1]。目前國內(nèi)發(fā)變組保護(hù)裝置關(guān)于PT斷線的檢測方法都是基于電壓回路完全斷線后的二次側(cè)電壓矢量狀態(tài)，電壓回路未完全斷開的熔斷器慢熔狀態(tài)未納入PT斷線的檢測范圍[2]。新疆近年來發(fā)生多起因熔斷器慢熔導(dǎo)致機(jī)組保護(hù)動(dòng)作而跳機(jī)的事故，給電網(wǎng)和發(fā)電企業(yè)均造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[3]。雖然目前處理不停機(jī)更換熔斷器的措施已十分完備，但設(shè)計(jì)包含熔斷器慢熔狀態(tài)檢測的PT斷線判據(jù)才是降低發(fā)電企業(yè)非計(jì)劃停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)的根本解決辦法。

慢熔是一次熔斷器熔絲熔斷后瞬間在斷口拉弧直至斷口擴(kuò)大至電弧完全斷開的過程。在此過程中，故障相電壓幅值略微下降，機(jī)端PT開口三角因故障相電壓波形畸變而出現(xiàn)零序電壓[4]。各保護(hù)裝置生產(chǎn)廠家對機(jī)端PT斷線的檢測方法多采用電壓平衡式原理。其中有代表性的判據(jù)如下：2組PT的相間電壓向量差大于5 V；2組PT正序電壓的差值大于3 V。根據(jù)文獻(xiàn)[5]對電壓回路電源側(cè)和負(fù)載側(cè)不同接線形式下發(fā)生PT斷線時(shí)的電壓矢量進(jìn)行分析，可發(fā)現(xiàn)基于電壓平衡式原理設(shè)計(jì)的判據(jù)涵蓋了PT完全斷線后所有的故障類型并滿足動(dòng)作條件。該判據(jù)可以對PT斷線后的情況進(jìn)行檢測，但對電壓回路未完全斷開的熔斷器慢熔狀態(tài)存在檢測靈敏度不足的問題，在文獻(xiàn)[2]中有相關(guān)事故案例的論述。

因此，需要設(shè)計(jì)一種包含熔斷器慢熔檢測的PT斷線判據(jù)。本文根據(jù)以往事故案例中發(fā)生熔斷器慢熔時(shí)發(fā)電機(jī)相關(guān)保護(hù)和勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置的反應(yīng)情況，提出了基于電壓平衡式原理檢測的PT斷線判據(jù)改進(jìn)措施。

1 發(fā)電機(jī)一次熔斷器慢熔特征量

以PT二次回路Y-Y接線時(shí)A相斷線為例，說明一次熔斷器慢熔時(shí)機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的反應(yīng)情況。故障時(shí)A相電壓短暫缺失，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器迅速增磁并切換電壓采集通道，此時(shí)勵(lì)磁電壓和B相、C相電壓因機(jī)組增磁向上突變。當(dāng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的機(jī)端電壓采集通道切換完成后，機(jī)組減磁并調(diào)節(jié)機(jī)端電壓至給定值，整個(gè)過程在0.5 s內(nèi)完成，故障錄波曲線如圖1所示。在慢熔期間，事故相電壓幅值因電弧阻抗略微下降[6]，機(jī)端PT開口三角出現(xiàn)二次諧波分量較大的零序電壓。

圖1 事故機(jī)組故障錄波

整個(gè)過程中一次熔斷器的電流和溫度是決定熔絲壽命的關(guān)鍵，勵(lì)磁電壓突變量和機(jī)端零序電壓增大是機(jī)組反應(yīng)的顯著特征，因此一次熔斷器狀態(tài)、勵(lì)磁電壓和機(jī)端零序電壓是熔斷器慢熔時(shí)PT斷線檢測的重要信息，檢測原理如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后判據(jù)的檢測原理

2 一次熔斷器慢熔檢測判據(jù)

2.1 一次熔斷器電流

發(fā)電機(jī)機(jī)端PT一次熔斷器的安秒特性決定著其對高壓電氣設(shè)備的保護(hù)能力[7]。在機(jī)組運(yùn)行時(shí)環(huán)境溫度對熔斷器最小熔斷電流的影響被忽略，流過熔體的電流為判斷熔斷器狀態(tài)的唯一參量。熔斷電流與熔斷時(shí)間的關(guān)系見表1，其中Ie為熔斷器額定電流[8]。

表1 熔斷電流與熔斷時(shí)間的關(guān)系

在熔斷器電流超過閾值且未發(fā)生慢熔時(shí)，運(yùn)行人員可以在1 h內(nèi)完成在線更換熔斷器的作業(yè)程序。因此，將1.6Ie設(shè)定為熔斷器電流的預(yù)警值較為合適。

當(dāng)電流I≥1.6Ie時(shí)，一次熔斷器電流啟動(dòng)元件置1并保持；當(dāng)電流I<1.6Ie時(shí)，一次熔斷器電流啟動(dòng)元件置0。

2.2 機(jī)端零序電壓

在熔斷器斷口燃弧過程中，因斷口電容值變化和雜散電感的影響[9]，慢熔所在相二次電壓波形出現(xiàn)畸變。雖然發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障和PT完全斷線均可導(dǎo)致機(jī)端PT開口三角出現(xiàn)零序電壓[10-11]，但只有因熔斷器慢熔所引起的零序電壓基波及其二次諧波電壓含有率會(huì)顯著增大。因此，可以將發(fā)電機(jī)零序電壓基波分量和零序電壓二次諧波電壓含有率作為啟動(dòng)元件的邏輯判別條件。本文以熔斷器慢熔時(shí)機(jī)組故障錄波的實(shí)測數(shù)據(jù)作為研究同時(shí)刻機(jī)端零序電壓變化量的依據(jù)，事故機(jī)組的機(jī)端PT開口三角零序電壓各諧波分量含有率如表2所示。

表2 機(jī)端PT開口三角電壓諧波分量

由表2可知，3次事故中機(jī)端PT開口三角均出現(xiàn)零序電壓且含有較高的諧波分量。鑒于零序電壓基波分量及其二次諧波電壓含有率在事故前后故障特征明顯且便于量化分析[12]，可取零序電壓基波分量及其二次諧波電壓含有率作為故障判別的特征量。考慮到機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)三相電壓不平衡的因素，機(jī)端PT開口三角的零序電壓值（UL）可根據(jù)實(shí)測而定，在無實(shí)測值時(shí)，DL/T 684-2012建議可取1.5～3 V[14]。由表2同時(shí)也可發(fā)現(xiàn)，熔斷器慢熔時(shí)零序電壓的二次諧波電壓（U2）含有率均遠(yuǎn)大于GB/T 14549-1993中所規(guī)定的2%[13]?？紤]到對故障特征量判別的準(zhǔn)確性，將零序電壓二次諧波電壓含有率的啟動(dòng)值設(shè)定為20%。

2.3 勵(lì)磁電壓

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器在熔斷器慢熔時(shí)因機(jī)端電壓暫時(shí)缺失而迅速增磁并切換電壓采集通道，在此過程中勵(lì)磁電壓存在數(shù)值突變。通過手動(dòng)斷開勵(lì)磁調(diào)節(jié)器當(dāng)前電壓采集通道的二次側(cè)單相電壓來模擬熔斷器慢熔時(shí)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置的自動(dòng)調(diào)節(jié)情況，機(jī)端電壓和勵(lì)磁電壓波形見圖3。

圖3 機(jī)端電壓和勵(lì)磁電壓波形示意

勵(lì)磁電壓突變量啟動(dòng)繼電器動(dòng)作判據(jù)：

式中： Ufd（t）為當(dāng)前采樣點(diǎn)；為當(dāng)前采樣點(diǎn)0.5個(gè)周期前的采樣點(diǎn)；Ufd（t-3T）為當(dāng)前采樣點(diǎn)3個(gè)周期前的采樣點(diǎn)。

由圖3可知，勵(lì)磁電壓上升和下降階段共計(jì)3個(gè)周期，因此，可認(rèn)為當(dāng)前采樣點(diǎn)3個(gè)周期前的采樣點(diǎn)是勵(lì)磁電壓突變前的正常勵(lì)磁電壓狀態(tài)值。

設(shè)1個(gè)工頻周期有24個(gè)采樣點(diǎn)，當(dāng)前采樣點(diǎn)和往前12個(gè)點(diǎn)數(shù)值差的絕對值可認(rèn)定為勵(lì)磁電壓突變量啟動(dòng)值。若檢測到某一采樣點(diǎn)對應(yīng)的突變量啟動(dòng)值大于當(dāng)前采樣點(diǎn)3個(gè)周期前的勵(lì)磁電壓數(shù)值，則認(rèn)為勵(lì)磁電壓存在突變，啟動(dòng)元件動(dòng)作。

3 判據(jù)的實(shí)現(xiàn)

在熔斷器慢熔初期，當(dāng)流過熔斷器的電流達(dá)到1.6Ie時(shí)，8098處理器輸出高電平，并通過放大器電路啟動(dòng)出口繼電器向發(fā)變組保護(hù)裝置開入熔斷器電流超量程信號(hào)，如圖2所示。若AVR（勵(lì)磁調(diào)節(jié)器）在此后某一時(shí)刻檢測到勵(lì)磁電壓存在突變，則向發(fā)變組保護(hù)裝置開入勵(lì)磁電壓異常信號(hào)并保持1 h。發(fā)變組保護(hù)裝置對機(jī)端PT開口三角零序電壓進(jìn)行采樣，并通過傅氏算法對零序電壓進(jìn)行二次諧波電壓分析[15]，當(dāng)零序電壓基波分量及其二次諧波電壓含有率均超過定值時(shí)啟動(dòng)元件置1。以上條件均滿足時(shí)保護(hù)動(dòng)作并出口PT斷線信號(hào)。

在任意一相熔斷器徹底熔斷或者電壓二次回路完全開路時(shí)，2組PT相間電壓向量差的模值大于5 V，正序電壓差值大于 3 V[5]，滿足判別條件，保護(hù)動(dòng)作并出口PT斷線信號(hào)。改進(jìn)后的PT斷線判據(jù)邏輯如圖4所示。

圖4 PT斷線新判據(jù)邏輯

4 對改進(jìn)后判據(jù)的分析

（1）熔斷器慢熔時(shí)能可靠動(dòng)作并出口信號(hào)。在慢熔初期熔斷電流滿足啟動(dòng)元件的前提下，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器檢測到勵(lì)磁電壓突變量后向發(fā)變組保護(hù)裝置開入信號(hào)并保持。在此期間，機(jī)端PT開口三角一旦檢測到機(jī)端PT開口三角零序電壓基波分量及其二次諧波電壓含有率超標(biāo)，則保護(hù)裝置動(dòng)作并出口PT斷線信號(hào)。

（2）電壓回路完全斷線時(shí)能可靠動(dòng)作并出口信號(hào)。當(dāng)發(fā)電機(jī)第二組PT一次側(cè)或者二次側(cè)A相完全斷線時(shí)，2組PT利用電壓平衡式原理所產(chǎn)生的二次電壓矢量比較如圖5所示。

圖5 機(jī)端電壓矢量圖

由圖5可知，當(dāng)2PT的A相發(fā)生斷線時(shí)Ua=0 V， Uab=-Ub，， Ux=57.74 V。 可見該判據(jù)滿足PT一、二次側(cè)斷線檢測的要求。

（3）機(jī)組正常增減磁時(shí)能可靠不動(dòng)作。在正常自動(dòng)增減磁時(shí)，勵(lì)磁電壓的每個(gè)采樣周期中勵(lì)磁電壓變化值約為2.81 V。在勵(lì)磁電壓突變時(shí)，每個(gè)采樣周期勵(lì)磁電壓變化值約為884.62 V。由此可見，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器可以正確區(qū)分勵(lì)磁突變量和正常增減磁，避免保護(hù)誤動(dòng)。

（4）能區(qū)分系統(tǒng)故障和PT斷線情況。當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)端發(fā)生單相接地或相間短路時(shí)，機(jī)端2組正常的PT所感受的二次電壓完全相同。針對常規(guī)PT斷線的判據(jù)，其所對應(yīng)的線電壓和正序電壓幅值變化相同，兩參量之差為零，不會(huì)誤發(fā)PT斷線信號(hào)；針對熔斷器慢熔檢測的判據(jù)，其熔斷器電流在機(jī)組故障時(shí)不會(huì)達(dá)到預(yù)警值，因此也不會(huì)誤發(fā)PT斷線信號(hào)?？梢娫撆袚?jù)可以正確區(qū)分系統(tǒng)故障和PT斷線情況。

5 結(jié)語

本文對基于電壓平衡式原理的PT斷線判據(jù)提出了一系列的改進(jìn)措施，分析了發(fā)電機(jī)PT斷線前期熔斷器慢熔時(shí)勵(lì)磁電壓和機(jī)端電壓的特點(diǎn)，提出了基于熔斷器電流、勵(lì)磁電壓突變量、零序電壓基波分量及其二次諧波電壓含有率為故障特征量檢測的PT斷線新判據(jù)，該判據(jù)在原有判據(jù)的基礎(chǔ)上解決了機(jī)端PT一次熔斷器慢熔無法被即時(shí)檢測的缺陷。