基于零序電壓階梯式增加引起發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作故障分析

文聆安，林永源，熊華兵

（1.廣東粵電大亞灣綜合能源有限公司，廣東 惠州 516000；2.廣東惠州平海發(fā)電廠有限公司，廣東 惠州 516000）

0 引言

利用零序電壓構(gòu)成的發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地保護(hù)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)90%定子接地保護(hù)），可以反映α＞15%（α表示由中性點(diǎn)到故障點(diǎn)的匝數(shù)占全部繞組匝數(shù)的百分比）范圍內(nèi)的單相接地故障[1-2]，故障點(diǎn)越接近于發(fā)電機(jī)出線端，保護(hù)的靈敏度越高[3-4]，保護(hù)范圍包括與發(fā)電機(jī)直接相連的發(fā)電機(jī)封閉母線、勵(lì)磁變壓器、發(fā)電機(jī)出口斷路器、主變壓器低壓側(cè)的單相接地等故障[5-6]。

本文以某電廠2號(hào)發(fā)電機(jī)出口斷路器內(nèi)發(fā)電機(jī)側(cè)電容器漏油引起的90%定子接地保護(hù)動(dòng)作為例，分析了電容器漏油的原因及電氣量的變化特征，并對(duì)電容單元在少油條件下帶電運(yùn)行，發(fā)生電容器短路擊穿故障的表現(xiàn)形式進(jìn)行分析。

1 設(shè)備概況

1.1 發(fā)電機(jī)及其保護(hù)配置

該電廠2號(hào)發(fā)電機(jī)為上海汽輪發(fā)電機(jī)廠生產(chǎn)的水-氫-氫冷、隱極式、三相同步汽輪發(fā)電機(jī)，型號(hào)為T(mén)HDF-125/67，額定功率為1000 MW，額定電壓為27 kV，配套西門(mén)子THYRIPOL靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)配電變壓器二次側(cè)電阻接地，接地變壓器容量50 kVA，二次側(cè)電阻0.13Ω，一次側(cè)電壓27 kV，二次側(cè)電壓240 V，帶有100 V抽頭。

發(fā)變組保護(hù)為雙重化配置，兩套保護(hù)裝置全部為美國(guó)通用電氣公司原裝進(jìn)口，發(fā)變組保護(hù)配置如圖1所示。其中，發(fā)電機(jī)90%定子接地保護(hù)取自中性點(diǎn)接地變壓器TV0基波零序電壓，整定值為13.86 V，延時(shí)0.5 s，動(dòng)作于跳閘；主變壓器低壓側(cè)接地保護(hù)取自出口斷路器內(nèi)TV4開(kāi)口三角電壓，整定值為5 V，延時(shí)2 s，動(dòng)作于信號(hào)；DCS采集的發(fā)電機(jī)零序電壓3U0數(shù)據(jù)取自發(fā)電機(jī)機(jī)端TV1開(kāi)口三角電壓。

圖1 發(fā)變組保護(hù)配置

1.2 出口斷路器

發(fā)電機(jī)出口斷路器型號(hào)為HEC8A，由ABB公司生產(chǎn)制造，額定電壓為30 kV、額定電流為28 000 A、額定分?jǐn)嚯娏鳛?60 kA。出口斷路器發(fā)電機(jī)側(cè)電容器型號(hào)為BIORIPHASO/TF AT/S 0.132/36/C，由意大利ICAR公司制造，額定電容CN=0.132μF，額定電壓UN=36 kV，用于限制斷路器分?jǐn)鄷r(shí)的暫態(tài)恢復(fù)過(guò)電壓[7]。

該電廠2號(hào)機(jī)組自2011年投運(yùn)至今，共發(fā)生過(guò)兩起發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)動(dòng)作觸發(fā)的機(jī)組跳閘事件，且兩起故障位置都在發(fā)電機(jī)出口斷路器內(nèi)部，分別為T(mén)V4內(nèi)部短路和發(fā)電機(jī)側(cè)電容器漏油。以下就發(fā)電機(jī)側(cè)電容器漏油引起的90%定子接地保護(hù)動(dòng)作進(jìn)行分析。

2 故障過(guò)程

2021-03-11T23：56：01，DCS監(jiān)控顯示2號(hào)發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電壓出現(xiàn)異常，此時(shí)，2號(hào)機(jī)組帶有功負(fù)荷822 MW，發(fā)電機(jī)氫、油、水系統(tǒng)運(yùn)行正常。初步判斷發(fā)電機(jī)本體或與之相連接的電氣設(shè)備存在故障。申請(qǐng)退出2號(hào)機(jī)組AGC，對(duì)機(jī)組降負(fù)荷處理，并做好停機(jī)準(zhǔn)備。

2021-03-12T00：21：46，2號(hào)機(jī)組故障錄波器報(bào)主變壓器低壓側(cè)零序電壓（TV4）突變量啟動(dòng)；00：57：36，2號(hào)發(fā)變組保護(hù)C屏T60-1（主變壓器保護(hù)1）和D屏T60-2（主變壓器保護(hù)2）同時(shí)報(bào)低壓側(cè)接地動(dòng)作告警；01：19：37，2號(hào)機(jī)組故障錄波器報(bào)2號(hào)發(fā)電機(jī)W相電壓突變量啟動(dòng)；01：28：04，機(jī)組有功負(fù)荷670 MW，2號(hào)發(fā)變組保護(hù)A屏G60-1（發(fā)電機(jī)保護(hù)1）和B屏G60-2（發(fā)電機(jī)保護(hù)2）90%定子接地保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)2號(hào)發(fā)電機(jī)出口斷路器，2號(hào)機(jī)組解列。上述4個(gè)時(shí)間點(diǎn)的電壓數(shù)據(jù)如表1所示。

DCS監(jiān)控顯示2號(hào)發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電壓自23：56：01開(kāi)始呈階梯式增加趨勢(shì)，每一個(gè)階梯平臺(tái)量值保持時(shí)間為7~10 min，直到90%定子接地保護(hù)動(dòng)作出口跳閘，整個(gè)過(guò)程大約持續(xù)1.5 h，過(guò)程趨勢(shì)如圖2所示。

圖2 2號(hào)發(fā)電機(jī)零序電壓和負(fù)荷趨勢(shì)圖

3 故障點(diǎn)排查及措施

3.1 出口斷路器外側(cè)故障

出口斷路器跳開(kāi)后，主變壓器低壓側(cè)零序電壓降至正常范圍（58 V左右），相位相差120°，由此判斷故障點(diǎn)不在出口斷路器外側(cè)。

3.2 發(fā)電機(jī)定子繞組絕緣擊穿

發(fā)電機(jī)定子繞組出現(xiàn)絕緣擊穿性接地故障時(shí)，故障相電壓會(huì)大幅度降低甚至接近于0[8-9]，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地，非故障線電壓會(huì)升高至額定電壓的 3倍[1-4]。從表1數(shù)據(jù)可以看出，本次故障中三相電壓始終維持在50 V以上，電壓值也明顯低于UN。斷開(kāi)中性點(diǎn)接地變壓器隔離開(kāi)關(guān)，拉出機(jī)端TV，對(duì)發(fā)電機(jī)及與之相連接的出口斷路器和勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)進(jìn)行了整體絕緣電阻測(cè)試，結(jié)果為：在15 s和60 s時(shí)絕緣值分別為223 MΩ和690 MΩ，絕緣值和吸收比合格[10]，因此，基本排除發(fā)電機(jī)定子繞組存在絕緣擊穿的可能。

表1 不同時(shí)刻電壓數(shù)據(jù) V

3.3 發(fā)電機(jī)和出口斷路器內(nèi)部檢查及應(yīng)對(duì)措施

對(duì)發(fā)電機(jī)及出線小室、出線套管與主封母線連接室內(nèi)部進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。對(duì)出口斷路器內(nèi)部進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)出口斷路器V相發(fā)電機(jī)側(cè)電容器出線套管傘裙上存在明顯積油現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 電容器出線套管積油

該電容器倒立安裝在出口斷路器外殼的內(nèi)壁上，電容器為全密封設(shè)備，由出線瓷套管和金屬油箱組成，電容單元集中布置在油箱內(nèi)。出線套管根部與金屬油箱連接處采用錫焊工藝，電容器通過(guò)出線套管末端電纜連接至出口斷路器主回路。

圖3中套管傘裙上的積油顏色已呈黑褐色，據(jù)此判斷電容器內(nèi)部存在放電現(xiàn)象，因此對(duì)U、V、W三相電容器進(jìn)行了更換。在機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中，發(fā)電機(jī)采用零起升壓，升壓及并網(wǎng)全過(guò)程各項(xiàng)數(shù)據(jù)無(wú)異常；在低負(fù)荷階段穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間，檢查各相電氣量無(wú)異常情況后，投入機(jī)組AGC。

4 故障原因分析

4.1 電容器漏油

拆下電容器進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)某出線套管根部與電容器金屬油箱連接處存在裂紋，如圖4所示，圖中標(biāo)記位置為裂紋區(qū)。

圖4 根部裂紋

文獻(xiàn)[11]指出，該型號(hào)電容器出線瓷套管根部與電容器油箱連接，密封處錫焊厚度為3.2 mm，在出線套管端部施加43 N的拉應(yīng)力會(huì)使焊接處產(chǎn)生形變，而在出口斷路器分、合時(shí)引起的正常振動(dòng)對(duì)瓷套管的拉力接近137 N，在長(zhǎng)時(shí)間間斷性開(kāi)關(guān)分、合振動(dòng)外力作用下，可造成焊縫處疲勞開(kāi)裂。對(duì)此，將焊縫厚度增加至8 mm，使其能夠承受410 N的外部拉力，從而成功解決了焊縫開(kāi)裂漏油的問(wèn)題。

4.2 零序電壓升高

電容器滲、漏油，一是因絕緣油液面下降造成絕緣水平降低，二是因內(nèi)部壓力降低引起外部潮氣侵入，最終都可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部電容元件被擊穿放電[12-13]。

發(fā)電機(jī)出口斷路器內(nèi)的電容器一般采用內(nèi)部多電容單元串聯(lián)方式，缺陷發(fā)生后的整體電容值會(huì)增大，與零序電壓的變化關(guān)系見(jiàn)公式（1）[14]：式中：CΣ0為發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的三相對(duì)地總電容；CΔ為電容器缺陷后對(duì)地電容變化量；Rn為發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地電阻；ω為角速度。

根據(jù)公式（1），當(dāng)出口電容器缺陷后CΔ增大時(shí)，發(fā)電機(jī)零序電壓U0會(huì)隨之增大。當(dāng)U0數(shù)值達(dá)到90%定子接地保護(hù)整定值時(shí)，就會(huì)觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作。

4.3 零序電壓階梯式增加

DCS采集的發(fā)電機(jī)零序電壓3U0取自集控樓電子設(shè)備間變送器屏，電壓源引自圖1中TV1開(kāi)口三角電壓，電壓變送器型號(hào)為FPV-V1-F1-PD1-03，該變送器為平均值轉(zhuǎn)換、有效值標(biāo)定。

電容器漏油時(shí)，因其絕緣水平降低，引起部分電容元件首先發(fā)生擊穿，一方面，引起該電容器的電容值增大，容抗值減?。涣硪环矫?，造成電容器內(nèi)部正常的電容元件承受更高的電壓，在運(yùn)行一段時(shí)間后，也相繼發(fā)生擊穿故障。電容單元的電容量變化率k1與電容元件擊穿數(shù)量ΔN的關(guān)系為[15]：

式中：N為電容元件數(shù)量。

根據(jù)公式（1）和公式（2），在故障發(fā)展過(guò)程中，電容單元相繼逐個(gè)擊穿，表現(xiàn)為零序電壓呈階梯式增加趨勢(shì)。

5 結(jié)論及建議

由以上分析可知，出口斷路器內(nèi)電容器油箱漏油會(huì)導(dǎo)致電容單元擊穿，從而觸發(fā)發(fā)電機(jī)90%定子接地保護(hù)動(dòng)作；機(jī)端零序電壓呈現(xiàn)階梯式增加趨勢(shì)，是電容元件逐個(gè)擊穿的電氣量反應(yīng)，也是區(qū)別于其他故障類(lèi)型的最明顯特征。當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電壓出現(xiàn)階梯式增加時(shí)，應(yīng)及時(shí)停機(jī)檢查，避免事故擴(kuò)大（如電容器爆炸）和機(jī)組突然跳閘對(duì)系統(tǒng)造成沖擊。

發(fā)電機(jī)出口斷路器內(nèi)電容器，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中，存在裂紋、漏油、電擊穿等風(fēng)險(xiǎn)，建議對(duì)電容器開(kāi)展定期檢查，重點(diǎn)檢查出線套管與油箱焊縫位置，有條件可進(jìn)行加焊強(qiáng)化處理。同時(shí)，為了避免電容運(yùn)行老化發(fā)生故障，建議根據(jù)運(yùn)行周期，對(duì)電容器進(jìn)行定期更換。