一起勵(lì)磁變壓器短路故障分析及啟示

徐靈江，李華忠，陳 俊，王 光，徐 金，陳佳勝

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，浙江省杭州市 310007；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇省南京市 211102）

0 引言

勵(lì)磁變壓器[1]是大中型發(fā)電機(jī)組不可或缺的重要設(shè)備，由于勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)接三相整流橋[2-3]，高、低壓側(cè)電流波形呈階梯波，含有豐富的高次諧波，且諧波分量隨著發(fā)電機(jī)負(fù)荷的不同而變化，勵(lì)磁變壓器差動(dòng)不平衡電流較一般變壓器大[4-6]，所以對(duì)于是否配置差動(dòng)保護(hù)存在爭(zhēng)議[7-8]。根據(jù)文獻(xiàn)[9]第4.2.23節(jié)規(guī)定，勵(lì)磁變壓器宜采用電流速斷保護(hù)作為主保護(hù)，過流保護(hù)作為后備保護(hù)。因此，勵(lì)磁變壓器保護(hù)主流采用電流速斷+過流保護(hù)方案，而不采用勵(lì)磁變壓器差動(dòng)+過流保護(hù)方案。

本文分析一起勵(lì)磁變壓器內(nèi)部短路故障案例，因故障點(diǎn)發(fā)生在勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)，電流速斷保護(hù)靈敏度低而無法快速切除故障，故障持續(xù)擴(kuò)大，最終導(dǎo)致設(shè)備燒毀，損失嚴(yán)重。勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)具有多年成熟運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，能有效區(qū)分區(qū)內(nèi)與區(qū)外短路故障，啟動(dòng)電流門檻定值可設(shè)置為（0.3～0.8）倍額定電流，能大大提高勵(lì)磁變壓器內(nèi)部短路故障檢測(cè)靈敏度，尤其對(duì)于勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)短路故障，其靈敏度明顯高于電流速斷保護(hù)。而對(duì)于高次諧波分量影響，只要采用合適的軟、硬件濾波環(huán)節(jié)，合理整定差動(dòng)保護(hù)定值，勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)即可取得良好運(yùn)行效果。

1 保護(hù)動(dòng)作情況概述

國(guó)內(nèi)某大型電廠660MW機(jī)組采用自并勵(lì)勵(lì)磁方式，勵(lì)磁變壓器容量7.2MW，高壓側(cè)額定電壓20kV，短路電壓百分比XT=8%，Yd11接線。保護(hù)裝置采用NR公司RCS-985發(fā)電機(jī)勵(lì)磁變壓器保護(hù)，實(shí)現(xiàn)雙重化保護(hù)配置。

2017年5月6日18 時(shí)17分45秒099毫秒，該電廠3號(hào)機(jī)組A套R(shí)CS-985勵(lì)磁變壓器保護(hù)啟動(dòng)，5ms定子接地啟動(dòng)，20ms勵(lì)磁變壓器比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，72ms發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)，76ms失磁失步保護(hù)啟動(dòng)，79ms發(fā)電機(jī)后備保護(hù)啟動(dòng)，82ms發(fā)電機(jī)比率差動(dòng)動(dòng)作，84ms勵(lì)磁變差動(dòng)速斷動(dòng)作，85ms發(fā)電機(jī)差動(dòng)速斷動(dòng)作，98ms發(fā)電機(jī)工頻變化量差動(dòng)動(dòng)作，123ms發(fā)電機(jī)機(jī)端斷路器跳開、滅磁，機(jī)組停機(jī)。B套保護(hù)裝置動(dòng)作情況基本與A套保護(hù)一致。圖1為A套保護(hù)動(dòng)作和變位報(bào)告。

圖1 保護(hù)動(dòng)作和變位報(bào)告Figure 1 The disturb records and IO events of protection

2 機(jī)組保護(hù)裝置錄波數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)以A套保護(hù)裝置錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)故障報(bào)告時(shí)序，查看勵(lì)磁變差動(dòng)電流波形，如圖2所示。

圖2 勵(lì)磁變壓器差動(dòng)電流波形及有效值（Ie1表示勵(lì)磁變壓器二次額定電流）Figure 2 The waveform and effective value of differential current of excitation transformer

t=29ms時(shí)，勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)檢測(cè)到差動(dòng)電流，t=40ms時(shí)，勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)，最大相差流有效值達(dá)1.60Ie1。由于本勵(lì)磁變壓器為非直接接地系統(tǒng)，勵(lì)磁變壓器A、B相均出現(xiàn)較大差動(dòng)電流，說明勵(lì)磁變壓器內(nèi)部發(fā)生了相間短路故障。t=60ms時(shí)，勵(lì)磁變壓器比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。觀察C相，t<110ms時(shí)沒有出現(xiàn)差流，t≥110ms后出現(xiàn)差動(dòng)電流，最大值甚至達(dá)20Ie1，說明勵(lì)磁變壓器兩相短路故障擴(kuò)大為三相短路。根據(jù)保護(hù)裝置變位報(bào)告，勵(lì)磁變壓器保護(hù)啟動(dòng)至發(fā)電機(jī)停機(jī)，前后持續(xù)123ms，檢查勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)定值，如表1所示。

表1 勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)相關(guān)定值單Table 1 The settings of excitation differential protection

差動(dòng)保護(hù)跳閘控制字為0041（H），H表示十六進(jìn)制，Bit0為跳閘使能，Bit6為動(dòng)作于信號(hào)，故無法動(dòng)作于機(jī)組全停與切除故障，導(dǎo)致故障持續(xù)擴(kuò)大。

勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)后5ms，發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)啟動(dòng)，查看發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓和中性點(diǎn)零序電壓波形，如圖3所示。

圖3 發(fā)電機(jī)機(jī)端三相電壓和零序電壓原始波形及有效值Figure 3 The waveform and effective value of generator terminal three-phase voltage and neutral point zero sequence voltage

如圖3所示，t=45ms時(shí)，定子保護(hù)啟動(dòng)，發(fā)電機(jī)機(jī)端B相電壓降低至32V，A相、C相電壓分別升高至71V和86V，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)零序電壓升高至72V，說明發(fā)電機(jī)機(jī)端B相發(fā)生接地故障，絕緣發(fā)生下降。

隨后發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)，查看發(fā)電機(jī)差動(dòng)電流波形，如圖4所示。

圖4 發(fā)電機(jī)差動(dòng)電流波形及有效值（Ie2表示發(fā)電機(jī)二次額定電流）Figure 4 The differential current waveform and effective value of generator

t<110ms時(shí)，發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)三相差流幾乎接近0A，t≥110ms后，發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)三相均出現(xiàn)差流，其中最大值超過10Ie2，結(jié)合圖3機(jī)端電壓波形，說明故障由單相接地故障擴(kuò)大為三相短路故障。最終由發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作停機(jī)，切除故障，故障前后持續(xù)時(shí)間123ms。

本機(jī)組配置了勵(lì)磁變壓器電流速斷保護(hù)作為主保護(hù)，但未快速動(dòng)作。查看勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)電流波形和保護(hù)定值，如圖5與表2所示。

圖5 勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)三相電流波形及有效值Figure 5 The waveform and effective value of high voltage side three-phase current of excitation transformer

表2 勵(lì)磁電流保護(hù)定值單Table 2 The settings of excitation current protection

t=40ms時(shí)，勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)，勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)最大相電流（B相）為7.6A，未達(dá)到電流速斷和過流保護(hù)定值，保護(hù)均無法啟動(dòng)；當(dāng)t=50ms時(shí)，B相電流增大至12A，勵(lì)磁變壓器過流保護(hù)啟動(dòng)；至t=130ms時(shí)，高壓側(cè)最大相電流（C相）臨近56A，但由于故障電流很快降低，所以電流速斷保護(hù)無法完成啟動(dòng)和動(dòng)作。因此，電流速斷保護(hù)針對(duì)本次高壓側(cè)三相短路故障的靈敏度也是不夠的。雖然勵(lì)磁變壓器過流保護(hù)已經(jīng)啟動(dòng)，但由于時(shí)間定值為0.50s，所以無法快速切除故障。

3 故障排查及改進(jìn)

3.1 故障初步定位

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)配置圖，發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)范圍包含了勵(lì)磁變壓器與發(fā)電機(jī)，而勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)范圍僅包含勵(lì)磁變壓器。短路故障初期，勵(lì)磁變壓器差動(dòng)A、B相出現(xiàn)較大差流，而發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)卻無差流，說明勵(lì)磁變壓器內(nèi)部發(fā)生短路故障，且故障點(diǎn)在發(fā)生在勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)。這是由于勵(lì)磁變壓器容量小、短路阻抗大，所以發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)無法反應(yīng)。

結(jié)合上述事故過程分析，時(shí)標(biāo)t=29ms時(shí)勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)發(fā)生相間短路故障，t=35ms時(shí)故障發(fā)展至勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)B相發(fā)生單相接地故障，t=110ms時(shí)故障擴(kuò)大為高壓側(cè)三相短路故障，最后由發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)停機(jī)。

3.2 故障排查

機(jī)組停機(jī)后，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員及時(shí)進(jìn)行故障排查及檢修。經(jīng)仔細(xì)檢查，該勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)B相發(fā)生燒毀現(xiàn)象，勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)與發(fā)電機(jī)機(jī)端銅排的三相軟連接已經(jīng)熔斷。對(duì)燒毀的勵(lì)磁變壓器壓器進(jìn)行解剖和分析，該勵(lì)磁變壓器為高、低壓側(cè)同心式變壓器，高壓側(cè)B相對(duì)地絕緣接近0Ω，低壓側(cè)A、B相間發(fā)生短路。

3.3 改進(jìn)建議

由于勵(lì)磁變壓器電流速斷保護(hù)電流定值按躲過低壓側(cè)三相短路條件整定，對(duì)低壓側(cè)內(nèi)部繞組相間短路故障反應(yīng)靈敏度不高，如本次短路故障。而勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)采用勵(lì)磁變壓器高、低壓側(cè)電流計(jì)算，啟動(dòng)電流定值可整定為（0.3～0.8）倍的額定電流，具有很高的靈敏度。以該電廠勵(lì)磁變壓器及保護(hù)定值為例，計(jì)算勵(lì)磁變壓器變斜率比率差動(dòng)保護(hù)靈敏系數(shù)。參照DL/T 684-2012導(dǎo)則，按勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)繞組引出端兩相金屬性短路，靈敏系數(shù)大于2校驗(yàn)。

視系統(tǒng)為無窮大電源，且根據(jù)勵(lì)磁變壓器參數(shù)及保護(hù)裝置說明書，計(jì)算短路電流為：

計(jì)算制動(dòng)電流為：

計(jì)算動(dòng)作電流為：

其中，n取6；

所以計(jì)算靈敏系數(shù)為：

由計(jì)算可知，靈敏系數(shù)為3.55，可滿足靈敏度要求。因此，相比勵(lì)磁變壓器電流速斷保護(hù)無法反應(yīng)低壓側(cè)繞組引出端短路故障，勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)已具有很高靈敏度。

雖然勵(lì)磁變壓器高、低壓側(cè)電流中含有較多諧波分量，但勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)采用勵(lì)磁變壓器電流基波分量進(jìn)行計(jì)算，只要合理設(shè)計(jì)軟、硬件濾波環(huán)節(jié)，適當(dāng)提高定值門檻，即能可靠實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)功能。如圖6所示，某大型發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)波形，正常運(yùn)行時(shí)不平衡差動(dòng)電流小于0.02Ie1。

勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)已在現(xiàn)場(chǎng)成熟運(yùn)行多年，不少大型機(jī)組配置了勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)，如三峽水電站左右岸32臺(tái)單機(jī)容量700MW機(jī)組、龍灘水電站9臺(tái)單機(jī)容量700MW機(jī)組等，最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間超過5年，運(yùn)行情況良好。對(duì)于本次故障，若勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)出口方式整定動(dòng)作于全停，即可在保護(hù)啟動(dòng)后50ms內(nèi)快速切除故障，縮小故障范圍，減少設(shè)備損傷。因此，建議將本機(jī)組勵(lì)磁變壓器的主保護(hù)由勵(lì)磁變壓器電流速斷保護(hù)改為勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)，且動(dòng)作于全停。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了一起勵(lì)磁變壓器短路故障案例，并且得到了一些有益的啟示，總結(jié)如下：

（1）勵(lì)磁變壓器電流速斷保護(hù)按躲低壓側(cè)繞組引出端三相短路整定，存在內(nèi)部短路短路故障檢測(cè)靈敏度低的缺點(diǎn)，尤其是發(fā)生低壓側(cè)短路故障，無法快速切除故障，雖然配有帶時(shí)限過流保護(hù)，但其延時(shí)一般為0.5s，也無法快速動(dòng)作。

（2）勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)具有多年成熟運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，只要采用合適的軟、硬件濾波環(huán)節(jié)，適當(dāng)提高定值門檻，勵(lì)磁變壓器差動(dòng)保護(hù)即可取得較好運(yùn)行效果，能有效提高勵(lì)磁變壓器內(nèi)部短路故障檢測(cè)的靈敏度，尤其對(duì)于勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)短路故障，其靈敏度明顯高于勵(lì)磁變壓器電流速斷保護(hù)。

圖6 正常運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁變壓器差動(dòng)電流波形Figure 6 The waveform of differential current of excitation transformer under normal operating conditions