一起汽輪發電機PT保險熔斷導致定子接地報警的分析

謝東

（大唐佛山熱電有限責任公司 廣東省佛山市 528500）

引言

某電廠是一個燃氣-蒸汽聯合循環的發電企業，現有兩套GE公司生產的PG9171E型燃氣輪發電機組配套2臺WX18Z-054 LT汽輪發電機，兩套機組分別于2003年7月和2004年4月投產。

某次大修后調試過程中因發電機出線PT保險熔斷造成定子接地動作，滅磁開關動作停機，進行相關試驗后，查找到故障點，更換保險后運行正常。該情況在同類型機組中曾多次出現，2006年該汽輪機大修后曾出現一次相同情況，均為修后起勵過程中出現，由于該情況出線頻次較低，所以并未引起高度重視，下面將定性的分析該情況出現原因及處理辦法進行逐一描述。

1 設備概況

該汽機發電機額定容量為75.0MVA，出線額定電壓為10.5kV，采用中性點裝有一組避雷器保護，發電機出線與主變低壓側為單元接線，所連主變為YNd11接線，額定變比121/10.5kV高壓側出現電纜約為300m至高壓側斷路器并網。發電機出線側并聯了兩組電磁式電壓互感器，1YH主要用于測量及定子接地保護，其中定子接地保護動作電壓取自1YH二次側開口三角兩端，動作值為10V，1YH中性點接地，2YH主要用于測量及匝間短路保護，PT中性點與發電機中性點連接，本次故障的PT 1YH一次側保險型號為RN2-10，額定熔斷電流為0.5A。

其結構如圖1所示。

圖1 發電機及PT一次側接線

2 事件背景及經過

該套機組在大修中抽出發電機轉子進行檢查，并完成主設備電氣預防性試驗。在PT完成空載試驗后，對其保險進行直阻測試，三相直阻平衡且在與出廠值相同。

該汽機發電機起勵至機端電壓為約3200V時，發電機保護屏報定子接地動作，報警信號發出后，目測中性點小間無明顯接地點，隨后將轉子轉速降至0RPM，對定子三相進行絕緣測試，定子絕緣良好，檢查PT高低壓側接線正確，保護回路定值、保護邏輯正確，最后發現為PTB相保險熔斷，造成B相缺相，進而引起二次側開口三角出現過電壓，定子接地保護動作。

3 PT保險熔斷原因分析

PT保險熔斷原因主要有以下幾個方面：

3.1 鐵磁諧振過電壓引起

鐵磁諧振過電壓為電磁式電壓互感器常見現象，尤其是在中性點不接地系統中出現頻率更高。

由于該機組發電機出口與變壓器間屬于硬鏈接，起勵過程中，該機組屬于零起升壓，在起勵的同時相當于向空載母線合閘并充電，充電過程中將有出現諧波，根據諧波頻率的不同，諧波可分為基波諧振、高次諧波及分次諧波，其中高次諧波以3次諧波為主，分次諧波以1/2，1/3次諧波為主。

標準工況下，PT一次側回路為感性回路，即ωL>1/（ωC），當PT一次側回路諧振頻率略小于某一頻率時，且由于充電過程中出現的涌流造成電壓互感器鐵芯出現不同程度的飽和現象，此時，鐵芯飽和相的電感會隨著電流的增加而減少，則此時回路諧振頻率升高，若契合該頻率時，則會出現諧振現象，造成過電壓及過電流[1]。

以下以1YHB相為例分析該PT的特性曲線：

圖2 1YHB相空載特性曲線

由圖2可見隨著電流的增加，該相鐵芯趨于飽和，當電流達到90mA時，電壓達到額定值，其空載曲線斜率已明顯下降，若PT中出現涌流時，其鐵芯將出現飽和。

3.1.1 基波諧振

當PT諧振頻率略小于基波頻率時，在鐵芯達到一定的飽和程度后將出現基波諧振。

3.1.2 高次諧波諧振

由傅里葉級數變換可知，在該回路中偶次諧波將會被抵消，所以回路中產生的諧波為奇次諧波，其中主要為三次諧波，然而在三相星型不接地電路中，三次諧波無法構建回路，所以發電機無法供給PT三次諧波電流。

當鐵芯飽和時，PT線圈相當于三次諧波的發電機發出三次諧波，若回路諧振頻率略低于三倍基頻，則有可能出現三次諧振。同時由于各相回路間未形成通路，則三次諧波會直接作用于該相，因三相鐵芯飽和程度不同，則三相合成導納相差較大，隨著各電流的變化，這個差距將會進一步拉大，同時相位也會相差較大，進而引起中性點偏移，某些相會出現過電壓。

3.1.3 分次諧波

分次諧波的來源不同于高次諧波，其產生原因為母線的諧振頻率略小于某一分頻頻率時，母線發生該分頻諧振后由系統對地電容供給PT分頻電流，通過PT一次線圈感應產生了該分頻電壓，但是由于此時PT勵磁電流中存在一個類似滑差頻率的分量存在，分次諧波頻率會略小于工頻分數倍。

發生分次諧振后，類似三次諧波諧振，電壓中性點位移，出現過電壓及過電流，根據研究，與高次諧振不同的是，分次諧振過電壓并不是很高，而過電流可達額定電流的30～50倍，進而引起一次保險熔斷過PT燒毀[2]。

在機組正常調峰時，每天啟停的過程中不會出現這種情況，發生故障均為大修后起勵過程中1YH保險熔斷。同時，在機組設計時諧振的因素已納入考慮并使設備諧振頻率躲過常見諧波頻率。故而故障起因為大修期間某個量出現了暫時性非常規變化引起。大修期間對變壓器高低壓側進行了交直流耐壓、直阻等試驗，其中將存在剩磁而引起了分次諧振。

3.2 其他原因

除諧振外，PT一次保險熔斷也有可能是其他原因引起，如：①PT高低壓側相間短路或對地單相接地；②保險額定電流僅為0.5A，劇烈震蕩可能致使其熔絲震斷；③PT突然投入造成涌流引起諧振。

根據以上原因進行分析：①在本次故障中，事后通過對PT高低壓側進行相間、對地絕緣測試，測試值均符合要求；②位于0m層的兩組PT所在位置振動較小，同時如果是因為振動而引起，日常啟停時也會出現這種故障，不符合實際情況；③PT在汽機之前就已投入，不符合本系統情況。

4 預防及處理

4.1 預防方法

根據圖1所示電路，通過改變運行方式及回路參數兩種方法可避免諧振的出現，大致方法如下：

4.1.1 使用空載特性曲線更好的PT

通過選型，選擇空載特性更好的電壓互感器，使得其鐵芯更難以飽和，將降低因鐵芯飽和引起諧振的可能。

4.1.2 在二次側開口三角回路加裝消諧裝置

在九十年代時期，我國電力系統普遍在二次開口三角使用具有非線性電阻的燈泡以對諧振過電壓進行抑制，但是隨著發電機組容量及電網對地電容的升高，該方法逐步被淘汰。

目前有的系統中在PT二次開口加裝一種可控硅多功能消諧裝置，但是該方法受到電子元器件壽命影響，在運行中效果不是很明顯，反而增加了維護量，未得到推廣使用。

4.1.3 在PT一次側中性點上串接非線性電阻消諧

通過在PT一次側中性點加裝非線性電阻能有效的抑制因諧振引起的過電壓，并且能有效的吸收一次側涌流。因該方法由于安裝簡單、維護量消、消諧效果明顯目前廣泛用于發電機及電網系統中，目前該技術應用范圍也較為廣泛。

4.2 處理方法

在大修期間對發電機、PT、變壓器均進行了相關的維修工作及電氣試驗，機組修后試運出現PT保險熔斷并引起定子接地保護動作后，檢修人員需對整個系統進行逐個排查，首先考慮的將是人為因素，如：是否有雜物遺留，PT二次回路接線是否正確等，其次是考慮定子接地故障是否真實存在，需將發電機轉速降至0RPM后進行絕緣測試進行確定。

然而按照規程要求，發電機組裝完畢后試運之前需對其定子進行直流耐壓及絕緣試驗，試驗結果合格后方能投運。試驗后發電機引出部分遺留有雜物的可能性較小，則在目測發電機引出部分無遺留物后可以推斷發電機定子接地可能性較小。

根據以上分析及同類型機組反饋，若調試期間發生該故障后可將PT一次保險熔斷作為一個較大的可能性進行考慮，可在停轉速額同時對PT保險進行檢查，因發電機定子接地保護定子后，滅磁開關動作，定子出線電壓降為零，此時飽和的PT一次線圈還存在少量磁能，PT對地電容也存在少量電能，當切除PT后全部電磁能轉換成為電場能量，出現的過電壓在PT的耐受范圍內，且切除時刀閘觸頭間會出現多次電弧重燃，切除瞬間電壓不會過大，可以在切除PT并掛地線后佩戴絕緣防護品拔下一次保險，通過檢測確定三相保險是否熔斷，若熔斷，可在停機后檢查發電機及PT一二次絕緣、保護定值、二次接線等參數無誤后繼續投入調試。這樣將會大大的節省檢測時間，保證了機組能更快速投入運行。

5 結語

發電機出口PT熔斷在電力系統中時有發生，然而對于單個電廠發生的概率較低，因無重要設備損壞，查找到原因更換后未引起重大關注，本文通過探索其發生因素，逐個分析，歸納了幾個概率較大的原因，提出了解決方法。