電磁渦流造成機組跳閘技術分析及預防

杜喜來

(內蒙古大唐國際托克托發電有限責任公司，呼和浩特 010206)

1 事故概述

某發電機組帶270 MW負荷正常運行。2017-05-12 T 16:56，機組跳閘，廠用電切換。此時，發變組保護A屏無保護啟動，B屏CSC-300G保護裝置“發電機差動”動作、“TA異常”燈亮。調取該時段故障錄波器記錄，發現發電機電壓、電流均正常，無突增、突降情況；調取發變組B屏保護記錄波形發現發電機中性點A相、B相電流無變化，C相電流呈明顯減小趨勢。B屏差動保護啟動定值1.02 A，動作時差動電流達2.281 A，制動電流為1.867 A。

檢查發現發電機中性點電流互感器(CT)本體接線盒至電纜槽盒處，C相二次電纜有過熱痕跡，絕緣能力降低，造成保護誤動作事件。對受損線芯進行絕緣防護后測量二次電纜絕緣符合規程要求，恢復機組并網運行。

2 事故原因分析

發電機差動保護是比較發電機機端、中性點兩側電流的大小和相位，反映發電機及其引出線的相間故障。

對發變組保護B屏CSC-300G裝置進行采樣、測試，并對發電機差動保護功能校驗后,未發現異常。根據保護B屏發電機差動動作報告計算,當時機端電流為3.010 A，中性點電流為0.794 A，初步判斷發電機差動保護動作跳閘原因可能為中性點C相CT二次回路存在分流情況[1]。

在發變組保護B屏測量發電機差動保護用中性點側電流回路(4021)中三相直阻平衡且均為6.6 Ω。用1 000 V電搖表測量4021外回路電纜對地絕緣為60 MΩ，比檢修時所測量的絕緣數值有所降低(檢修時對地絕緣為500 MΩ)。至就地端子箱使用2 500 V電搖表測量發電機中性點側(4021)電流互感器本體二次電纜對地絕緣電阻，A相、B相二次回路的對地絕緣為600 MΩ，C相二次回路對地絕緣達到5 MΩ時歸零,判斷中性點CT本體二次線存在絕緣不良問題。

在檢查發電機中性點CT本體處時，發現從電纜槽盒至CT本體接線盒處電纜有過熱痕跡(如圖1所示)，整理電纜線芯后，測量C相二次電纜絕緣恢復至600 MΩ。在發電機中性點CT本體接線盒及就地端子箱處，將保護B屏發電機差動用(C4021)與故障錄波器測量用(C4031)二次電纜互換，并對受損線芯進行絕緣防護。在就地端子箱測量中性點CT(4021)的平衡三相直阻為6.6 Ω。使用2 500 V電搖表測量本體二次電纜絕緣，A相、B相二次回路對地絕緣600 MΩ，C相二次回路對地絕緣600 MΩ，二次電纜絕緣均正常。

圖1 槽盒處C相電纜芯受傷情況

在機組并網后，測量中性點側CT二次電纜槽盒(鐵質)溫度在70～94 ℃，測量其他運行機組的CT二次電纜槽盒溫度在45～55 ℃。分析其過熱原因為#12機發電機中性點CT二次電纜槽盒位于中性點CT正下方，發電機產生的強磁場在鐵質槽盒形成較大渦流，引起槽盒發熱。而其他機組CT二次電纜槽盒均與CT本體距離較遠，無此現象(如圖2所示)。

圖2 #12發電機極端、中性點、電纜槽盒俯視

經檢查發現A相、B相電纜外護套齊全，只有槽盒內C相電纜外護套剝除，露出電纜芯線約2.5 m。長期在強磁場環境下高溫過熱，電纜芯線灼傷導致C相電纜絕緣能力降低，電流分流，最終致使發電機差動保護動作。

3 渦流的形成原理

引起槽盒發熱的原因為渦流效應，即法拉第電磁感應定律：當把一個塊狀形金屬導體置于交變的磁場時，金屬導體內產生感應電流，此感應電流在導體內閉合，形成所謂的渦流[2]。強交變磁場會在封閉導體的圓周方向會產生感應電動勢和感應電流，電流的方向沿導體的圓周方向轉圈，形成渦流現象。

渦流產生的前提條件是必須要有交變的電磁場，而在本次事件中運行中的發電機正好符合這一工況：電流互感器中的交變電流在其周圍產生交變磁場，使得裝有二次電纜的電纜橋架長期發熱。運行中的發電機所產生的交變磁場非常強，電纜槽盒的電阻非常小，渦流很強，所產生的熱量也很大，致使金屬槽盒嚴重發熱。這不僅引起功率的損耗，降低設備使用壽命，更為嚴重的是毀壞了設備的耐絕緣性(特別是對失去防護的二次電纜絕緣)，對設備的安全穩定運行危害性極大[3]。

在生產中，要有針對性地對渦流進行預防，在設備的設計、安裝、布局中，避免磁路構成閉合回路，例如單芯電纜敷設時不允許穿入鋼管等鐵磁性物體中，單芯電纜在安裝時不允許穿過閉合的鐵磁性支持物等[4]。

4 經驗及防范措施

繼電保護的基本作用是監測電氣設備的運行參數，包括電壓、電流等模擬量及某些開關量。在電氣一次設備發生不正常運行狀態或者發生故障時，應及時對故障設備進行隔離，以避免故障擴大化；在電氣一次設備正常運行無故障時則應可靠不誤動[5]。

目前微機繼電保護裝置可靠性越來越高，誤動案例逐步減少，應把二次回路作為機組檢修時重點檢查項目。

(1)重點檢查剝除電纜絕緣外護套的電纜線芯外觀是否完好，是否有外皮被金屬剮蹭、刀口傷痕、潮濕進水、積塵過多等可能導致的絕緣薄弱的現象，做好絕緣加固、排除積水、清理塵土，防止二次線絕緣擊穿導致保護誤動。

(2)規范電纜敷設接線，二次電纜外護套及屏蔽層剝除長度不能過長，否則會降低電纜絕緣強度和抗干擾能力，且芯線外皮易被尖銳物刮傷。

(3)合理安裝電纜槽盒位置，避開發電機大電流強磁場感應渦流影響，否則會導致槽盒發熱，使電纜絕緣性能降低。

(4)出口繼電器動作電壓值應介于55%～70%控制電壓范圍內，避免控制回路接地導致出口繼電器誤動[6]。

(5)合理規劃檢修項目, 重視重要設備及二次回路，檢修中對電纜槽盒內無外護套的電纜芯線狀況進行檢查，嚴格把控設備檢修質量。

(6)加強日常設備管理及風險、隱患排查，對發電機CT二次線進行測溫檢查，及早發現電纜槽盒溫度異常，避免電纜線芯絕緣受損導致的機組非停。

(7)改變傳統的“重裝置、輕回路”觀念，消除技術短板，在檢修過程中注重保護裝置校驗的同時，對二次回路檢查要深入、徹底[7]。對重要的二次電纜建立清冊進行重點關注，停電時重點檢查，運行中重點巡視、測溫，以便及時發現電纜、接線異常情況，積極采取措施處理。

(8)了解掌握渦流磁場強度與方向，采取先拆除電纜蓋板的方法減小磁場渦流對槽盒內電纜的影響，觀察槽盒溫度降低效果。

將電纜槽盒進行移位,徹底解決磁場渦流導致槽盒發熱的隱患。

(9)使用屏蔽電纜，電纜屏蔽層兩端接地；使用大功率繼電器，提高保護的抗干擾能力，防止長距離電纜電磁干擾導致的保護誤動[8]。

5 結束語

電磁渦流會造成金屬導體長期發熱，導致二次電纜絕緣能力降低、保護誤動作，嚴重影響一次設備的正常運行，對發電廠的安全穩定運行及繼電保護的可靠性也造成嚴重影響，應采取科學的方法解決金屬導體中渦流損耗發熱的缺陷，通過設備的設計、選材、安裝、調試和運行避免此類故障的發生。同時在出現由渦流引起的發熱故障后，應盡早正確地處理，保證發供電的可靠性。

目前已將該電廠機組電纜槽盒進行移位,遠離強大電磁場，徹底解決了磁場渦流導致槽盒發熱的隱患，同步排查其他運行環境并進行整改，至今沒有發生由于電磁渦流造成電氣設備過熱情況問題。