发电机裂相横差保护报警分析与处理

作者简介：陈熙平(1986— )，男，高级工程师，本科，从事电厂继电保护及维护管理工作。

陈熙平，张杰，张强
(雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610056)
摘 要：介绍了发电机裂相横差保护报警现场检查方法，分析了裂相横差保护报警原因，确认报警原因为发电机中性点电流互感器(CT)故障。

对CT 故障原因进行分析可知，是运行环境温度长期过高，CT 绝缘等级不够，且设备本身存在质量问题等因素造成。

对该故障提出了现场改善措施，运行实践表明，该改善措施效果明显。

关键词：中性点电流互感器(CT)；裂相横差；保护报警；故障
中图分类号：TM312；TM452 文献标识码：B 文章编号：1007-3175(2020)12-0039-04
Abstract: This paper introduces the on-site inspection method of the generator split-phase transverse differential protection alarm, ana-lyzes the cause of the alarm, and confirms that the cause of the alarm is the generator neutral current transformer (CT) fault. By analyzing the causes of CT fault, the operating environment temperature is too high for a long time, the CT insulation class is low, and the equipment itself has quality problems. The field improvement measures are put forward for the fault, and the operation practice shows that the improvement measures are effective.
Key words: neutral current transformer; split-phase transverse differential; protection alarm; fault
CHEN Xi-ping, ZHANG Jie, ZHANG Qiang
（Yalong River Hydropower Development Co.,Ltd, Chengdu 005 , China ）
Analysis and Treatment of Generator Split-Phase
Transverse Differential Protection Alarm
发电机裂相横差保护报警分析与处理
0 引言
电流互感器(CT)是一次系统和二次系统间的联络元件，其主要作用是将交流大电流变成小电流(5A 或1A)，供仪器仪表、保护装置使用，使得二次设备与高压部分隔离，且电流互感器二次侧接地，保证了设备和人身安全[1]。

由于继电保护设备是通过电流互感器来反映一次设备的运行状况，当电流互感器故障时，将导致保护装置不可靠运行。

1 发电机主保护配置情况
某大型水电站装机8台600MW 的发电机组，2台发电机与2台变压器组成联合单元接线，主变侧通过3/2接线方式接入500kV 系统。

该电站发电机主保护配置情况如图1所示。

该电站发电机保护配置方式是将每相的1、2、3分支接在一起，形成中性点O 1；再将每相的4、5、6分支接在一起，形成中性点O 2。

在O 1与O 2之间安装一个P 级电流互感器T A0，并在每相的1、2、
图1 发电机内部故障主保护配置
3分支组和4、5、6分支组上装设TPY型分支电流互感器TA1～TA6，在机端装设TPY型相电流互感器TA7～TA9，构成一套零序电流型横差、一套完全裂相横差和一套完全纵差保护(其中性点侧相电流取自每相的两个分支TA)。

2 事件经过
该电站投运初期，#2发电机并网运行时CCS 报警：“二号机组发电机A套保护装置报警”、“二号机组发电机A套CT断线”。

现场检查#2发电机保护装置A套“CT断线”、“报警”灯点亮，装置报“裂相差动(差流)报警”。

3 事件处理
#2发电机A套保护装置报警发生后，保护专业人员现场检查发现#2发电机A套保护装置机端电流平衡，但是中性点2分支B相采样值偏高，相位偏移，且B相2分支存在差流。

但发电机B套保护装置采样正常。

于是申请将#2发电机停机检查保护装置报警原因。

#2发电机停机后，断开#2发电机A套保护中性点2分支电流回路内外侧端子连片后，测量内外回路直流电阻(直阻)，装置侧三相直阻均为0.09Ω，CT侧三相直阻分别为120、99、119Ω。

然后对保护装置进行采样检查，采用继电保护测试仪模拟正常以及故障时的电流量，检查保护装置采样情况，发现保护装置采样正确，采样过程中保护装置无任何报警。

在对保护装置采样检查无误后，向调度申请#2发电机开机并网检查，当机组负荷达到340MW 时，#2发电机A套保护装置上“CT断线”、“报警”灯点亮，装置报“裂相差动(差流)报警”，再次申请停机检查。

更换#2发电机中性点2分支B相A套发电机保护CT后，经保护专业检查确认二次回路正确无误后再次申请将#2发电机并网，#2发电机组并网带满负荷后保护装置采样正常无报警。

4 事件分析
4.1 保护装置差流分析
现场检查发现#2发电机A套保护装置中性点2分支B相电流为0.95I
e
(I
e
为发电机额定电流，
发电机差动保护计算时使用的电流量为标幺值)，
大于A、C两相电流值(电流分别为0.87I
e
、0.86I
e
)，且B相电流与A相电流夹角为107°，与C相电流夹角为134°，即B相电流相角偏离正常相位13～14°，如图2所示。

图2中I
b1
为B相中性点1分支电流(该电流
相位为正常相位)，I
b2
为B相中性点2分支电流。

故此时裂相差流为：
该计算值与A套保护装置中裂相横差电流吻
合，大于报警定值0.15I
e
，装置报警正确。

当保护装置检测到差流或不平衡电流时，将“CT断线”灯点亮。

4.2 中性点CT故障分析
由于发电机A套保护装置采样正确，故可根据A套保护装置采样数据计算出故障时中性点2分支CT的实际变比K＇：
式中，K为CT的额定变比，其值为15000∶1，所以当发电机B相中性点2分支CT发生故障后，其变比减小为13740∶1，导致CT二次电流增大。

当CT发生如图3所示的匝间故障后，由于被短接的线圈依然绕在互感器的铁芯上，所以能构成自身的回路，且与原互感器的二次线圈相并联，在短接的回路中同样产生感应电流。

根据磁动势平衡原理[2]，发生二次绕组短路后
I
d
=｜I
b1
-I
b2
｜=
(1)
K＇= K= K=0.916K
I
b1
I
b2
0.87I
e
0.95I
e
图2 发电机中性点B相分支1、2夹角
I e
1
=0.87I e
图3 CT匝间短路故障
0.872+0.952-2×0.95×0.87×cos13°I
e
=0.22I
e。

的电流互感器磁动势平衡公式为：I 1N 1=I ＇2N ＇2+I k N k (2)N ＇2+N k =N 2 (3)
式中，I 1、N 1分别为电流互感器一次侧电流和绕组匝数，I ＇2为二次侧电流，N ＇2为二次侧未被短接的匝数，I k 为二次侧短接部分的电流，N k 为二次侧短接部分匝数，N 2为二次侧绕组总匝数。

若令I k =xI ＇2，则式(2)可化简为：
I 1N 1=(N ＇2+xN k )I ＇2 (4)
在该CT 匝间故障中，根据式(1)可知CT 变比减小，二次绕组匝数减少，二次电流增大，此时x ＜1，故有I k ＜I ＇2，
即短接部分的电流小于二次侧电流。

若此时未能及时发现该故障，继续使CT 运行在高温环境下，可能导致CT 绝缘持续降低，使得I k =I ＇2，但此时电流互感器无测量误差，可能导致保护装置差流报警复归，最终未能发现继续恶化的CT 匝间故障。

5 中性点CT故障原因分析及改善措施
5.1 故障原因分析
该电站将故障CT 进行返厂检测，测量其二次直阻仅为75.2Ω(环境温度为19.1℃)，根据不同温度下的电阻值换算公式[3]：
式中，R 1、R 2分别为在温度t 1、t 2时的电阻值，
T 为计算用常数，铜导线取235，铝导线取225。

根据式(5)，二次侧直阻换算到75℃时为91.78Ω，表1中CT 二次侧直阻R ct 在75℃时额定值为121Ω，其二次侧直阻误差为-24.15%，超出电流互感器二次绕组的直阻差异不宜大于10%的要求[4]。

厂家对故障CT 进行CT 变比测试，测试结果如表2所示。

由于试验条件下进行CT 变比测试时一次电流
仅为150A，而实际运行时一次电流上万安培，故实际通过式(1)计算出的CT 变比和实验条件下CT 变比存在一定误差。

经查阅设备安装时CT 校验报告，#2发电机A 套保护中性点2分支三相直阻均为98Ω，CT 绝缘测试、变比测试均合格。

查阅现场设备巡检记录，发现发电机中性点铜排温度长期保持在110℃以上，最高温度记录达到134℃。

中性点三相CT 温度在90℃左右。

中性点B 相CT 位于A、C 相CT 之间，不利于散热，且受到A、C 相及汇流母线叠加磁场和热辐射的影响导致B 相CT 比A、C 相CT 温度要高7℃左右。

发电机中性点CT 绕组绝缘等级为F 级，但如果CT 长期运行在高温环境下，将会影响CT 绕组层间绝缘，从而破坏CT 整体绝缘。

互感器厂家对#2发电机B 相中性点故障CT 进行解体检验，发现中性点CT 内径有绝缘老化及碳化现象，靠近铁芯处绝缘有碳化现象，但是靠近铁芯漆包线完好，由此可以确定中性点CT 绝缘等级偏低。

如图4所示，#2发电机中性点2分支B 相上A、B 套保护CT 运行环境相同，但B 套保护用CT 未发生故障，且中性点1分支上的6个CT 都运行正常。

同时间投入商业运行的还有#1发电机，#1发电机
所用CT 型号与#2发电机相同，生产厂家也相同，但#1发电机中性点CT 运行正常。

综上分析，#2发电机中性点2分支B 相CT 故障主要原因为运行环境温度长期过高，次要原因为CT 绝缘等级不够，且设备本身存在质量问题。

5.2 改善措施
现场在更换新的CT 后，密切关注发电机中性点温度，为改善中性点散热条件，临时采用在中
性点下方增加大功率风机的方法给中性点CT 降温。

现场巡检记录发现发电机中性点运行温度已降至95℃以内。

机组检修时，将运行不到2个月时间新更换的中性点CT 进行解体检查，发现该CT 线圈
(5)
R 2=R 1
T +t 2
T +t 1
表1 故障CT额定参数
设备参数名称参数额定变比15000∶1R ct /Ω121绝缘等级
F级
表2 CT变比测试结果
准确级标准变比测量变比误差/%TPY
15000:1
12500∶1-16.711029∶1-26.412605∶1
-15.9
图4 发电机中性点CT分布图
B
护A 护
绝缘老化严重。

为更好改善发电机中性点CT的运行环境，由于受制于发电机中性点引出铜排结构，不能增加CT之间间隔而改变CT的布局，现场采取的改善措施如下：(1)对发电机中性点CT进行改型，将CT 的内径、外径均扩大，缩小CT浇注体厚度，而CT 中心与地面距离未变，增加CT的散热空间。

(2)提高CT的绝缘等级，将CT绝缘等级由之前的F级提高为H级。

(3)由于发电机中性点的汇流铜排内层绕有环氧树脂的绝缘层，表面1/2绕包有黑色高阻防晕带，发电机中性点的汇流铜排上的多重绝缘层不利于汇流铜排本身的散热，且正常运行工况下发电机中性点电位接近于零，剥除发电机中性点铜排绝缘层对发电机定子整体绝缘没有不良影响，所以现场剥除了发电机中性点的汇流铜排上的绝缘层以改善其散热条件。

经过以上改善措施后，现场检查发电机中性点运行温度已降至80℃左右，由此可见效果明显。

该电站将#1发电机中性点CT也做出同样的改善方法，且后续6台机组中性点CT也按此要求进行改进。

该电站8台机组运行至今再未发生过中性点CT运行异常事件。

6 结语
发电机的中性点CT长期运行在高温环境下导致CT故障，所以发电机在设计阶段应充分考虑CT 等设备的散热问题，合理分布CT。

同时在对CT进行选型、设计、制造时除考虑现场设备安装条件外，还应考虑设备散热、设备在运行时相互之间的影响等因素。

在二次设备出现采样异常时，应及时处理，在故障原因未查明前，不可轻易将设备投入运行。

最后建议将发电机中性点CT电流接入发变组故障录波装置以实时监测电流值。

当电流采样异常时，可以通过保护装置和故障录波装置两套不同的装置来判断电流异常是由一次设备故障引起还是二次设备故障引起。

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计划出版社，2006：33.
修稿日期：2020-09-20
出侧电压比较低，低压绕组匝数很少。

绕组方案设计过程中，经常出现计算的分数匝取舍的问题，如果直接取整，有可能带来较大的输出电压误差。

如果分数匝设计不合适，则可能影响变压器正常工作。

本文对一起直流开关电源中的高频变压器磁芯过热的原因进行了分析。

通过有限元仿真软件，建立变压器二维模型，对原边存在分数匝结构的变压器，在空载和重载下的磁通、磁密和磁芯损耗进行了仿真，指出原边半匝绕组是导致该起事故的根本原因。

文中同时提出了3种改进措施，并对第2种取整措施进行了仿真验证。

据此要求生产厂家对绕组结构进行整改，经实测有效，为以后此类变压器设计提供借鉴经验。

参考文献
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修稿日期：2020-09-18
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2。