第４０卷 第１０期 华电技术 Ｖｏｌ．４０Ｎｏ．１０ ２０１８年１０月 ＨｕａｄｉａｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｏｃｔ．２０１８ 发电机出口电压互感器匝间短路 故障分析与计算 马云飞 （大唐华中电力试验研究院，郑州４５０００１） 摘要：以一起发电机出口电压互感器故障引起定子接地保护动作为例，通过综合分析故障录波波形、试验数据，判断保 护动作是由电压互感器一次侧匝间短路引起的。对电压互感器匝间短路引起故障相对地等效阻抗降低，进而引起机端 电压不平衡进行等效电路的分析与计算，有助于深入理解匝间短路过程。最后讨论了引起匝间短路的几种可能情况及 预防的方法，可为发电机出口电压互感器的监控和安全运行提供参考。 关键词：电压互感器；匝间短路；等效电路；预防措施 中图分类号：ＴＭ６２１．７＋１文献标志码：Ａ文章编号：１６７４－１９５１（２０１８）１０－００１５－０４ ６００ＭＷ。经离相封闭母线引言 下简称主变）相连，以单元方式接入 ３３０ｋＶ系统。 电压互感器（ＰＴ）作为电力系统中测量、保护的 发电机出口有 ３组 ＰＴ，其中 １ＰＴ和 ２ＰＴ型号为 重要设备，在发电厂、变电所等输电和供电系统中得 ＪＤＺＸ１６－２２，３ＰＴ型号为ＪＤＺＸ１６－２２Ｇ，均为大连北 ［１］ 方互感器厂生产。该机组于２０１３年大修，３组 ＰＴ 到广泛应用 。近年来，发电机出口ＰＴ一次绕组匝 间短路导致保护动作甚至机组非停事故时有发生， 各项常规预试验合格，每年开展１次空载电流测试， 极度影响电厂发电机的监控和稳定运行。文献［２］ 试验合格。 通过一次绕组匝间短路造成发电机基波零序保护动 ２０１７年３月１６日，该发电机组带有功４２３ＭＷ， 作跳机实例，从保护原理及故障信息的角度分别对 无功４３．７ＭＶ·Ａ，发变组保护及励磁系统正常运 基波零序电压型和注入式定子接地保护动作行为进 行。１２：１７：３０，＃４发变组保护Ａ，Ｂ柜同时报“定子 接地 ”保护动作，主变高压侧３３７１开关、３３７０开 行分析，考察了保护配合整定方案及灵敏度。文献 ３Ｕ ０ ［ 关，厂用１０ｋＶ１４Ａ／１４Ｂ／１４Ｃ开关，Ｑ０２灭磁开关跳 ３］对机端ＰＴ一次绕组匝间短路时的电气特征进 行分析，得出对地电压最高相的下一相即为故障相 闸，厂用１０ｋＶ切换装置动作，备用开关切换成功。 这一结论，通过故障案例验证了理论分析的正确性。 停机检查后发现，机端 １ＰＴＢ相存在故障。由于发 目前，针对 ＰＴ匝间短路故障案例的分析比较 电机出口ＰＴ无备品，该电厂采用临时措施将１ＰＴ拉 多［４－５］，但结合匝间短路前后电气等效电路图开展 出，并将 １ＰＴ的二次负载并接至 ２ＰＴ二次侧。 深入分析与计算的并不多见。 ２２：３０，机组并网，运行正常。 本文以一起发电机出口ＰＴ故障引起发电机变 ２故障过程分析与处理 压器组（以下简称发变组）保护动作事件为例，通过 故障录波波形、试验数据的综合分析判断，认为保护 ２．１故障录波分析 动作是由ＰＴ一次侧匝间短路引起的。其次对ＰＴ匝 该发变组采用美国ＧＥ公司生产的Ｇ６０微机保 间短路引起故障相对地等效阻抗降低，进而引起机 护装置，其中“定子接地３Ｕ”保护取机端零序电压 ０ 端电压不平衡进行等效电路的分析与计算。最后讨 和中性点零序电压，机端零序电压定值为５Ｖ，中性 论了引起匝间短路的几种可能情况及预防措施。 点零序电压定值为１１Ｖ，保护延时为６ｓ。图１为 ＃４ 发变组Ａ柜故障录波波形。从图１可以看出，保护 １故障实例 动作前发电机三相电压出现不平衡现象：Ａ，Ｃ相电 ＃ 某发电厂 ４发电机为东方电机厂生产的ＱＦＳＮ－ Ｂ相电压偏低。跳闸时刻发电机机端零序 压偏高， ６００－２－２２Ｄ型产品，额定电压为２２ｋＶ，额定功率为 电压Ａ柜为２１．４Ｖ，Ｂ柜为２５．９Ｖ（两柜电压信号取 自不同的机端ＰＴ），发电机中性点零序电压为３７．０ 收稿日期：２０１７－１１－０７；修回日期：２０１８－０８－０２ Ｖ左右（两柜取自同一ＰＴ），均远远大于定值，保护 ·１６· 华电技术 第４０卷 ２．３故障综合诊断 综合故障录波和试验测量数据，判断此次故障 是由ＰＴ一次绕组匝间短路故障引起的。匝间短路 往往跟ＰＴ生产、制造中质量不良或工艺缺陷有关。 在长期高电压下运行，绝缘材料老化加剧，绝缘强度 降低，最终引发匝间绕组短路，发电机机端故障相电 压下降，机端三相电压不平衡，造成保护动作。 ＃ 图１ ４发变组Ａ柜故障录波波形 动作正确。 ３机端ＰＴ一次绕组匝间短路等效电路分析 机组停机后，对机端出口电压互感器二次回路 与计算 进行检查，绝缘合格，接线正确，发变组保护逻辑正 发电机系统及出口ＰＴ等效电路如图 ２所 确。测量发电机三相定子绕组残压，Ａ相为２７．０Ｖ， ［６］ 示 。图中：Ｅ，Ｅ，Ｅ 分别为发电机定子 Ａ，Ｂ，Ｃ Ｂ相为１８．９Ｖ，Ｃ相为２４．２Ｖ，机端一次电压不平 Ａ Ｂ Ｃ 三相的电动势；Ｒ 为中性点对地电阻；Ｃ，Ｃ，Ｃ 为 衡。随后将发电机出口６台电压互感器（１ＰＴ，２ＰＴ） Ｎ Ａ Ｂ Ｃ 每相对地等效电容；Ｚ，Ｚ，Ｚ 为 ＰＴ一次对地 依次拉出，在１ＰＴＢ相电压互感器拉出后，测得三相 Ａ Ｂ Ｃ 阻抗。 定子绕组残压均为２３．０Ｖ。最后将发电机空载升压 至额定值，检查发电机三相电压均为２２．０ｋＶ，三相 电压正常。由此可以判断，发变组保护动作与 １ＰＴ Ｂ相故障有关。 ２．２试验测量分析 为了进一步分析 １ＰＴＢ相故障原因，分别对该 ＰＴ进行绝缘电阻、一次绕组直流电阻、空载电流的 测量，试验时温度为１９℃，相对湿度为４４％，测试结 果见表１～表３。 图２发电机系统及出口ＰＴ的等效电路 表１１ＰＴＢ相绝缘电阻 ＧΩ 发电机机端每相对地导纳为 绕组 一次绕组 １ａ１ｎ ２ａ２ｎ ｄａｄｎ １ Ｙ ＝ｊＣ ＋ Ａ ω Ａ 绝缘电阻 ＞１０ ＞１０ ＞１０ ＞１０ Ｚ  Ａ  表２１ＰＴＢ相历年一次绕组直流电阻 ｋ  Ω １ Ｙ ＝ｊＣ ＋ ， （１）  Ｂ ω Ｂ Ｚ ２０１７－０３－１７  Ｂ 试验日期 ２００８－０６－１９ ２０１６－０３－１１ （故障后）  １  Ｙ ＝ｊＣ ＋  Ｃ ω Ｃ 直流电阻 １．８７０ １．８１０ １．５４５ Ｚ Ｃ 式中：Ｙ，Ｙ，Ｙ分别为机端Ａ，Ｂ，Ｃ相对地导纳； 注：表中直流电阻均为换算到２５℃时的电阻值。 Ａ Ｂ Ｃ ω 表３１ＰＴＢ相空载电流 为角频率。 测试绕组 试验日期 施加电压／Ｖ 空载电流／Ａ 由基尔霍夫电流定律可得 · ２０１６－０３－１１ １０９．６０ ２．２ Ｕ · · · · ＮＮ０ ＝－［（Ｅ ＋Ｕ ）Ｙ ＋（Ｅ ＋Ｕ ）Ｙ ＋ １ａ１ｎ ２０１７－０３－１７ Ｒ Ａ ＮＮ０ Ａ Ｂ ＮＮ０ Ｂ Ｎ １．０４ ２．２ （故障后） · · （Ｅ ＋Ｕ ）Ｙ］， （２） Ｃ ＮＮ０ Ｃ 测试结果分析如下。 · 式中：Ｕ 为发电机中性点对地零序电压。 ＮＮ０ （１）从表１可以看出，一次绕组及３个二次绕 由式（２）可得： 组绝缘电阻均正常，说明绕组无接地现象。 · · · · ＥＹ ＋ＥＹ ＋ＥＹ （２）从表 ２可以看出，故障后直流电阻相比 Ｕ ＝－ Ａ Ａ Ｂ Ｂ Ｃ Ｃ 。 （３） ＮＮ０ １ ２００８年的测量值减小了１７．４％，说明ＰＴ一次绕组 Ｙ ＋Ｙ ＋Ｙ ＋ Ａ Ｂ Ｃ Ｒ Ｎ 存在匝间短路情况。 机组正常运行时，近似认为三相对地等效电容 （３）对１ＰＴＢ相进行空载电流测量，当二次侧 相等， ＰＴ一次对地阻抗相等，则机端三相对地导纳 电压仅为１．０４Ｖ时，二次侧电流就达到了２．２Ａ，远 · 相等，Ｎ与Ｎ 重合，Ｕ ≈０。 小于正常预试时所加电压值。 ０ ＮＮ０ 第１０期 马云飞：发电机出口电压互感器匝间短路故障分析与计算 ·１７· 机端三相对地电压为 侧电压仅为１．０４ｋＶ时，二次侧电流达到２．２Ａ。而 · · · 正常运行时，试验电压升至１０９．６Ｖ，二次侧电流达 Ｕ ＝Ｅ ＋Ｕ Ａ Ａ ＮＮ０ · · · 到２．２Ａ，因而有下式 Ｕ ＝Ｅ ＋Ｕ 。 （４） { Ｂ Ｂ ＮＮ０ Ｚ ≥１０９．６Ｚ ＝１０５．４Ｚ 。 （５） · · · Ｂ ０３９ Ｂ０ Ｂ０ １． Ｕ ＝Ｅ ＋Ｕ Ｃ Ｃ ＮＮ０ 从上述故障案例来看，１ＰＴＢ相发生一次绕组 从式（５）可以看出，ＰＴ一次绕组匝间短路后等 效阻抗 Ｚ 远小于正常运行下的阻抗 Ｚ 。考虑 Ｂ０ Ｂ 匝间短路，假定故障后Ｂ相一次对地阻抗变为Ｚ ， Ｂ０ 若给出互感器故障前后的等效电路，有助于对比分 漏磁通的变化关系较为复杂，本文不作具体的公式 析，如图３所示。 推导，仅通过等效电路图的变化来直观说明。 对应于ＰＴ匝间短路后发电机中性点的偏移， · ［３］ 以Ｅ 为参考相，有以下公式 。 Ａ · · Ｕ ＝（－Ｘ＋ｊＹ）Ｅ， （６） ＮＮ０ Ａ 式中：Ｘ，Ｙ均大于零，大小与Ｎ 及Ｒ 有关。 １２ Ｎ 当Ｂ相发生短路时，发电机端三相对地电压用 故障相的电动势来表示，有以下关系式。  · · · １ ３ · Ｕ ＝Ｅ ＋Ｕ ＝ －Ｘ＋ ＋ｊＹ＋槡 Ｅ Ａ Ａ ＮＮ０ [ ( ) ( ) ] Ｂ  ２ ２  · · · ·  Ｕ ＝Ｅ ＋Ｕ ＝［（１－Ｘ）＋ｊＹ］Ｅ 。（７） Ｂ Ｂ ＮＮ０ Ｂ   · · · １ ３ · Ｕ ＝Ｅ ＋Ｕ ＝ －Ｘ＋ ＋ｊＹ－槡 Ｅ  Ｃ Ｃ ＮＮ０ [ ( ) ( ) ] Ｂ ２ ２ 图３ＰＴ等效电路 由式（７）可得 发电机出口ＰＴ正常运行时，二次侧近似开路。 · ＞ · Ｕ Ｕ Ａ Ｃ 因此其等效电路近似于一个双绕组降压变压器空载 · · Ｕ ＞ Ｕ 。 （８） 运行［７］，其等效电路如图３ａ所示。图中：ｒ，ｌ和 { Ａ Ｂ １ １ · · Ｕ ＞ Ｅ ｒ，ｌ分别为一、二次侧绕组的电阻和漏感；ｕ，Ｎ 和 Ａ Ｂ ２ ２ １ １ 可见，Ｂ相发生匝间短路时，Ａ相电压最大。与 ｕ，Ｎ 分别为一、二次侧绕组端电压和匝数。 ２ ２ 当互感器一次侧发生匝间短路时，假定短路在 上述故障案例中故障录波数据进行对比，印证了此 结论的正确性。 绕组中间某部分，设短路匝数为Ｎ１２，此时绕组被分 为３部分，用Ｎ ＋Ｎ 来表示剩余绕组匝数，则有 １１ １３ ４ＰＴ匝间短路原因分析及预防措施 Ｎ ＋Ｎ ＝Ｎ －Ｎ 。对于短路绕组匝数Ｎ 这一部 １１ １３ １ １２ １２ ４．１原因分析 分，其自身仍是闭合线圈，相当于产生了一个新的 引起ＰＴ匝间短路的原因有很多，大体上从外 “变压器”绕组，仍然具有变压器的功能。因此，匝间 部工况和ＰＴ本体两个方面来做多元化的分析。 短路可以认为等效电路结构由双绕组变成三绕组变 （１）与ＰＴ直接相连封闭母线的绝缘能力。若 压器，对应等效电路如图３ｂ所示。图中：ｒ ＋ｒ， １１ １３ 绝缘下降，发电机运行过程中会出现闪络、对地放电 ｌ ＋ｌ分别为短路后一次侧绕组的电阻和漏感； １１ １３ 等现象，会对ＰＴ一次绕组形成电压的波动冲击［８］。 ｒ，ｌ分别为短路绕组的电阻和漏感；ｒ为电弧电 １２ １２ ｄ （２）ＰＴ二次绕组存在短路、过负荷甚至误接线绕组近似短路运行。 从图３ａ可以看出，空载运行时回路中励磁阻抗 等现象。 起主导作用。由于励磁阻抗往往较大，呈现高阻抗 （３）ＰＴ在生产、制造中存在质量不良或工艺缺 特性，因而一次侧运行在额定电压下时，一次侧回路 陷。ＰＴ长期带电运行，使绝缘材料老化加剧，绝缘 电流较小。图３ｂ中，一次侧发生匝间短路后，相当 强度降低，最终引发绕组匝间短路。 于二次侧多出一个“短路绕组”，回路中短路阻抗远 ４．２预防的方法 小于励磁阻抗，因而一次侧在很小的输入电压下，回 （１）应加强发电机出口ＰＴ的选型设计、验收试 路电流也会很大。 验和现场维护，选用质量好的机端ＰＴ。例如，上述案例 以上述１ＰＴＢ相为例，空载特性试验时，当二次 中故障ＰＴ为大连北方互感器厂生产的ＪＤＺＸ１６－２２， ·１８· 华电技术 第４０卷 通过查阅文献资料，该型号 ＰＴ与文献［８］中故障 较及在智能电网中的应用［Ｊ］．华电技术，２０１２，３４（２）： ＰＴ为同一厂家生产的同型号产品，并且多次出现 ５０－５２． ＰＴ匝间短路事故，威胁机组安全稳定运行，这更加 ［２］南东亮，孙谊萂，冯小萍，等．一起由ＰＴ故障引起基波定 表明ＰＴ选型、质量的重要性。 子接地保护动作的分析［Ｊ］．智能电网，２０１６，４（５）： ４５８－４６２． （２）在机组检修期间，按照ＤＬ／Ｔ５９６—１９９６《电 ［９］ ［３］陈俊，陈佳胜，张琦雪，等．发电机机端电压互感器匝间 力设备预防性试验规程》要求 ，开展发电机出口 ［１０］ 短路导致定子接地保护动作分析［Ｊ］．电力系统自动化， 封闭母线、ＰＴ的检查和试验工作 。 ２０１６，４０（１０）：１４３－１４７． （３）带电局部放电测试作为一种有效的非电量 ［４］于龙滨，姚颖锋．发电机出口ＴＶ匝间短路故障分析［Ｊ］． 绝缘测试手段，对于判断ＰＴ内部是否存在绝缘缺 东北电力技术，２０１４（１２）：１１－１３． 陷有辅助作用，可考虑增加此类试验项目。 ［５］赵淼，赵文炎，高自伟，等．电压互感器一次绕组匝间短 （４）定期对发电机出口ＰＴ开展巡检和红外线 路引起发电机运行异常的分析及处理［Ｊ］．黑龙江电力， 成像监测工作。 ２０１４，３６（２）：１６０－１６２． （５）发电机出口ＰＴ二次回路接线］广东电网公司电力科学研究院．电气设备及系统［Ｍ］． 对，避免出现误接线。新增加的负荷在设计之初必 北京：中国电力出版社，２０１４：３２３－３２４． 须仔细核实有无容量越限的情况。 ［７］谭喜堂，吕佩佩，朱琴跃，等．单相双绕组变压器匝间短 路故障诊断［Ｊ］．电力系统及其自动化，２０１５，３７（１）： ５结束语 ７３－７４． 发电机出口ＰＴ的匝间短路故障往往会引起机 ［８］胡越冬．发电机出口电压互感器（ＰＴ）匝间短路故障分析 ［Ｊ］．贵州电力技术，２０１６，１９（５）：４９－５３． 组保护动作，甚至造成非停事故，文中通过对ＰＴ匝 ［９］电力设备预防性试验规程：ＤＬ／Ｔ５９６—１９９６［Ｓ］． 间短路等效电路的分析计算，得出匝间短路会引起 ［１０］郭晓锋．同产３００～１０００ＭＷ发电机出口ＰＴ试验方法 故障相等效阻抗明显降低这一结果，可作为增设保 介绍［Ｊ］．河南电力技术，２０１７（３）：１１－１３． 护逻辑的有效判据。发电企业应结合预防的方法，加 （本文责编：刘芳） 强ＰＴ设备的选型、订货、验收、投运以及日常维护、 检修、试验工作。 作者简介： 参考文献： 马云飞（１９９１—），男，河南郑州人，助理工程师，工学硕 士，从事一次高压电气试验工作（Ｅｍａｉｌ：ｄｔｈｚｓｍｙｆ＠１６３． ［１］王振岳，陈伟，鹿海成，等．电子式与电磁式互感器的比 ｃｏｍ）。 欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍 （上接第６页） Ｖｉｓｉｏｎ，１９８７，２４（６）：７２６－７４０． ［９］周春霖，朱合

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