故障录波数据在大型水电站电气试验分析中的应用

于步亚，王 刚

（雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610051）

故障录波数据在大型水电站电气试验分析中的应用

于步亚，王 刚

（雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610051）

首先介绍了电厂故障录波系统的配置和功能，针对发电机的电气试验项目，研究了基于电气设备试验时特征电气量波形的录制方案。结合实际录波数据，重点分析了故障录波在发电机升流试验、发电机空载特性试验中的应用。希望可为使用同类型故障录波装置的电站在新机组投产发电或者机组改造后进行相关电气试验项目时提供借鉴。

故障录波；冲击试验；升流试验；分析

1 概述

某大型水电站故障录波系统由6台ZH-2B型嵌入式发电机变压器组故障录波分析装置、2台ZH-3型嵌入式电力故障录波分析装置以及1套故障录波信息子站组成，为武汉中元华电产品［1-2］。6台ZH-2B型嵌入式发电机变压器组故障录波分析装置分别实现对6台发变组及其6 kV厂用电设备电压、电流、开关量等的监视、录波，2台ZH-3型嵌入式电力故障录波分析装置分别实现对5条500 kV送出线路及2条500 kV母线和500 kV开关及6 kVⅦ、Ⅷ段母线电压、电流、开关量等的监视、录波。故障录波信息子站由应用工作站、数据通信服务器、工业以太网交换机、彩色激光打印机等组成。全厂故障录波系统结构示意图如图1所示。

图1 全厂故障录波系统结构示意图

录波数据的存储是故障录波系统关键技术之一，录波数据的安全、可靠存储对专业技术人员有效提取数据进行故障分析、评价保护动作情况、总结设备运行规律具有重要意义。二滩电厂故障录波系统能实现录波数据同步四级存储：第一级是将录波数据存储在DSP板载的大容量FLASH存储器内；第二级是将录波数据存储在32位嵌入式CPU板上配置的微硬盘内；第三级存储是将录波数据存储在管理机配置的大容量硬盘内；第四级存储是将录波数据存储在故障录波信息子站数据通信服务器上，数据存储示意图如图2所示。

图2 故障录波数据存储示意图

录波数据的四级存储大大提高了数据存储的安全性与可靠性，并为数据查询与提取提供了很大的方便。

2 录波数据在电气试验中的应用

2.1 录波数据在发电机升流试验分析中的应用

2.1.1 发电机升流试验原理及意义

发电机转子通常包括多个磁极绕组、绕组引线、阻尼绕组等，具有较大的转动惯量。由于离心力的作用，在运行中线匝绝缘的移动、转子绕组端部的热变形、线匝端部垫块松动或护环绝缘衬垫老化，小的导电粒子或碎物进入转子线匝端部和转子通风沟等会导致转子绕组匝间短路。转子绕组匝间短路会造成短路局部过热、引起磁通的不对称和转子受力不平衡，从而引起转子振动，严重时导致转子接地故障发生。机组正常运行时，略去开槽造成的磁动势的少许不连续，转子磁动势的空间分布近似为梯形。当转子绕组存在匝间短路时，会导致短路磁极的磁动势局部损失。由于转子绕组短路后有效匝数减少，为了维持磁动势的平衡，励磁电流将会增加。因此，励磁电流是发电机转子绕组匝间短路一个重要的故障特征量［3-5］。

发电机升流试验即短路特性试验，是指在发电机额定转速下，定子绕组三相稳态短路时得到定子绕组电流与转子励磁电流的关系曲线的试验。在发电机三相短路时，其合成电势只有漏抗压降，所以对应的气隙合成磁通很小，其磁路处于不饱和状态。因此，励磁电流变化时，合成电势和对应的短路电流理论上成正比关系，所以，短路特性曲线是一条通过原点的直线。发电机短路特性试验作用主要有：

（1）检查定子三相电流是否对称。

（2）通过发电机短路特性试验可以检查转子是否有匝间短路，特别是检查与转速有关的不稳定匝间短路。因为在一定转速范围内短路电流与转速无关，可以避免因转速不同引起的测量误差。因此，发电机升流试验对反映转子绕组严重的匝间短路故障较空载特性灵敏。实践证明，当转子绕组匝间短路匝数大于3%时，短路特性能灵敏的反映出来。

（3）通过短路特性试验数据，结合空载特性曲线可以求取发电机的一些重要参数。

2.1.2 试验数据处理与分析

在试验过程中，应监视检查发电机三相电流的对称性及相位情况，当出现幅值或相位异常时应查明原因，必要时停机灭磁处理。试验结束后，故障录波装置能根据发电机定子电流、励磁电流自动生成短路特性曲线，其中定子电流为三相电流平均值。

发电机短路试验曲线示意图如图3所示。

通过试验波形，可以看出发电机短路特性曲线是一条通过原点的直线。将短路特性试验曲线与发电机出厂试验数据或者历年短路特性试验曲线相比较可以判断发电机是否存在故障。试验过程中机端电流检查可以看出，发电机定子电流三相对称，幅值平衡，相位正确，三相不平衡度满足要求。若三相电流不平衡，需结合不同CT电流测量值来判断区分一次设备异常和二次设备异常，二次设备异常时应重点检查CT二次回路。

图3 发电机短路特性试验曲线示意图

表1 发电机升流过程机端电流检查表

图4 发电机升流过程中机端电流波形

如果短路特性曲线比历史短路特性曲线有明显降低，如图5所示，则说明发电机转子绕组存在匝间短路或励磁回路有故障，需要进行进一步检查处理。

图5 发电机短路特性曲线对比示意图

2.2 录波数据在发电机空载特性试验分析中的应用

2.2.1 发电机空载特性试验原理及意义

发电机空载特性试验是指在发电机以额定转速空载运行时，逐步增加励磁，升至额定电压的过程。试验过程反映定子电压与励磁电流之间的关系。通过发电机空载特性试验可以录制发电机空载特性曲线，检查发电机一次设备有无故障及绝缘状况，检查发电机电压互感器接线的正确性。

2.2.2 试验数据处理与分析

发电机空载特性试验曲线如图6、7所示。

图6 试验结束时原始空载特性曲线示意图

图7 发电机空载特性曲线拟合示意图

发电机空载特性试验过程中机端电压检查结果如表2所示。

表2 发电机空载特性试验过程机端电压检查

发电机升压过程中机端电压波形如图8所示。

图8 发电机升压过程中机端电压波形图

由发电机原始空载特性曲线可以看出，发电机空载特性呈现出磁滞曲线特征，即上升曲线稍低于下降曲线。通过曲线拟合可以得到发电机空载特性拟合曲线和方程，与发电机历史空载特性曲线相比较，可以判断发电机转子绕组是否发生短路故障。同时应注意，受剩磁影响会使定子绕组存在残压，会使空载特性曲线不通过坐标原点。因此，应对空载试验曲线进行校正。

同时，根据发电机升压过程中机端电压监视结果可以看出，发电机电压三相对称，幅值平衡，相位正确，三相不平衡度满足要求。当三相不平衡度超标时，会产生较大的负序及零序分量，此时应检查电压互感器及其回路接线。

另外，根据发电机短路特性曲线和校正后的空载特性曲线，可以计算得到同步发电机的短路比及同步电抗。例如，发电机短路特性曲线及空载特性曲线如图9所示。

图9 发电机特性曲线

图9中3条线由下至上分别为短路特性曲线、空载特性曲线、气隙线（即空载特性曲线直线部分的延长线）。

短路比是在发电机空载时使空载电势为额定值时（不饱和值）的励磁电流If0与发电机出口三相短路电流为额定值时的励磁电流Ife之比，短路比的倒数即同步电抗Xd（不饱和值），即：

发电机空载电势为额定值时（不饱和值）对应的励磁电流由气隙线求得。

3 结语

故障录波数据对于大型水电站在主变和发电机试验中的相关数据进行记录、分析，可以及时发现主变和发电机是否出现异常，有利于设备安全、可靠运行。

［1］武汉中元华电科技有限公司.ZH-3嵌入式电力故障录波分析装置技术说明书［Z］，2006.

［2］武汉中元华电科技有限公司.ZH-2B嵌入式发变组故障录波分析装置技术说明书［Z］，2006.

［3］罗志平，张旭宁.继电保护现场试验存在的典型问题及试验方法探讨［J］.电力自动化设备，2006，26（5）：96-99.

［4］叶军伟.发电机短路特性试验分析［J］.科技广场，2010（3）：203-205.

［5］任保瑞，赵 锋，刘小改，等.励磁涌流引起的变压器差动保护误动作分析及对策［J］.电网与清洁能源，2010（10）：6-9.

TV738

B

1672-5387（2016）07-0035-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.07.011

2016-04-22

于步亚（1984-），男，工程师，从事水电站运行维护工作。