一起励磁变匝间短路的分析和对策

韩宪良

（广东省粤电靖海发电有限公司，广东 揭阳 551223）

一起励磁变匝间短路的分析和对策

韩宪良

（广东省粤电靖海发电有限公司，广东 揭阳 551223）

文章就广东某电厂自并励励磁系统中接自发电机出口的励磁变发生匝间短路事故进行了分析解读。通过从该励磁变结构及事故过程中相关保护动作情况等方面进行梳理分析，提出防止事故扩大、降低事故损失的改进意见，为同类型励磁系统提供借鉴。

自并励 ；励磁变；匝间短路；保护

广东某电厂励磁系统采用静止可控硅机端自并励励磁方式，励磁变采用广东顺特生产的树脂浇注干式变，型号为DCB9-3300/27，额定电压为27000/980V，接线组别为Yd11，F级绝缘按B级温升报警，带外壳，箱体防护等级为IP23，冷却方式AN/AF。励磁变配置双套F35保护装置，功能设置有励磁变高压侧速断保护、励磁变过流保护各两段动作于发变组全停，励磁变过负荷保护定时限报警，励磁变过负荷反时限程序跳闸。

1 事故发生的过程

事故前发电机经主变接入 500kV系统，所带负荷为400MW，发电机励磁系统（自并励）由机端励磁变供电。2013年9月6日7时48分励磁变高压侧电流速断保护动作，7.2ms励磁变过流保护动作，7.4ms发变组保护全停 I出口，11ms系统保护动作联跳动作，428ms发电机过激磁保护动作，518.6ms发电机定子接地保护动作。事故后调取的温控器记录数据显示，铁心最高温度为112℃，A相绕组最高温度为91℃，变压器温升正常。为了即时检查毁坏情况和对故障原因进行分析，现场对变压器进行了检查和试验，测得A相高低压侧对地绝缘为零，已被严重烧毁破坏。通过解体情况分析，故障发生在A相一组线圈的低压侧，因为匝间短路不断扩大导致A相高、低线圈全部烧损。

2 故障滤波记录分析

本励磁变采用分相式组装，即A、B、C三相分别为单相两芯柱变压器，然后用母线排将三相连接成Yd11方式。接线原理图如图1：

图1 励磁变接线原理图

故障录波图如图2，图中上部黄、绿、红表示励磁变高压侧的A、B、C三相线电流，即图1中的IA、IB、和IC，灰色表示高压侧中性点电流 I0，有中性点电流是因为电流互感器采用完全星型接线。图2下部黄、绿、红表示励磁变低压侧的a、b、c三相线电流，即Ia、Ib、和Ic。根据故障录波图的特性，将故障分为三个阶段进行分析。

图2 故障录波图

第一阶段主要反应出A相低压侧发生匝间短路初期，发生匝间短路的回路为单匝或少数，励磁变本身的短路阻抗受到的影响较小，整体而言对于低压侧非匝间短路线圈所感应的电流还是符合相序条件，所以对于低压侧的线电流影响也不是很大，即幅值和相位正常。由于励磁变联结组别为 Yd11型，零序电流在高压侧不能形成回路，但可低压侧内部形成零序回路，高压侧线电流与低压侧相电流相序保持相同。低压侧内部发生匝间短路后，也就相当于励磁变负载的不平衡，因而会在低压侧内部形成比较大的零序电流，而高压侧零序电流 I0仍为零。同时，低压侧发生匝间短路后，会在短路匝线圈内感应很大的反极性磁通，即低压侧A相线圈对外表现不再是电感，而是有一定阻抗的导电体，即图1中的变低ax发生高阻性短接，从而使高压侧AO产生比较大的电流IA，它然后经绕组BO、CO流回系统，所以就有高压侧B、C相电流的相位和幅值基本相同的情况。

第二阶段通过图2的故障录波图可看出，出现了中性点电流I0，幅值为13.99kA。但IA的幅值变小，反而IB、IC幅值增加到6.16kA，且相位与中性点电流相位I0基本相同。出现上述情况的主要原因是低压侧匝间短路继续发展，致使高压侧出现了接地。高压侧未接出现地前由于高压侧采用Y型接线，零序电流无法流通中性点O处的对地电位会升高，低压侧匝间短路作用在高压侧的大电流，使得高压侧A相线圈出现破皮闪络，非故障相由相电压变线电压，使得中性点电压升高为相电压15.6kV，造成中性点接地处有很大电流为13.99kA，并将中性点连接线烧断。这个过程中出现了IA的幅值变小，IB、IC幅值增加且与中性点电流相位基本相同的现象，进一步说明高压侧A相里面和中性点0接地，致使发电机出口的A相电压Ua降低且接近零，而B、C相升则为线电压水平，高压侧A相相当于被地短接，所以A相电流是比较小的。在A相和中性点0接地后，相当于B、C两相发生了相间接地短路，所以中性点的电流I0基本上为B、C两相之和，相位也相同。

第三阶段从图2的故障录波图可看出，中性点电流消失而A相电流迅速增加，且相位与B、C两相相反，其基本与第一阶段相同，只是电流幅值有大幅增加，A相电流 IA为11.982kA，出现上述问题的原因是由于中性点连接线被烧断后入地的中性点电流消失，在低压侧A相匝间短路的回路增多的情况下，高压侧A相的相（线）电流IA肯定会突然增大的。开关跳闸后发电机的转动惯量仍然存在，电流幅值是逐步衰减的，大约持续了12秒后A相电流IA才降为1.561kA。

通过上面分析，发生问题的主要原因是由于A相线圈低压侧发生匝间短路并不断扩大引起，同时还伴随着有接地等现象才上出现上述录波图。通过电流拆算后发现低压侧的电流有上几万甚至几十万安的电流，这个电流和持续时间是足够将A相高、低压侧铜箔烧烧损。

3 保护动作分析判断

励磁变高压侧额定电流212A（折合二次值 0.424A，CT变比 500/1）。励磁变高压侧速断保护由两段构成，瞬时速动段定值为5.5A，延时0S，短延时速动段定值2.1A，延时0.15S，励磁变过流保护定值为0.9A，延时0.5S。速动及过流保护均动作于发变组全停。励磁变过负荷保护定时限定值0.37A，延时12S报警，励磁变过负荷反时限启动值为0.37A，程序跳闸。发电机过激磁保护采用相电压判别元件，设有定时限和反时限段，定时限设两段，I段定值为1.07 pu，延时0.5S发信，II段定值为1.19pu，延时1S，反时限启动值为1.08pu，动作于解列灭磁；发电机定子接地保护定值为13.8V，延时0.5S，动作于发变组全停。

从发变组录波图图2分析，励磁变高压侧A相电流二次有效值为3.674A，B相电流二次有效值为1.838A，C相电流二次有效值为1.832A，且B、C相电流同相位，超过励磁变高压侧速断电流动作值2.1A，满足过励磁变高压侧速断保护动作条件，7：48：24：574，动作于发变组全停。7：48：24：995，发电机机端B、C两相电压在励磁变A相故障后升为线电压88V（1.53pu），大于发电机过激磁保护值；7：48：25：085，发电机中性点二次电压为85.7V，大于定值13.8V，定子接地保护动作。

整个过程从发生低压侧故障至故障电流达到短延时速断保护电流定值的时间 650ms；故障电流达到短延时速断电流定值至发生高压侧单相接地故障的时间148ms；发生高压侧单相接地故障至基波定子接地保护动作的时间 0.5s。而短延时速断延时150ms，保护动作速度慢，导致发展成高压侧单相接地故障，加上发电机转动惯量和残压的影响使得励磁变A相高低侧全部烧损。

表1 保护动作时序

4 改进措施

通过对此次励磁变事故过程及保护动作情况的全面分析，并得出相关结论如下，并进行了相关整改：

（1）由于励磁变未配置差动保护，导致本次低压侧故障切除慢，最终发展为高压侧接地故障，可以考虑对励磁变保护进行改造。近年励磁变发生多次故障，咨询国内各保护厂家，通过近年来百万机组励磁变的运行情况进行总结分析，励磁变配置差动保护还是有一定的必要性。

（2）广东近年投运的大机组基本未配置励磁变差动保护，建议有条件（低压侧安装有保护级CT）的电厂考虑增配差动保护。

（3）对于未配差动保护的励磁变（包括低压侧未安装CT的励磁变），其速断过流保护应对励磁变低压侧母线短路有灵敏度，速断过流保护与励磁柜熔断器的电流及时间定值的配合进一步优化。

（4）过激磁保护应改用线电压接线，要求厂家及继保人员进行了保护升级工作，提高保护的可靠性。

（5）机端接地故障中性点电流较大，定子接地保护已校验电压定值可躲高压侧短路，建议时间定值（0.5s）考虑适当缩短（按规程最小可整0.3s）。

（6）原励磁变温控器测温元件，仅用于就地的温度显示、启动风机、报警以及起动保护，无法实现干式励磁变温度的远方显示，不利于运行人员随时监视励磁变温度的运行情况。励磁变三相绕组另外加装一组测温元件，DCS和励磁变温控器输出的超温报警信号都作为励磁变超温信号分别报警，以提醒运行人员采取相应的措施。并在励磁变间加装了独立通风系统。

5 结束语

此次事故最初由励磁变低压线圈（中下部）对铁心或屏蔽放电、导线出现毛刺、绝缘强度不够等原因所引起，而最终由低压侧匝间短路扩大到高压侧接地。通过对此事故的发展全程剖析，提出励磁变增配差动保护的建议，对励磁变有联系的发电机相关保护进行了优化，此外还励磁变温控进行了升级改造。经过多方面的改善，能够有效的防止励磁事故发生，发生事故更能降低事故损失，在励磁系统安全稳定运行过程中起到了很好的效果。

［1］ 张阳辉，翁利国，方敏.关于特大型水电站励磁变保护配置方案的探讨［J］.浙江水利水电专科学校学报，2013，（4）：21-23.

［2］ 王璐，周渊.干式励磁变超温保护的改进［A］.全国发电机组技术协作会.全国火电大机组（300MW级）竞赛第37届年会论文集［C］.全国发电机组技术协作会，2008：3.

［3］ 郭建.励磁变压器事故分析与短路电流计算［J］.电力自动化设备，2002，（12）：74-76.

Analysis and countermeasure of the turn-to-turn short circuit between the turn of excitation variable

In this paper， an analysis is made on the inter turn short circuit fault in the excitation system of the self shunt excitation system of a power plant in Guangdong. Through the analysis of the excitation transformer structure and the related protective action in the accident process， put forward to prevent the expansion of the accident， improved opinion on reducing accident loss， to provide reference for the same type of excitation system.

Self shunt excitation； excitation variable； turn-to-turn short circuit； protect

TM57

A

1008-1151（2016）01-0044-03

2015-12-12

韩宪良（1981-），男，安徽滁州人，广东省粤电靖海发电有限公司工程师，从事电厂电气技术管理工作。