发电机机端PT熔断器慢熔引起断线的故障检测方法研究

胡 帅，马 涛，周 勇

（国网新疆电力有限公司电力科学研究院，乌鲁木齐 830000）

0 引言

当发电机机端PT（电压互感器）一次侧和二次侧出现断线时，发电机-变压器组（以下简称“发变组”）保护装置的PT断线判据应能快速准确地检测到电压回路异常并发出报警信号，同时闭锁相关发电机保护和自动调压装置[1]。目前国内发变组保护装置关于PT断线的检测方法都是基于电压回路完全断线后的二次侧电压矢量状态，电压回路未完全断开的熔断器慢熔状态未纳入PT断线的检测范围[2]。新疆近年来发生多起因熔断器慢熔导致机组保护动作而跳机的事故，给电网和发电企业均造成巨大的经济损失[3]。虽然目前处理不停机更换熔断器的措施已十分完备，但设计包含熔断器慢熔状态检测的PT断线判据才是降低发电企业非计划停机风险的根本解决办法。

慢熔是一次熔断器熔丝熔断后瞬间在断口拉弧直至断口扩大至电弧完全断开的过程。在此过程中，故障相电压幅值略微下降，机端PT开口三角因故障相电压波形畸变而出现零序电压[4]。各保护装置生产厂家对机端PT断线的检测方法多采用电压平衡式原理。其中有代表性的判据如下：2组PT的相间电压向量差大于5 V；2组PT正序电压的差值大于3 V。根据文献[5]对电压回路电源侧和负载侧不同接线形式下发生PT断线时的电压矢量进行分析，可发现基于电压平衡式原理设计的判据涵盖了PT完全断线后所有的故障类型并满足动作条件。该判据可以对PT断线后的情况进行检测，但对电压回路未完全断开的熔断器慢熔状态存在检测灵敏度不足的问题，在文献[2]中有相关事故案例的论述。

因此，需要设计一种包含熔断器慢熔检测的PT断线判据。本文根据以往事故案例中发生熔断器慢熔时发电机相关保护和励磁调节装置的反应情况，提出了基于电压平衡式原理检测的PT断线判据改进措施。

1 发电机一次熔断器慢熔特征量

以PT二次回路Y-Y接线时A相断线为例，说明一次熔断器慢熔时机组励磁调节器的反应情况。故障时A相电压短暂缺失，励磁调节器迅速增磁并切换电压采集通道，此时励磁电压和B相、C相电压因机组增磁向上突变。当励磁调节器的机端电压采集通道切换完成后，机组减磁并调节机端电压至给定值，整个过程在0.5 s内完成，故障录波曲线如图1所示。在慢熔期间，事故相电压幅值因电弧阻抗略微下降[6]，机端PT开口三角出现二次谐波分量较大的零序电压。

图1 事故机组故障录波

整个过程中一次熔断器的电流和温度是决定熔丝寿命的关键，励磁电压突变量和机端零序电压增大是机组反应的显著特征，因此一次熔断器状态、励磁电压和机端零序电压是熔断器慢熔时PT断线检测的重要信息，检测原理如图2所示。

图2 改进后判据的检测原理

2 一次熔断器慢熔检测判据

2.1 一次熔断器电流

发电机机端PT一次熔断器的安秒特性决定着其对高压电气设备的保护能力[7]。在机组运行时环境温度对熔断器最小熔断电流的影响被忽略，流过熔体的电流为判断熔断器状态的唯一参量。熔断电流与熔断时间的关系见表1，其中Ie为熔断器额定电流[8]。

表1 熔断电流与熔断时间的关系

在熔断器电流超过阈值且未发生慢熔时，运行人员可以在1 h内完成在线更换熔断器的作业程序。因此，将1.6Ie设定为熔断器电流的预警值较为合适。

当电流I≥1.6Ie时，一次熔断器电流启动元件置1并保持；当电流I<1.6Ie时，一次熔断器电流启动元件置0。

2.2 机端零序电压

在熔断器断口燃弧过程中，因断口电容值变化和杂散电感的影响[9]，慢熔所在相二次电压波形出现畸变。虽然发电机内部故障和PT完全断线均可导致机端PT开口三角出现零序电压[10-11]，但只有因熔断器慢熔所引起的零序电压基波及其二次谐波电压含有率会显著增大。因此，可以将发电机零序电压基波分量和零序电压二次谐波电压含有率作为启动元件的逻辑判别条件。本文以熔断器慢熔时机组故障录波的实测数据作为研究同时刻机端零序电压变化量的依据，事故机组的机端PT开口三角零序电压各谐波分量含有率如表2所示。

表2 机端PT开口三角电压谐波分量

由表2可知，3次事故中机端PT开口三角均出现零序电压且含有较高的谐波分量。鉴于零序电压基波分量及其二次谐波电压含有率在事故前后故障特征明显且便于量化分析[12]，可取零序电压基波分量及其二次谐波电压含有率作为故障判别的特征量。考虑到机组正常运行时三相电压不平衡的因素，机端PT开口三角的零序电压值（UL）可根据实测而定，在无实测值时，DL/T 684-2012建议可取1.5～3 V[14]。由表2同时也可发现，熔断器慢熔时零序电压的二次谐波电压（U2）含有率均远大于GB/T 14549-1993中所规定的2%[13]。考虑到对故障特征量判别的准确性，将零序电压二次谐波电压含有率的启动值设定为20%。

2.3 励磁电压

励磁调节器在熔断器慢熔时因机端电压暂时缺失而迅速增磁并切换电压采集通道，在此过程中励磁电压存在数值突变。通过手动断开励磁调节器当前电压采集通道的二次侧单相电压来模拟熔断器慢熔时励磁调节装置的自动调节情况，机端电压和励磁电压波形见图3。

图3 机端电压和励磁电压波形示意

励磁电压突变量启动继电器动作判据：

式中： Ufd（t）为当前采样点；为当前采样点0.5个周期前的采样点；Ufd（t-3T）为当前采样点3个周期前的采样点。

由图3可知，励磁电压上升和下降阶段共计3个周期，因此，可认为当前采样点3个周期前的采样点是励磁电压突变前的正常励磁电压状态值。

设1个工频周期有24个采样点，当前采样点和往前12个点数值差的绝对值可认定为励磁电压突变量启动值。若检测到某一采样点对应的突变量启动值大于当前采样点3个周期前的励磁电压数值，则认为励磁电压存在突变，启动元件动作。

3 判据的实现

在熔断器慢熔初期，当流过熔断器的电流达到1.6Ie时，8098处理器输出高电平，并通过放大器电路启动出口继电器向发变组保护装置开入熔断器电流超量程信号，如图2所示。若AVR（励磁调节器）在此后某一时刻检测到励磁电压存在突变，则向发变组保护装置开入励磁电压异常信号并保持1 h。发变组保护装置对机端PT开口三角零序电压进行采样，并通过傅氏算法对零序电压进行二次谐波电压分析[15]，当零序电压基波分量及其二次谐波电压含有率均超过定值时启动元件置1。以上条件均满足时保护动作并出口PT断线信号。

在任意一相熔断器彻底熔断或者电压二次回路完全开路时，2组PT相间电压向量差的模值大于5 V，正序电压差值大于 3 V[5]，满足判别条件，保护动作并出口PT断线信号。改进后的PT断线判据逻辑如图4所示。

图4 PT断线新判据逻辑

4 对改进后判据的分析

（1）熔断器慢熔时能可靠动作并出口信号。在慢熔初期熔断电流满足启动元件的前提下，励磁调节器检测到励磁电压突变量后向发变组保护装置开入信号并保持。在此期间，机端PT开口三角一旦检测到机端PT开口三角零序电压基波分量及其二次谐波电压含有率超标，则保护装置动作并出口PT断线信号。

（2）电压回路完全断线时能可靠动作并出口信号。当发电机第二组PT一次侧或者二次侧A相完全断线时，2组PT利用电压平衡式原理所产生的二次电压矢量比较如图5所示。

图5 机端电压矢量图

由图5可知，当2PT的A相发生断线时Ua=0 V， Uab=-Ub，， Ux=57.74 V。 可见该判据满足PT一、二次侧断线检测的要求。

（3）机组正常增减磁时能可靠不动作。在正常自动增减磁时，励磁电压的每个采样周期中励磁电压变化值约为2.81 V。在励磁电压突变时，每个采样周期励磁电压变化值约为884.62 V。由此可见，励磁调节器可以正确区分励磁突变量和正常增减磁，避免保护误动。

（4）能区分系统故障和PT断线情况。当发电机机端发生单相接地或相间短路时，机端2组正常的PT所感受的二次电压完全相同。针对常规PT断线的判据，其所对应的线电压和正序电压幅值变化相同，两参量之差为零，不会误发PT断线信号；针对熔断器慢熔检测的判据，其熔断器电流在机组故障时不会达到预警值，因此也不会误发PT断线信号。可见该判据可以正确区分系统故障和PT断线情况。

5 结语

本文对基于电压平衡式原理的PT断线判据提出了一系列的改进措施，分析了发电机PT断线前期熔断器慢熔时励磁电压和机端电压的特点，提出了基于熔断器电流、励磁电压突变量、零序电压基波分量及其二次谐波电压含有率为故障特征量检测的PT断线新判据，该判据在原有判据的基础上解决了机端PT一次熔断器慢熔无法被即时检测的缺陷。