发电机组电制动停机过程测速装置误发信号的分析

曹华锋，陈钰林，莫元雄，赵兵，罗克武

（广东省能源集团天生桥一级水电开发有限责任公司水力发电厂，贵州 兴义 562400）

0 引言

天生桥一级水电厂装配了4×300 MW机组，测速采用SJ-22D转速测控装置，通过测量机械转速脉冲信号和发电机机端电压频率，实现对发电机组转速的测量和控制。2019年5月至7月，2号机多次出现电制动停机过程中，转速下降至40%Ne时，在转子加上制动励磁电流后，测速装置误发转速大于95%Ne、115%Ne信号。期间还导致了励磁调节器电制动停机后不能切换至等待状态，以及在机组远方开机过程中建压不成功的问题。虽然误发过速信号，但机组仍能完成停机，下次开机时，机组启动→起励建压→并网运行一切正常。2号机从5月13日首次误发过速信号后，又经历多次制动停机过程，并未出现过速信号。但6月20日后又出现数次制动停机时故障重现的情况，可见故障具有随机的特点。在确认测速装置本身无故障之后，初步判断是外界电磁干扰所致，因而将二次电缆更换为抗干扰性能更佳的产品，但故障并未消除。经过反复试验及分析，最终查出故障的原因是电压互感器（PT）一次B相保险存在缺陷使其电阻大幅增加而且数值不稳定所致，经更换B相PT一次保险后，制动停机时不再出现误发信号故障。现对故障进行分析，供同行参考。

发电机回路的简化接线如图1所示，发电机中性点采用经消弧线圈接地方式，发电机回路的三相对地电容分别为Ca、Cb、Cc，Y0/Y0接法的PT一、二次中性点接地，PT二次侧线电压Uab接测速装置的电气测频回路输入端，发电机出囗接电气制动短路开关QK。机组停机过程可以分为4个阶段：解列后灭磁前、解列灭磁后、转速下降至40%Ne制动前、转速下降至40%Ne投入制动后。现就4个阶段的运行情况分别进行论述，分析事件的原因和特点。

图1 发电机回路简化接线图

1 解列后灭磁前

采用B相保险完好和B相保险有缺陷两种情况进行分析对比，以便更清晰了解故障的特点。

1.1 PT一次B相保险完好

此时机端三相电压接近额定电压，PT二次线电压约100 V，相电压100/V。经测量相电压中三次谐波电压大约为基波的2.5 %，由于三相中三次谐波电压相位差是3×120°，所以是同相位的，各相的三次谐波电压可通过消弧线圈和各相对地电容（由于PT的励磁电抗比对地电容容抗大得多，可以忽略）形成电流通路，则PT可以测到各相对地电容上的三次谐波电压，而电气测频采样电压是线电压，a、b相三次谐波相互抵消，因此线电压只有基波而不含三次谐波分量，测速装置显示的是与转速相对应的基波频率。此时的基波电压矢量图如图2所示。

图2 解列灭磁基波电压矢量图

1.2 PT一次B相保险有缺陷

PT一次保险在长期运行中，会受到各种稳态和暂态因素的冲击[1]。例如，本厂机组在系统中担负调峰、调频、自动发电控制的任务，每台机每年开停机100多次至300多次，每次开机建压时，PT及其一次保险就会受到励磁涌流的冲击。诸多因素对PT一次保险影响的不断积累，就可能使保险出现缺陷。具体到本次故障来说，PT保险在某种因素的冲击下，B相保险的薄弱处出现了一个微小的断囗，但在一些点上还有粘连，并不是完全断裂。机组正常运行和解列后，机端电压为额定电压18 kV左右，B相保险的微小断囗会产生电弧，因电弧电阻很小，PT的B相一、二次电压并没有明显变化，对机组运行没有影响，加之调速用PT没有开囗三角绕组，不能测量到零序电压的微小变化。如果忽略很小的电弧电阻，情况与本文1.1部分相同，矢量图也和图2相同，测速装置显示正常。

2 解列灭磁后

2.1 PT一次B相保险完好

机组解列灭磁后，机端三相电压只有数值很小的剩磁电压（残压），实测PT二次剩磁线电压大约3 V左右，但三相残压的相位关系和上述灭磁前本文1.1部分是一样，三次谐波电压也只有剩磁基波电压的2.5%，且电气测频采样电压不含三次谐波。由于残压Uab超过测速装置的采样门槛电压0.2 V，故正确显示与转速相对应的基波频率，这时的基波矢量的相位关系与图2相同，只是幅值大大减小而己。

2.2 PT一次B相保险有缺陷

由于机端三相电压只有数值很小的剩磁电压，B相保险微小断囗的电弧会自行熄灭，保险没有缺陷时的电阻值很小（本厂现在使用的1 A保险只有3.4 Ω），可以忽略，断囗熄弧后保险的电阻值会大幅升高，使B相PT的励磁电抗串联了缺陷保险的电阻R，如图3所示。从图1可见，各相PT一次绕组与该相对地电容是并联的，而PT的励磁电抗比电容容抗大得多。例如，实测本厂单相PT二次绕组加上额定电压57.7 V时的励磁电流是0.56 A,则二次侧励磁电抗为57.7/0.56=103 Ω，PT电压比K=180，PT一次励磁电抗为XH=103×(180)2= 3 337 kΩ，5台PT励磁电抗并联为667 kΩ，发电机回路每相对地电容C0=1.268 6 μF, 计算得对地电容基波容抗XC0=2.51 kΩ，励磁电抗为容抗的200多倍，虽然B相保险阻值增大使该相的总阻抗（R+jXH）增大了，但几乎不会引起PT中性点产生位移，加在各相PT端口上（保险前面）的仍然是三相平衡电压。从图3可见，加于电阻上的电压为UR，加于B相PT一次绕组的电压为UB1，B相电压UB是二者的矢量和，即：

图3 B相保险有缺陷等效电路图

图4 解列灭磁后的基波电压

以上采用PT一次侧电压来分析，变换成二次侧电压只要除以变比K（180）即可。

3 转速下降至40%Ne制动前

3.1 PT一次B相保险完好

这时机端三相残压随转速按比例下降，但相位关系和三次谐波的描述与2.1部分是相同的，由于转速下降至40%Ne，PT二次基波线电压U˙ab降为3×0.4=1.2 V，高于采样门槛电压0.2 V，测速装置会正确测量和显示实际频率（20 Hz左右）。

3.2 PT一次B相保险有缺陷

机端三相残压随转速按比例下降，其描述与本文2.2部分是相同的，各电压矢量的相位关系也与图4相同，只是幅值随转速下降了，这时的基波最小采样电压为，仍高于采样门槛电压。虽然三次谐波和其他干扰波叠加在基波上，使波形有所畸变，但基波幅值远比谐波和干扰波大，而测频采样的削波电路，使波形只剩下底部幅值很小的一块（0.2 V左右），波形畸变不会影响正确频率测量。

4 转速下降至40%Ne投入制动后

这时的情况与制动前有很大的不同：①合上图1中的短路开关QK使发电机机端三相短路，当然PT一次侧引线也是三相短路；②发电机重新投入励磁，制动励磁电流大约等于空载励磁电流。

4.1 PT一次B相保险完好

励磁的投入使发电机三相定子绕组产生了感应电势，因而产生了三相短路制动电流，设制动电流为定子额定电流，则发电机励磁电流为空载额定值。设发电机的三相基波电势是三相平衡的，即幅值相等、相位互差120°，所产生的基波制动电流也是三相平衡的，因而没有基波电流进入消弧线圈和各相对地电容,所以PT上没有基波电压。

发电机的三次谐波电势是同相位的，三次谐波电流通过消弧线圈和各相对地电容形成通路，则PT测到的是对地电容（三相并联）上的三次谐波电压，由于PT一次引出端三相短路，故PT各相测到的是同一电压，显然各相电压Ua、Ub、Uc的幅值和相位都是相同的，如图5(a)矢量图所示，则两个相电压矢量相减的线电压Uab、Ubc、Uca都等于零,也即残压测频的采样电压为零，测速装置没有频率显示。表1列出了现场测试的数据，可见3个相电压幅值和相位相差很小,3个线电压数值接近于零，表中列出了以A相电压为基准的理论值与之对比。

图5 制动投入后三次谐波电压矢量图

表1 投入制动后各电压的实测值和理论值

4.2 PT一次B相保险有缺陷

测频采样电压uab的录波图如图6所示，图中最上面通道是B相保险有缺陷的波形，从录波图上面通道可见，波形己经畸变，含有高频的干扰波，但仍以三次谐波为主，只要细数一定时间间隔的波形数就可以看出频率约为60 Hz。测频采样电压如果大于测速采样门槛电压0.2 V，测速装置会显示三次谐波频率。投制动后三次谐波电压矢量图如图5（b）所示，由于忽略PT绕组电阻，则的夹角是90°, 故随着R阻值的变化的轨迹是以为直径的一个半圆。

图6 PT二次线电压uab录波图

录波图下面两通道是另外两组PT三相保险都完好时的波形，这时uab没有基波和三次谐波，只有高频干扰波，幅值低于采样门槛电压，测速装置就不会显示频率。

表2 投入制动后各电压的实测值

B相保险有缺陷时，投入制动后出现过速信号的某个运行状态，各电压的实测值如表2所示。这些电压中不但有三次谐波, 也含有高频干扰波，而图5（b）的矢量图只能表示三次谐波正弦电压。如果忽略高频干扰波，认为二次电压Ua、Uab为三次谐波正弦电压，则乘以PT电压比K就为一次电压，即UA=KUa=0.489K，UAB1=KUab=UR=0.271K。从图5（b）中的直角三角形可以算得UB1=0.407K，前面己算得PT的基波励磁电抗为3 337 kΩ，三次谐波（60 Hz）的励磁电抗为XPT=3 337×60/50=4 004 kΩ。从数值看，UB1/UR=IXPT/IR=XPT/R，可以算出本次发信状态时的保险电阻为R=XPT×UR/UB1=4 004×0.271/0.407=2 666 kΩ。

当UR等于采样门槛电压0.2 V时，可计算出UB1=0.446K。转速装置能发过速信号的保险临界电阻值RCP=XPT×UR/UB1=4 004×0.2/0.446=1 796 kΩ。所以保险电阻值必须大于RCP才能发信。运行中，因电流冲击（如开机励磁涌流冲击）、振动、接触电阻等原因，保险电阻值是不稳定的，在各次停机制动时，若保险电阻值大于RCP（1 796 kΩ）就会发信，小于RCP则不发信，这与运行实际情况相符合。曾将有缺陷的B相保险拆下实测其直流电阻值，经过摇动或放在不同位置阻值都不同，大约在200～2 700 kΩ的范围内变动。

转速装置误发过速信号的条件有二：①采样电压Uab大于门槛电压（0.2 V）, 这在前面巳分析过；②实测频率大于告警整定频率，转速下降至40%Ne投入电制动时，对应基波频率为20 Hz，而采样电压Uab测到三次谐波频率60 Hz，转速115%Ne告警整定频率为57.5 Hz,转速95%Ne告警整定频率为47.5 Hz,故测速装置两个告警信号都会启动。停机过程中随着转速下降使三次谐波频率小于57.5 Hz时, 转速115%Ne告警信号先复归，转速继续下降使三次谐波频率小于47.5 Hz时, 转速95%Ne告警信号复归。

5 结语

（1）发电机出囗PT一次保险故障时有发生[2-4]，它们大多是在正常运行或开停机过程中出现的，是外部和内部各种因素对保险的不利影响不断积累，而由量变到质变的过程。保险故障的情况各异，有快熔或慢熔，有完全断裂或不完全断裂，本文所述的就属于电阻增大的不完全断裂故障，具有相当的隐蔽性。经反复试验及分析，才查出故障原因是发电机出囗PT一次B相保险存在缺陷使其电阻增加，导致电气测频采样电路出现三次谐波电压所致，当阻值增大到使三次谐波电压大于测频采样门槛电压时，测速装置就会发告警信号。

（2）PT高压绕组属于一次电路，低压绕组属于二次电路，电厂的检修部门往往设一次、二次、通信等班组，各司其职。但是现场的一、二次设备是密不可分的，一次设备的运行监控是靠二次设备来实施的，其故障现象往往由二次设备反映出来。因此在故障分析和查找时，必须一、二次综合考虑。一般查找故障的顺序应是先一次、后二次，因为一次回路接线要比二次回路简单得多。例如这次故障，在经过认真分析确定故障出在B相PT回路后，应先检查PT的高压保险和高压绕组，如果没有问题再查二次回路。

（3）PT一次保险故障是诸多影响因素复合作用并不断积累的结果，因此要定期测量保险的电阻值以便及时发现缺陷，如果本次测量的电阻值比上次测值增加量大于5%原阻值，应更换该保险。