張兵海，孟凡超，蘇艷賓，諶 偉

（1.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021；2.國(guó)電河北龍山發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 邯鄲 056400；3.神華河北國(guó)華定州發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 保定 073000）

近年來，河北多次發(fā)生發(fā)電機(jī)電壓互感器（TV）一次熔斷器在正常運(yùn)行過程中突然熔斷，造成發(fā)電機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)的故障，故障停機(jī)的繼電保護(hù)有發(fā)電機(jī)過激磁保護(hù)、定子3U0接地保護(hù)和定子匝間保護(hù)。發(fā)電機(jī)TV一次熔斷器熔斷后在安全措施可靠的情況下允許在運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行更換，不要求機(jī)組立即停機(jī)，因此在發(fā)變組保護(hù)、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中均設(shè)計(jì)有TV斷線的判別邏輯（用于反應(yīng)TV一次、二次斷線），用于閉鎖TV斷線后可能誤動(dòng)作的發(fā)變組保護(hù)或者將雙通道配置的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器切換到未斷線TV對(duì)應(yīng)的通道。從案例分析可知，由于發(fā)電機(jī)TV運(yùn)行位置的特殊性，發(fā)生一次熔斷器熔斷后的TV斷線邏輯通常來不及動(dòng)作或動(dòng)作門檻不滿足而不能動(dòng)作，進(jìn)而導(dǎo)致故障擴(kuò)大引起保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致機(jī)組跳閘。在TV一次熔斷器的選用方面，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)均是只有標(biāo)準(zhǔn)號(hào)而沒有實(shí)際內(nèi)容，無標(biāo)準(zhǔn)可依導(dǎo)致TV一次熔斷器在制造、試驗(yàn)、選型、運(yùn)行、維護(hù)等方面不夠規(guī)范。以下從實(shí)際案例入手對(duì)發(fā)電機(jī)TV一次熔斷器的幾起典型故障情況進(jìn)行分析探討。

1 幾起典型故障介紹

1.1 案例1

河北省南部電網(wǎng)某600 MW機(jī)組運(yùn)行過程中，發(fā)電機(jī)機(jī)端TV1 W相一次熔斷器熔斷，熔斷后W相電壓并未降到0 V，但由于斷口弧光的存在，使W相電壓略有降低。發(fā)變組A套保護(hù)使用TV1電壓，A套保護(hù)報(bào)TV斷線，發(fā)變組B套保護(hù)使用TV2電壓，B套保護(hù)無報(bào)警；勵(lì)磁調(diào)節(jié)器A通道為TV1電壓，B通道為TV2電壓，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器均無報(bào)警。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器A通道TV斷線邏輯未動(dòng)作，未進(jìn)行通道切換。自動(dòng)運(yùn)行方式的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器以機(jī)端三相相電壓的平均值為基準(zhǔn)進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)節(jié)，由于故障TV的W相電壓降低，A通道測(cè)到的三相電壓均值降低。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器增加勵(lì)磁電流，但A通道測(cè)到的三相機(jī)端電壓并未隨著升高（實(shí)際機(jī)端電壓已升高），因此勵(lì)磁調(diào)節(jié)器繼續(xù)升高勵(lì)磁電流，最終導(dǎo)致發(fā)電機(jī)過電壓。發(fā)電機(jī)過勵(lì)磁保護(hù)動(dòng)作門檻為大于1.1 Ue進(jìn)入發(fā)電機(jī)過激磁保護(hù)的反時(shí)限動(dòng)作區(qū)，錄波數(shù)據(jù)顯示發(fā)電機(jī)電壓已超過1.2 Ue，因此發(fā)電機(jī)過勵(lì)磁保護(hù)動(dòng)作跳閘。發(fā)電機(jī)保護(hù)及勵(lì)磁調(diào)節(jié)器機(jī)端TV配置見圖1。

1.2 案例2

冀北電網(wǎng)某300 MW機(jī)組運(yùn)行過程中，發(fā)電機(jī)機(jī)TV1的U相一次熔斷器熔斷，熔斷后同樣因?yàn)榛」獾拇嬖谝餟相TV諧振，發(fā)電機(jī)機(jī)端三相對(duì)地阻抗改變，導(dǎo)致取用發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)TV的發(fā)電機(jī)定子3 Ue接地保護(hù)動(dòng)作跳閘，錄波截圖見圖2。

圖1 發(fā)電機(jī)保護(hù)及勵(lì)磁調(diào)節(jié)器機(jī)端TV配置

圖2 案例2的發(fā)變組故障錄波截圖

1.3 案例3

河北省南部電網(wǎng)某200 MW機(jī)組運(yùn)行過程中，發(fā)電機(jī)機(jī)端TV3（匝間保護(hù)專用）W相一次熔斷器熔斷，同樣因?yàn)榛」獾拇嬖?，TV斷線邏輯沒有啟動(dòng)，未能將發(fā)電機(jī)匝間保護(hù)閉鎖，匝間保護(hù)也未取用負(fù)序功率方向閉鎖，最終發(fā)電機(jī)匝間保護(hù)動(dòng)作跳閘。

1.4 案例4

河北省南部電網(wǎng)某600 MW機(jī)組運(yùn)行過程中，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓互感器TV1的V相一次熔斷器熔斷，因?yàn)榛」獾拇嬖冢F(xiàn)象同案例1。當(dāng)時(shí)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓已接近1.1 Ue，因?yàn)檫\(yùn)行人員反應(yīng)較快且現(xiàn)場(chǎng)有檢修人員，將勵(lì)磁調(diào)節(jié)器通道進(jìn)行了切換，從而避免了一次停機(jī)故障。

2 故障的原因分析

熔斷器熔斷后因?yàn)楣ぷ魑恢秒妷悍浅８?，反?fù)拉弧是不可避免的，熄弧速度取決于熔斷形成的斷口大小和滅弧介質(zhì)的特性［1］。TV一次熔斷器滅弧介質(zhì)一般為石英沙。正常運(yùn)行TV一次熔斷器熔斷與短路熔斷不同，短路時(shí)電流較大，從而形成的斷口也大，通過石英沙的流動(dòng)可實(shí)現(xiàn)快速熄?。徽＿\(yùn)行過程由于TV并無異常，因此熔斷前的熔斷器通過電流非常小（小于0.5 A），從而形成的斷口也非常小，引起石英沙流動(dòng)的可能性較小，只能通過反復(fù)拉弧使斷口擴(kuò)大后，由填補(bǔ)斷口的石英沙來促進(jìn)滅弧，因此正常運(yùn)行過程中的熔斷器從熔斷到徹底熄弧斷開需要的時(shí)間較長(zhǎng)。在長(zhǎng)時(shí)間的拉弧過程中，因?yàn)榛」怆娮璧拇嬖?，?duì)應(yīng)相的發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓降低不明顯，因此保護(hù)和勵(lì)磁的TV斷線邏輯不能可靠動(dòng)作，從而不能對(duì)保護(hù)進(jìn)行閉鎖或者使勵(lì)磁調(diào)節(jié)器切換通道，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)電壓異常，或者因?yàn)榛」獾拇嬖趯?dǎo)致對(duì)應(yīng)相TV諧振，最終導(dǎo)致相應(yīng)繼電保護(hù)動(dòng)作跳閘。

熔斷器分為帶瓷芯（中間瓷柱）和不帶瓷芯2種，在正常運(yùn)行過程中的熔斷熄弧速度方面有明顯差別。帶瓷芯熔斷器的熔絲纏繞在瓷柱上，且匝間間距較大，不帶瓷芯熔斷器熔絲匝間間距較小；帶瓷芯熔斷器熔絲張力也比不帶瓷芯熔絲的張力大，不帶瓷芯熔絲熔斷后張力僅取決于熔絲重力，此重力對(duì)斷口擴(kuò)大的影響非常小，見圖3。因此不帶瓷芯熔斷器在小于其額定電流工作時(shí)，其熔斷熄弧速度遠(yuǎn)小于帶瓷芯熔斷器。

圖3 帶瓷芯和不帶瓷芯的TV一次熔斷器熔斷后的解體（左為不帶瓷芯，右為帶瓷芯）

以上4個(gè)案例中發(fā)電機(jī)TV一次熔斷器均為不帶瓷芯的熔斷器。GB 15166—2008《高壓交流熔斷器》對(duì)應(yīng)于IEC 60282，由于IEC 60282－7內(nèi)容空缺，GB 15166.7－2008《高壓交流熔斷器第7部分：電壓互感器保護(hù)用熔斷器的選用導(dǎo)則》也是空缺的，并且GB 15166—2008并未對(duì)熔斷器正常運(yùn)行時(shí)的熔斷熄弧時(shí)間進(jìn)行規(guī)定，因?yàn)橄ɑ√匦匀Q于熔斷器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝和材料，在三者相近的情況下，燃弧熄弧水平主要依靠熔斷后的斷口大小。由圖3可知，帶瓷芯熔斷器熔斷后斷口明顯大于不帶瓷芯熔斷器，因此發(fā)電機(jī)TV的一次熔斷器應(yīng)選擇為帶瓷芯熔斷器。

一般發(fā)電機(jī)TV一次熔斷器額定電流為0.5 A，GB 15166—2008中規(guī)定的弧前時(shí)間、燃弧時(shí)間以及安秒特性等參數(shù)，均為回路電流大于額定電流時(shí)所對(duì)應(yīng)的特性。按照TV額定二次負(fù)載及勵(lì)磁特性計(jì)算可知，在正常電壓情況下，TV一次工作電流小于0.1 A，因此正常運(yùn)行熔斷器熔斷后的斷口間距不明顯，而且由于電流小于額定電流，熄弧特性差于被保護(hù)設(shè)備短路時(shí)的熄弧特性，只有通過弧光燃燒使斷口擴(kuò)大到足以熄弧的間距時(shí)才可以完全熔斷。從熔斷后燃弧到完全熔斷需要一定的時(shí)間，由于弧光的存在，可能造成TV諧振、TV斷線邏輯不滿足動(dòng)作條件等，使定子接地保護(hù)、匝間保護(hù)、過勵(lì)磁保護(hù)動(dòng)作。

3 故障的預(yù)防措施

a.根據(jù)GB 15166.2—2008《高壓交流熔斷器第2部分：限流熔斷器》第9條選用導(dǎo)則說明，高壓熔斷器至少應(yīng)受到與被保護(hù)設(shè)備中精密制造元件同等程度的重視，跌落后或受過嚴(yán)重機(jī)械撞擊后，應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格檢查。該條款尤其對(duì)于不帶瓷芯的TV熔斷器重要。埋于石英沙中的熔絲在偏離瓷套管中間位置，因?yàn)樽柚堤匦宰兓?，在運(yùn)行過程中其薄弱部分在機(jī)組因外部過電壓的暫態(tài)沖擊時(shí)肯定易于熔斷。由GB 15166.7—2008的缺失，在TV保護(hù)用熔斷器的選擇時(shí)，建議選擇帶瓷芯的熔斷器，對(duì)于在運(yùn)的不帶瓷芯的熔斷器投用時(shí)應(yīng)進(jìn)行阻值的精確測(cè)試（而不是簡(jiǎn)單測(cè)試其通斷），測(cè)試數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)比較并進(jìn)行橫向的相間數(shù)據(jù)比較。雖然因?yàn)橐莆蛔冃嗡碌淖柚底兓幻黠@，但仍有必要做此項(xiàng)試驗(yàn)。

b.調(diào)整勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中TV判斷邏輯。雙通道配置的每一個(gè)通道應(yīng)按主從關(guān)系引入2組TV電壓，在原有TV斷線判斷邏輯（只判測(cè)一組TV電壓）基礎(chǔ)上增加2組TV的橫向比較邏輯。這樣可以避免只判斷一組TV電壓時(shí)由于動(dòng)作門檻原因所帶來的保護(hù)盲區(qū)，有助于出現(xiàn)以上故障時(shí)的早期通道切換，并應(yīng)增加勵(lì)磁系統(tǒng)的遠(yuǎn)方（指DCS畫面）運(yùn)行人員的“切換通道”控制，便于發(fā)現(xiàn)問題后及時(shí)進(jìn)行勵(lì)磁的通道切換，再通過閉鎖投退相關(guān)保護(hù)，在不停機(jī)情況下更換故障熔斷器。

c.對(duì)于TV一次熔斷器熔斷后燃弧引起TV諧振（或稱為TV鐵心飽合）的問題［3］，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)系統(tǒng)不是直接接地系統(tǒng)，發(fā)生發(fā)電機(jī)定子繞組非金屬性接地故障后，如果接地保護(hù)未及時(shí)動(dòng)作跳閘或動(dòng)作延時(shí)較長(zhǎng)，電容電流的因素可能造成接地相TV諧振，使TV損壞或一次熔斷器熔斷。選擇飽合倍數(shù)高的TV，在熔斷器熔斷斷口燃弧過程中不易發(fā)生諧振或飽合，通過運(yùn)行人員采取措施后不致于導(dǎo)致接地保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)。

d.發(fā)電機(jī)定子3 U0接地保護(hù)當(dāng)前多取用發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)TV二次電壓（或接地變壓器二次電壓），其好處是可不考慮發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)TV斷線閉鎖，相對(duì)取用機(jī)端TV開口角電壓可簡(jiǎn)化保護(hù)邏輯，但是在機(jī)端TV一次熔斷器正常運(yùn)行熔斷后，斷口燃弧引起TV飽合，定子對(duì)地三相阻抗不對(duì)稱，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電壓偏移，如案例2，取用發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的定子3 U0接地保護(hù)將動(dòng)作跳機(jī)，如采用機(jī)端TV開口角電壓則因?yàn)橛蠺V斷線閉鎖可有效避免跳機(jī)。研究認(rèn)為，在保護(hù)動(dòng)作和閉鎖邏輯完整情況下，考慮TV故障和一次熔斷器故障發(fā)生的概率，取用機(jī)端TV開口角電壓的定子3 U0接地保護(hù)優(yōu)于取用發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的情況。

e.發(fā)電機(jī)定子匝間保護(hù)一般均配置有負(fù)序功率方向閉鎖邏輯，發(fā)生匝間專用TV一次熔斷器熔斷的情況，因?yàn)橛胸?fù)序功率方向元件的閉鎖則可以防止匝間保護(hù)誤動(dòng)，部分廠家發(fā)電機(jī)定子匝間保護(hù)的閉鎖不是負(fù)序功序方向元件，如案例3，發(fā)電機(jī)匝間保護(hù)分靈敏段和次靈敏段，次靈敏段無TV斷線閉鎖和其他閉鎖且無動(dòng)作延時(shí)，雖然門檻整定較高，但案例3情況仍可導(dǎo)致其動(dòng)作跳閘。

研究認(rèn)為，發(fā)電機(jī)定子匝間保護(hù)不宜投入沒有任何閉鎖的保護(hù)段，采用2組TV平衡原理的斷線閉鎖邏輯和負(fù)序功率方向元件的閉鎖邏輯是比較完善的配置。

f.TV一次熔斷器屬于電氣一次設(shè)備范疇，一次設(shè)備發(fā)生故障或異常需要停機(jī)是正常的。從發(fā)電機(jī)TV熔斷器熔斷的結(jié)果看，如其引起TV飽合、損壞TV已屬于故障范圍擴(kuò)大，如果從運(yùn)行中更換一次熔斷器需要投退相關(guān)保護(hù)操作的復(fù)雜程度和在帶電區(qū)域更換熔斷器的安全性角度分析，熔斷器熔斷后停機(jī)更換是安全的，但由此帶來的發(fā)電量損失及非停考核則需要進(jìn)行各角度的斟酌權(quán)衡。

4 結(jié)論

a.在GB 15166.7—2008缺失的情況下，可參考GB 15166.2—2008的相關(guān)條款進(jìn)行TV保護(hù)用熔斷器的選擇及運(yùn)行維護(hù)，應(yīng)盡量選擇帶瓷芯的熔斷器。

b.發(fā)變組繼電保護(hù)和勵(lì)磁系統(tǒng)的TV斷線閉鎖邏輯應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化。繼電保護(hù)在保證“四性”前提下，也應(yīng)防止出現(xiàn)不必要的停機(jī)，勵(lì)磁系統(tǒng)各限制、閉鎖模塊的整定和功能也應(yīng)與繼電保護(hù)的相關(guān)邏輯進(jìn)行配合；發(fā)電機(jī)TV一次熔斷器故障引起的保護(hù)動(dòng)作停機(jī)宜按故障停機(jī)考慮，相關(guān)保護(hù)及自動(dòng)裝置的動(dòng)作或不動(dòng)作不宜按誤動(dòng)或拒動(dòng)考慮。

［1］ 王季梅，嚴(yán)煥玲，吳曾訐，等.電壓互感器用全范圍限流熔斷器的研究［J］，高壓電器，2002，38（3）：50－52，54.

［2］ GB 15166—2008，高壓交流熔斷器［S］.

［3］ 豆占良，鄒 暉，于 蒙.發(fā)電廠電壓互感器高壓熔斷器熔斷原因分析［J］，華電技術(shù)，2012，34（9）：23－26.