盘南电厂发电机出口PT匝间短路故障分析.docx

盘南电厂发电机出口PT匝间
短路故障分析
胡越冬
贵州金元发电运营有限公司盘南分公司
贵州省盘县响水镇 邮编：553505
摘要：针对盘南电厂#3发电机出口PT匝间短路故障，通过试验数据整理，结合设备结构，制造工艺、外围二次回路的影响进行全面剖析，深入研究发电机出口PT性能，对开展发电机出口PT三倍频感应式交流耐压试验进行探索，并提出了预防发电机出口PT匝间短路的防范措施。
关键词：电压互感器 PT 三倍频感应式交流耐压试验

一、前言
2014年4月17日03：50，盘南电厂#3发变组A柜发电机3U0定子接地保护动作， #3发电机与系统解列。经现场检修人员检查确认，#3发电机出口2PT B相本体发热严重，一次绕组匝间短路。盘南电厂发电机出口PT采用的是大连北方互感器厂生产的JDZX16-22型电压互感器，该型号的互感器在2013年和1014年已出现两次PT一次绕组匝间短路故障，设备可靠性降低，严重影响机组安全运行。对于如何避免该类故障的重复出现，提高设备运行的可靠性已成为亟待解决的问题。

二、设备参数
盘南电厂发电机出口PT采用的是大连北方互感器厂生产的JDZX16-22型单相户内式半绝缘电压互感器，发生故障的电压互感器具体铭牌参数如下：
JDZX16-22
户内单相式电压互感器
02220118
额定绝缘水平
34/65/125kV
频率：50HZ
GB1227-1997
额定电压比
22000/100/100/100
1a、1n
57.7V
30VA
0.2S
极限输出
400VA
2a、2n
57.7V
50VA
0.5S
极限输出
400VA
da、dn
57.7V
100VA
3P

重量
69kg
海拔
≤1000m
2006年10月制造

三、故障PT试验报告
技术人员在第一时间对发生故障的PT开展了如下表所示的测试项目

序号
试验项目
测试结果
合格情况
1
一、二次直流电阻测试
1、 一次绕组直流电阻1726Ω，数值不稳定跳动异常。
2、 二次绕组直流电阻分别为0.140Ω、0.143Ω、0.112Ω，数据合格。
一次绕组直流电阻异常；
二次绕组直流电阻合格。
2
绝缘电阻测试
1、 一次对二次及地绝缘电阻大于2500MΩ；
2、 二次对地绝缘电阻大于500MΩ。
绝缘电阻合格
3
一次绕组及二次绕组工频耐压试验
1、 一次绕组对二次及地3kV，1min通过；
2、 二次绕组对地3kV，1min通过。
一二次绕组绝缘合格
4
励磁特性试验
二次电压无法升压，通电时电流即达到5A以上。
励磁特性不合格
5
变比测试
额定变比为220、381；实测变比为237、406.
变比不合格
结论
判断PT一次绕组存在问题。

四、现场解体验证
为验证试验对于PT一次绕组存在问题的结论，现场技术人员对故障PT进行解体。现场解剖的结果验证了试验对于PT一次绕组匝间短路故障的判断。
1、 PT整体外观良好，为保证查找清楚，采用烘干炉加热进行解剖，清除外部所有环氧树脂，将线圈器身完全取出，线圈外部比较良好。（图1）

图1
2、 将一次线圈从最外层至最里层剖开，整体上看漆包线及层间绝缘纸比较完好，没有发现有明显的损坏点。将一次线圈进行逐层查找，最后发现靠近里层有两层绕组一次层间绝缘损坏及导线损坏的部位，表现为层间绝缘已经碳化损坏，漆包线有一根断开。（图2）

图2
3、 继续解剖二次绕组，二次绕组漆包线光亮如新，没有损坏，层间绝缘纸完好无损。（图3）

图3

五、盘南电厂开展PT试验项目的分析
发电机出口PT作为电气一类设备，盘南电厂每次停机期间都会安排常规的检查和试验项目。为什么在常规试验中没有发现PT一次绕组存在匝间短路的隐患，是由于试验项目不齐全，还是由于PT本身在制造工艺上就存在问题，这是我们需要重点关注的问题。
中国南方电网有限责任公司企业标准Q/CSG114002-2011《电力设备预防性试验规程》第六章 表13电磁式电压互感器（固体绝缘）的试验项目、周期和要求如下表所示：
序号
项目
周期
要求
说明
1
绝缘电阻
1、35kV：6年
2、大修后
3、必要时
不应低于出厂值或初始值的70%
1、采用2500V兆欧表
2、必要时，如：怀疑有绝缘缺陷时
2
交流耐压试验
1、大修后
2、必要时
1）一次绕组按出厂值的0.8倍进行
2）二次绕组之间及末屏对地的工频耐压试验电压为2kV，可用2500V的兆欧表代替
必要时，如：怀疑有绝缘故障时时
3
局部放电试验
必要时
在电压为1.2Um/√3时，视在放电量不大于50pc
必要时，如：对绝缘性能有怀疑时
4
空载电流和励磁特性
大修后
1、 在额定电压下，空载电流与出厂值比较无明显差别。
2、在下列试验电压下，空载电流不应大于最大允许电流：
中性点非有效接地系统1.9Un/√3
中性点接地系统1.5Un/√3

5
联结组别和极性
更换绕组后
与铭牌和端子标志相符合

6
电压比
更换绕组后
与铭牌标志相符

7
绕组直流电阻
1、大修后
2、必要时
与初始值或出厂值比较，应无明显差别
必要时，如：怀疑内部他有故障时
8
红外检测
1年1次
按DL/T664-2008《带电设备红外诊断应用规范》执行
用红外热像仪测量

根据盘南电厂目前所具备的试验设备条件，对于发电机出口PT开展的试验项目有：绝缘电阻试验、工频交流耐压试验、空载电流和励磁特性试验、电压变比测试、PT一二次绕组直阻测试、红外检查。其中绝缘电阻试验和工频交流耐压试验主要测试的是PT本体整体绝缘及一次绕组和二次绕组之间的绝缘，而其他几项试验项目可以作为判断PT一二次绕组有无存在匝间短路及内部故障的依据，在常规的检查和试验项目中均未发现PT内部异常。按照《电力设备预防性试验规程》规定，未开展的项目主要是三倍频感应式交流耐压试验。三倍频感应式交流耐压试验和局放试验主要是在设备大修期间，对PT一二次绕组进行150HZ的交流电压测试，该项目主要测试的是PT一二次绕组的匝间绝缘状态，相对于空载电流和励磁特性试验、电压变比测试、PT一二次绕组直阻测试等常规试验项目，三倍频感应式交流耐压试验能够进一步发现PT一二次绕组匝间绝缘劣化的情况，而常规试验只能在绕组匝间绝缘出现完全破坏的情况下才能得出结论。
需要特别指出的是，三倍频感应式交流耐压试验作为一种破坏性试验项目，对PT一二次绕组匝间绝缘劣化有加速效应，因此不建议在短时间内频繁开展，只有在大修后（周期6年）或是对PT匝间绝缘存在怀疑时（如PT二次电压明显波动、PT一次保险频繁烧断等）可以考虑开展。综合考虑在机组大修期间还是应该对发电机出口PT开展三倍频感应式交流耐压试验，由于盘南电厂以前没有配置三倍频感应式交流耐压装置，所以一直没有开展发电机出口PT的三倍频感应式交流耐压试验，在这次事故以后，盘南电厂购买了一套三倍频感应式交流耐压装置，对全厂所有机组出口PT补做该项试验。
发电机出口PT三倍频感应式交流耐压试验是利用磁路的饱和特性，取出装置中分量最大的三次谐波电压，对感应线圈式的PT进行匝间、段间、层间的倍频、倍压试验，以考核PT绕组的绝缘耐压水平。由于发电机出口PT一般分为全绝缘和半绝缘两种，在试验方法上有些区别。按照GB1207-2006电磁式电压互感器标准第10.2.2.1条b款要求，全绝缘不接地PT试验时,由一次绕组施加测试电压,试验时座架、箱壳、铁心、每个二次绕组的一个端子(不可短路)和一次绕组的另一个端子等均应连在一起接地。试验应对每一个一次绕组分别施加电压,持续时间为20s。按照GB1207-2006电磁式电压互感器标准第10.2.2.2款要求，半绝缘接地式电压互感器试验时由一次绕组的A端施加测试电压,试验时座架、箱壳、铁心、每个二次绕组的一个端子(不可短路)和一次绕组的低压端子等均应连在一起接地。持续时间为40s.

图4
下表是盘南电厂更换后的#3发电机出口PT三倍频感应式交流耐压试验数据，其中1PT、2PT为半绝缘结构，3PT为全绝缘结构。
安装位置
一次感应电压(kV)
试验时间(S)
试验结果
A
B
C
A
B
C
A
B
C
1PT
52
52
52
40
40
40
通过
通过
通过
2PT
52
52
52
40
40
40
通过
通过
通过
3PT
52
52
52
20
20
20
通过
通过
通过

六、PT匝间短路的原因分析
造成发电机出口PT匝间短路的原因是我们重点关注的核心问题，主要从以下几个方面考虑：
1、 PT二次回路测试及容量
通过试验分析，基于PT二次绕组完好的事实，盘南电厂发电机出口PT一次绕组匝间短路的原因基本可以排除二次绕组及回路有短路、过负荷或是误接线现象。盘南电厂自2006年投产以来，经过多年的技术改造，目前发电机出口PT二次回路上所带的设备与建厂之初设计时的设备相比已经有了部分变化，尤其是近几年来新增的PMU相量采集装置、RTU汽轮机大轴扭振监测装置等，都在一定程度上增加了发电机出口PT二次回路的负荷，为保险起见，技术人员对厂内发电机出口PT二次回路上进行了二次电流测量，以下是#3测量结果如下：
回路编号
测量电流（A）
回路编号
测量电流（A）
1A1612
0．0433
2A2612
0．0065
1B1612
0．0435
2B2612
0．0063
1C1612
0．0433
2C2612
0．0075
1A2613
0．0079
L623
0．0046
1B2613
0．0112
L633
0．0038
1C2613
0．0065
L601
0．0045
1A3613
0．0043
3A1612
0．0042
1B3613
0．0069
3B1612
0．0038
1C3613
0．0047
3C1612
0．0067
2A1612
0．0133

2B1612
0．0139

2C1612
0．0139

按照测量到的最大二次回路1B1612的电流0.0435A进行核算，折算到PT一次侧的电流应为0.0435/220=0.0001977A，该电流远小于一次保险0.5A的额定值；同时PT二次绕组的额定容量为400VA，该二次回路的容量为0.0435*100=4.35VA，远小于发电机出口PT二次绕组的额定容量。
2、发电机封闭母线绝缘水平
作为同发电机出口PT一次绕组直接电气连接的发电机出口封闭母线的绝缘水平也是必须考虑的因素，如果发电机出口封闭母线绝缘存在问题，在发电机运行过程中会出现闪络、对地放电等现象，这对发电机出口PT一次绕组会形成电压的波动冲击。因此每次机组A修及B修期间我们都会对发电机封闭母线进行绝缘及交流耐压测试。以下是2012年3号机B修期间我们对3号发电机出口封闭母线开展的绝缘及交流耐压试验数据。
（1）绝缘电阻
试验电压： 2500 V
测点
绝缘电阻值（单位：GΩ）
耐压前历史值
耐压前实测
耐压后历史值
耐压后实测
A-BCE
26.1
25.6
26.3
25.3
B-ACE
24.4
24.1
27.1
24.5
C-ABE
17.4
25.6
31.5
26.3
（2）交流耐压
测点
历史值（试验电压：kV）
实测值（试验电压：kV）
时间（单位：min）
试验结果
A-BCE
45
51
1
合格
B-ACE
45
51
1
合格
C-ABE
45
51
1
合格
从以上数据可以看出3号发电机出口封闭母线的绝缘水平是完全满足要求的。在机组运行过程中，如果发电机出口封闭母线出现闪络、对地放电等现象，发变组的发电机3U0定子接地保护、故障录波系统将会启动。近年来盘南电厂4台机组的发电机3U0定子接地保护在正常运行过程中未发生过启动，故障录波系统也没有由于发电机出口及中性点零序电压波动而触发启动，因此基本可排除由于发电机出口封闭母线绝缘问题造成出口PT一次绕组匝间短路的可能性。
另外，在2014年4月17日03：50发生事故的时间段左右，机组上没有任何设备操作，因此可排除由于厂内大容量电气操作产生电压波动的可能性，盘南电厂的TSR装置也没有任何录波记录，说明网上没有发生振荡的故障，可排除受系统振荡产生一次过电压的可能性。
3、 发电机出口PT的制造工艺
盘南电厂3号机组于2007年7月投运，迄今运行时间不到7年，按照相关行业标准及厂家推荐，单相户内式半绝缘电压互感器的运行寿命一般在10年以上，因此将故障原因简单归结于电气设备寿命到期的说法明显有不妥之处。
盘南电厂的发电机出口PT采用的是单相浇注式结构，即用环氧树脂抽真空进行浇注，在浇注时将PT的一二次绕组，绕组引线及引线端子，加上铁芯全部混合浇注成一个整体，然后将浇注体与底座等组装在一起。这种制造工艺其特点是结构紧凑，但制造要求比较高，浇注工艺比较复杂，对浇注材料环氧树脂质量要求很高，在浇注过程中要求将环氧树脂充满到PT绕组的层间，尽量消除内部气泡，以避免在运行过程中发生局部放电，形成绕组匝间短路。环氧树脂抽真空浇注一次成型，受浇注材料和浇筑工艺的影响，在浇注过程中如果混入气泡，将会对PT日后长期带电运行造成一定程度的影响，其极端结果就是在PT运行过程中发生一次绕组匝间短路。由于PT内部含有气泡的数量及大小具有分散性和不确定性，因此各PT发生故障的时间也就各不相同，气泡的数量和体积较小，发生内部局部放电对绕组匝间绝缘的影响也较小，PT的运行时间可能就会较长。
盘南电厂的发电机出口PT其制造时间集中在2007年以前，经过了解当时PT的制造厂家大连北方互感器厂采用的绝缘原材料环氧树脂为国产的，但近年来该厂家已采用进口的环氧树脂作为PT的绝缘原材料，对于绝缘原材料的更换是否有利于避免PT在制造过程中混入气泡、提高PT运行的可靠性有待于进一步了解。

七、防范措施
基于盘南电厂发电机出口PT匝间短路故障分析的结果，在今后的工作中可以考虑在以下几个方面采取防范措施：
1、 严格按照《电力设备预防性试验规程》相关要求开展发电机出口PT预防性试验。
2、 在没有进行设备更换以前，将发电机出口PT的绝缘、直阻和空载电流测试列入机组的“逢停必检”项目；
3、 保存好发电机出口PT励磁特性曲线数据，在进行发电机出口PT励磁特性测试后必须同历史曲线进行比对，当测试曲线与历史曲线有明显差别时，可考虑对该PT进行更换；
4、 在大修时对发电机出口PT开展三倍频感应式交流耐压试验；
5、 PT的超声波局部放电测试作为一种非电量的绝缘测试手段，对于PT是否存在内部气泡的判断有辅助作用，以后可考虑增加这方面的试验项目；
6、对今后新购买的发电机出口PT，必须要求厂家提供出厂的三倍频感应式交流耐压试验和局部放电试验报告，试验报告合格才能进行安装。
7、在机组B级及以上等级的检修期间必须开展发电机出口封闭母线的检查和试验工作；
8、对于发电机出口PT二次回路上增加的设备必须谨慎，在设计之初必须仔细核实有无容量越限的情况，在机组检修期间必须对PT二次回路开展绝缘测试工作；
9、定期对发电机出口PT开展巡检和红外线成像监测工作；
10、每周至少两次对发变组3U0电压通道和故障录波系统零序电压通道的数据进行检查，发现有异常必须尽快查明原因。

八、结语
发电机出口PT单台价值虽然不高，但其在发电系统所起的作用相当重要，发电机出口PT匝间短路故障通常会引起发电机组非计划停运，造成的损失相当大，因此发电企业有必要加强对该类设备从选型、订货、验收、投运以及日常维护、检修和试验的全方位管理。

九、 参考文献
1、《发电机出口PT闸间短路故障分析》辽宁调兵山煤矸石发电厂 杨洪亮 王国冠
2、中国南方电网有限责任公司企业标准Q/CSG114002-2011《电力设备预防性试验规程》
3、作者简介：胡越冬，生于1981年12月19日，男，贵州金元发电运营有限公司盘南分公司电热维修部二次班班长，2004年毕业于四川大学电气信息学院，本科学历，助理工程师，2004年7月进入盘南电厂参加工作，从事继电保护、高压试验、电测仪表、通信、自动化专业工作。
4、地址：贵州省盘县响水镇盘南电厂电热维修部 553505
5、邮箱： 21417993@