CN117538746A - 发电机机端pt一次绕组匝间短路故障在线监测及预警方法 - Google Patents
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Abstract
发电机机端PT一次绕组匝间短路故障在线监测及预警方法，包括：Step1、对机端PT一次绕组匝间短路时的电气特征进行分析；Step2、建立发电机出口PT匝间短路等效模型；Step3、采集机端PT一次绕组对地电流及机端PT二次三相电压和零序电压，利用Step1中得到的机端PT一次绕组匝间短路时的电气特征及Step2的发电机出口PT匝间短路等效模型，判断是否发生机端PT一次绕组匝间短路故障，以及故障相别。本发明既考虑了机端PT一次绕组发生匝间短路时，机端PT二次相电压和零序电压的变化，也综合判别一次绕组对地电流大小，不仅能判断PT一次绕组运行情况，在发生故障时还能准确确定故障相别。
Description
技术领域
本发明涉及发电系统故障检测技术领域，具体涉及一种发电机机端PT一次绕组匝间短路故障在线监测及预警方法。
背景技术
机端PT常见的故障有一次绕组匝间短路、一次熔断器熔断及单相接地等。针对PT绕组匝间短路问题，现有运行中的继电保护装置的保护闭锁逻辑并不完善，在故障初期无法有效发现设备故障，往往只有当故障发展到严重的匝间短路阶段才能发挥作用，而在此之前定子接地保护可能已动作停机。近些年来，发电企业曾多次发生因机端PT绕组匝间短路而导致的非停事件。以某发电集团公司为例，在1年半的时间里，共发生5起因机端PT故障引发的机组非停事件，其中有4次是PT一次绕组匝间短路故障。机端PT的一次绕组匝间短路问题，已成为严重影响机组安全运行的一个薄弱环节和亟待解决的突出问题。
目前，针对PT匝间短路检测均为停电检测方式，包括直流电阻测试、变比测试及空载电流测试等，但停电检测仅能作为预试或者事故发生后的检测手段，事故发生并造成非停后再进行故障的确认，此时已造成严重的设备损坏和经济损失。所以相比于停电检测，如何通过技术手段实现运行中发电机机端PT一次绕组匝间短路故障的早期诊断和快速预警，显得尤为重要。
现有技术有采用测量主变高压侧零序电压、厂变低压侧零序电压、发电机中性点零序电压并分别计算各所述零序电压的基波有效值；利用注入式定子接地保护原理计算定子绕组对地绝缘电阻值；当发电机中性点零序电压的基波有效值大于定子接地保护动作定值，而主变高压侧零序电压的基波有效值和所述厂变低压侧零序电压的基波有效值均低于设定定值，并且定子绕组对地绝缘电阻值未降低，则判断为发电机机端电压互感器匝间短路，经过延时后报警，并且闭锁基波零序电压定子接地保护灵敏段。该种方法只判别主变高压侧、厂变低压侧、发电机中性点侧零序电压的大小，并未考虑躲过系统侧发生区外单相接地故障时产生零序电压，且判别主变高压侧、厂变低压侧零序电压，新增这两个模拟量采集，需要重新施放电缆，且距离保护装置安装位置较远，施工过程存在高空作业，增加了施工难度和风险。
还有一种方案，实时监测一次绕组电流的变化情况，当电流大小超过阈值时，立即发出报警信息。没有综合考虑机端PT一次绕组发生匝间短路故障时注入式定子接地保护实测的对地绝缘值一般不会明显下降，也没有综合考虑定子三相电压值的变化规律。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供发电机机端PT一次绕组匝间短路故障在线监测及预警方法，具备高灵敏度的针对发电机机端PT一次绕组匝间短路故障的在线监测功能。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
发电机机端PT一次绕组匝间短路故障在线监测及预警方法，包括以下步骤：Step1、对机端PT一次绕组匝间短路时的电气特征进行分析；
Step2、建立发电机出口PT匝间短路等效模型；
Step3、采集机端PT一次绕组对地电流及机端PT二次三相电压和零序电压，利用Step1中得到的机端PT一次绕组匝间短路时的电气特征及Step2的发电机出口PT匝间短路等效模型，判断是否发生机端PT一次绕组匝间短路故障，以及故障相别。
上述的Step1中，发电机机端PT的等效电路图为，每相的发电机定子A、B、C三相的电动势EA、EB和EC的一端中性点短接并通过发电机中心点对地电阻RN接地，A、B、C三相上存在分别由发电机电压系统每相对地等效电容CA、CB和CC和对应TV一次对地阻抗ZA、ZB和ZC并联组成的并联模组，并联模组的一端短接并接地，并联模组的另一端与发电机定子A、B、C三相的电动势EA、EB和EC的另一端串联连接；
当发电机机端PT一次绕组发生匝间短路时，有：
1)机端和中性点均会出现对地零序电压，导致基波零序电压定子接地保护动作；
2)电压最高相的下一相为故障相，与定子经过渡电阻接地时的故障特征相同；
3)机端PT的线电压变化不超过设定值，也与定子单相接地故障的电气特征相同；
4)注入式定子接地保护实测的对地绝缘电阻值下降值不超过设定值R1，而定子单相接地故障时，对地绝缘电阻值下降值会超过设定值R2，R2＞R1。
上述的Step2中，当出口PT一次侧绕组发生匝间短路时，可以把绕组的短路部分看作第三个绕组，相当于一台三绕组变压器在第三绕组发生短路，此时等效电路为：r1、x1分别为出口PT匝间短路后一次绕组的电阻和漏电抗；r2、x2分别为出口PT匝间短路后二次绕组的电阻和漏电抗；r3、x3表示短路匝的电阻和漏电抗；rd为电弧电阻，ZL为出口PT匝间短路后二次绕组阻抗，一次侧r1、x1及一次绕组串联，二次侧有两个绕组，其中一个二次绕组与r2、x2以及ZL串联组成回路，另一个二次绕组与r3、x3以及rd串联组成回路；
当出口PT发生匝间短路后，相当于多出一个“短路绕组”，因短路绕组阻抗远小于励磁阻抗，其一次电流会明显增加，在发电机出口电压互感器一次侧绕组的高压端与其中性点之间加装电流传感器，采集发电机机端多个PT的一次绕组电流值，通过保护装置实时监测一次绕组电流的变化情况，当电流大小超过阈值时，立即发出报警信号。
上述的Step3中，判断是否发生机端PT一绕组次匝间短路的具体方法为：
采集机端PT一次绕组对地电流，当采集的电流大于预设的电流动作定值且三相对地电流不平衡，同时判断采集的机端PT二次三相电压和零序电压，当机端零序电压大于零序电压定值，且PT一次绕组对地电流最大相的上一相电压最高，则综合判定该相电压最高的下一相发生了PT一次绕组匝间短路故障。
本发明提供的一种发电机机端PT一次绕组匝间短路故障在线监测及预警方法，既考虑了机端PT一次绕组发生匝间短路时，机端PT二次相电压和零序电压的变化，也综合判别一次绕组对地电流大小，不仅能判断PT一次绕组运行情况，在发生故障时还能准确确定故障相别。
与传统的停电检测方法相比，可实现运行中监测PT状态的功能，当PT发生轻微匝间短路故障时，即可实现故障的早期判断和及时预警。
本发明有助于提高电厂自动化水平和机组安全运行水平，在PT匝间短路早期、故障发展较慢时，能及时诊断和预警，一方面使运行人员及时采取应对措施，另一方面应用于闭锁定子接地保护，防止机组在此情况下发生非停事件。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明发电机机端PT的等效电路图；
图2为本发明出口PT一次侧绕组发生匝间短路时的等效电路图；
图3为本发明机端PT一次绕组匝间短路综合判别方法示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。
发电机机端PT一次绕组匝间短路故障在线监测及预警方法，包括以下步骤：Step1、对机端PT一次绕组匝间短路时的电气特征进行分析；
Step2、建立发电机出口PT匝间短路等效模型；
Step3、采集机端PT一次绕组对地电流及机端PT二次三相电压和零序电压，利用Step1中得到的机端PT一次绕组匝间短路时的电气特征及Step2的发电机出口PT匝间短路等效模型，判断是否发生机端PT一次绕组匝间短路故障，以及故障相别。
上述的Step1中，发电机机端PT的等效电路图为，如图1中所示，每相的发电机定子A、B、C三相的电动势EA、EB和EC的一端中性点短接并通过发电机中心点对地电阻RN接地，A、B、C三相上存在分别由发电机电压系统每相对地等效电容CA、CB和CC和对应TV一次对地阻抗ZA、ZB和ZC并联组成的并联模组，并联模组的一端短接并接地，并联模组的另一端与发电机定子A、B、C三相的电动势EA、EB和EC的另一端串联连接；
当发电机机端PT一次绕组发生匝间短路时，有：
1)机端和中性点均会出现对地零序电压，导致基波零序电压定子接地保护动作；
2)电压最高相的下一相为故障相，与定子经过渡电阻接地时的故障特征相同；
3)机端PT的线电压变化不超过设定值，也与定子单相接地故障的电气特征相同；
4)注入式定子接地保护实测的对地绝缘电阻值下降值不超过设定值R1，而定子单相接地故障时，对地绝缘电阻值下降值会超过设定值R2，R2＞R1。
上述的Step2中，当出口PT一次侧绕组发生匝间短路时，如图2中所示，可以把绕组的短路部分看作第三个绕组，相当于一台三绕组变压器在第三绕组发生短路，此时等效电路为：r1、x1分别为出口PT匝间短路后一次绕组的电阻和漏电抗；r2、x2分别为出口PT匝间短路后二次绕组的电阻和漏电抗；r3、x3表示短路匝的电阻和漏电抗；rd为电弧电阻，ZL为出口PT匝间短路后二次绕组阻抗，一次侧r1、x1及一次绕组串联，二次侧有两个绕组，其中一个二次绕组与r2、x2以及ZL串联组成回路，另一个二次绕组与r3、x3以及rd串联组成回路；
当出口PT发生匝间短路后，相当于多出一个“短路绕组”，因短路绕组阻抗远小于励磁阻抗，其一次电流会明显增加，针对这个特征，可以在发电机出口电压互感器一次侧绕组的高压端与其中性点之间加装电流传感器，电流传感器采用具有很高的弱磁场磁导率的铁心，如坡莫合金，采用磁性屏蔽技术来保证采样电流的高精度、高稳定性；
采集发电机机端多个PT的一次绕组电流值，通过保护装置实时监测一次绕组电流的变化情况，当电流大小超过阈值时，立即发出报警信号，以便运行人员采取应对措施；也可以将动作信号接入发电机保护装置以闭锁定子接地保护动作。
上述的Step3中，如图3中所示，判断是否发生机端PT一次匝间短路的具体方法为：
采集机端PT一次绕组对地电流，当采集的电流大于预设的电流动作定值且三相对地电流不平衡，同时判断采集的机端PT二次三相电压和零序电压，当机端零序电压大于零序电压定值，且PT一次绕组对地电流最大相的上一相电压最高，则综合判定该相电压最高的下一相发生了PT一次绕组匝间短路故障。
实施例：
在实验室环境下对PT一次绕组施加电压11.55kV，分别在绕组无匝间短路和人工制造匝间短路的情况下测量其一次绕组电流；人工制造的匝间短路分别为短路5匝、短路35匝、短路96匝、短路120匝和短路152匝5种不同工况；在不同工况下在线测量PT的一次电流值，并与标准仪器Fluke 18B+(分辨率0.01mA)所测数据进行比对,结果见表1。
表1在线监测装置与标准源实测数值比对
由表1数据可得出:
1)PT正常运行时，其一次绕组电流仅有几个毫安，随着PT一次绕组短路匝数的增多，一次绕组流过的电流明显增大，试验结果与理论分析相吻合。
2)在线测量的电流值与标准仪器的测量结果基本一致，误差小于0.3mA，此误差级别与PT绕组匝间短路时一次电流数十、数百毫安的数值相比，在可接受范围内，在线监测的电流测量结果准确可靠。
3)当PT一次绕组的短路匝比仅为千分之三左右时，其一次绕组电流值已达数十毫安，远大于正常运行时的一次电流值，在线监测装置通过设定合理的匝间短路报警阈值，即可灵敏、有效地反应匝间短路故障。
分析仪器机端PT的B相匝间短路故障，根据保护装置记录的发电机机端对地零序电压和中性点对地零序电压波形分析，其基波幅值均超过了10V，超过零序电压定值，因此，基波零序电压保护按整定延时动作。
分析其三相电压波形及其基波有效值，故障时的三相电压之间没有发生明显的不对称，与定子绕组经比较大的过渡电阻接地时的特征相似，故障相(B相)电压最低，约为51V，比正常时有所降低，超前相(A相)电压最高，约为64.6V，比正常时有所升高，而滞后相(C相)电压约为57.3V，比正常时略微降低，其大小介于A、B相之间。
Claims (3)
1.发电机机端PT一次绕组匝间短路故障在线监测及预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
Step1、对机端PT一次绕组匝间短路时的电气特征进行分析；
Step2、建立发电机出口PT匝间短路等效模型；
Step3、采集机端PT一次绕组对地电流及机端PT二次三相电压和零序电压，利用Step1中得到的机端PT一次绕组匝间短路时的电气特征及Step2的发电机出口PT匝间短路等效模型，判断是否发生机端PT一次绕组匝间短路故障，以及故
根据权利要求1所述的发电机机端PT一次绕组匝间短路故障在线监测及预警方法，其特征在于，所述的Step1中，发电机机端PT的等效电路图为，每相的发电机定子A、B、C三相的电动势EA、EB和EC的一端中性点短接并通过发电机中心点对地电阻RN接地，A、B、C三相上存在分别由发电机电压系统每相对地等效电容CA、CB和CC和对应TV一次对地阻抗ZA、ZB和ZC并联组成的并联模组，并联模组的一端短接并接地，并联模组的另一端与发电机定子A、B、C三相的电动势EA、EB和EC的另一端串联连接；
当发电机机端PT一次绕组发生匝间短路时，有：
1）机端和中性点均会出现对地零序电压，导致基波零序电压定子接地保护动作；
2）电压最高相的下一相为故障相，与定子经过渡电阻接地时的故障特征相同；
3）机端PT的线电压变化不超过设定值，也与定子单相接地故障的电气特征相同；
4）注入式定子接地保护实测的对地绝缘电阻值下降值不超过设定值R1，而定子单相接地故障时，对地绝缘电阻值下降值会超过设定值R2，R2＞R1。
2.根据权利要求2所述的发电机机端PT一次绕组匝间短路故障在线监测及预警方法，其特征在于，所述的Step2中，当出口PT一次侧绕组发生匝间短路时，可以把绕组的短路部分看作第三个绕组，相当于一台三绕组变压器在第三绕组发生短路，此时等效电路为：r1、x1分别为出口PT匝间短路后一次绕组的电阻和漏电抗；r2、x2分别为出口PT匝间短路后二次绕组的电阻和漏电抗；r3、x3表示短路匝的电阻和漏电抗；rd为电弧电阻，ZL为出口PT匝间短路后二次绕组阻抗，一次侧r1、x1及一次绕组串联，二次侧有两个绕组，其中一个二次绕组与r2、x2以及ZL串联组成回路，另一个二次绕组与r3、x3以及rd串联组成回路；
当出口PT发生匝间短路后，相当于多出一个“短路绕组”，因短路绕组阻抗远小于励磁阻抗，其一次电流会明显增加，在发电机出口电压互感器一次侧绕组的高压端与其中性点之间加装电流传感器，采集发电机机端多个PT的一次绕组电流值，通过保护装置实时监测一次绕组电流的变化情况，当电流大小超过阈值时，立即发出报警信号。
3.根据权利要求3所述的发电机机端PT一次绕组匝间短路故障在线监测及预警方法，其特征在于，所述的Step3中，判断是否发生机端PT一次绕组匝间短路的具体方法为：
采集机端PT一次绕组对地电流，当采集的电流大于预设的电流动作定值且三相对地电流不平衡，同时判断采集的机端PT二次三相电压和零序电压，当机端零序电压大于零序电压定值，且PT一次绕组对地电流最大相的上一相电压最高，则综合判定出该相电压最高的下一相发生了PT一次绕组匝间短路故障。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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