一起调相机励磁系统同步变压器接地故障分析

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2019年中国电机工程学会年会论文集一起调相机励磁系统同步变压器接地故障分析季遥遥，王光，郭自刚，周荣斌，房康南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市211102；AnalysisofGroundingFaultofSynchronousTransformerinCondenserExcitationSystemJIYaoyao,WANGGuang,GUOZigang,ZHOURongbin,FANGKangNanjingNRElectricCo.,Ltd.,Nanjing211102,China.摘要：本文介绍了一起调相机转子接地保护动作案例。通过分析保护装置记录的相关波形及故障报告，推测励磁变压器低压侧存在接地故障点。而现场排查励磁变压器低压侧，并未发现明显故障点。最终排查出励磁系统同步变压器原边C相烧毁造成的接地故障。接地故障特征与报文、波形的理论分析一致。故障特征具有代表性。关键词：调相机；转子接地保护；同步变压器；接地故障ABSTRACT:Thispaperintroducesacaseoftherotorgroundingprotectionofthecondenser.Byanalyzingtherelevantwaveformsandfaultreportsrecordedbytheprotectiondevice,itisinferredthatthereisagroundingfaultpointinthelowvoltagesideoftheexcitationtransformer.Onthelowvoltagesideofexcitationtransformer,noobviousfaultpointswerefound.Finally,thegroundingfaultcausedbytheburnoutofphaseCofthesynchronoustransformeroftheexcitationsystemwasfoundout.Thegroundfaultcharacteristicsareconsistentwiththetheoreticalanalysisoffaultreportsandwaveforms.Thefaultfeaturesarerepresentative.KEYWORD:condenser；rotorgroundingprotection；synchronoustransformer；groundingfault1引言例。调相机励磁系统同步变压器外接在励磁变低压侧，一般双套配置，不配置单独的保护装置，我国风电、水电、太阳能等能源分布不均衡，故障时刻自动切换。同步变压器原边发生接地故主要集中在西部，而负荷中心主要集中在东部。[1]障后，同步变压器自动切换但并不能切除接地故因此，直流远距离输电具有广阔的应用前景。障点，从而造成整个励磁系统低压侧持续接地，直流远距离输电需要消耗大量的无功功率，调相严重影响调相机组系统安全，需快速停机。根据机由于具有运行稳定、动态响应快、故障穿越能力强等特点，得到大规模的应用[2-3]。保护装置、故障录波器的故障报告及相关波形，本文对整个故障过程和保护动作原因进行了详转子接地故障是调相机组常见的一种故障。细分析，分析结果与公式理论推导一致，故障特根据现场动作情况统计，引起转子接地保护动作征具有典型性。的原因较多，如转子内部受潮、铁心生锈造成转子绕组主绝缘或匝间绝缘破坏，运行中转子滑环2保护动作情况概述上电流引线的导电螺钉未拧紧造成螺钉绝缘损XXXX年XX月XX日13:34:00:391ms某坏，电刷粉末沉积在滑环下面的绝缘突出部分造换流站2号调相机注入式转子一点接地保护跳成转子绝缘电阻严重下降，励磁变低压侧由于绝闸。2号调相机励磁为西门子励磁，经现场工作缘破坏造成接地等[4]。人员排查2号调相机励磁小间励磁连接柜发现，本文将介绍一起由于励磁同步变压器原边同步变压器原边C相烧坏，同时原边B相部分C相烧毁接地，造成调相机转子接地保护动作案有烧黑痕迹，同步变压器原边C相熔丝熔断，2

12019年中国电机工程学会年会论文集号调相机励磁小间其它柜内无异常。diagram一点接地设有两段动作值，高定值段动作于报警，低定值段可动作于信号也可动作于跳闸，报警延时和跳闸延时装置固定。注入式转子接地保护等效图，如下图3所示。转子绕组正端+Ry(1−α)Ur-RgdUsimR+mαUr-R转子绕组y图1同步变压器现场故障图负端Fig.1Fieldfaultdiagramofsynchronoustransformer3保护原理分析图3注入式转子接地保护等效图Fig.3Injectionrotorgroundingprotectiondiagram换流站2号调相机转子接地保护配置两套不图中，Ur为转子电压，Us为注入方波电源，同原理，一套注入式转子接地保护，一套乒乓式R为注入大功率耦合电阻，R为注入回路测量ym转子接地保护。正常运行时，投入注入式转子接电阻，im为转子绕组接地故障泄漏电流，α为以地保护，乒乓式转子接地保护备用。百分比表示的转子绕组故障接地位置（负端为3.1注入式转子接地保护原理0%），Rgd为转子绕组接地故障过渡电阻。注入式转子接地保护装置采用注入方波电注入式转子接地保护方波电源有正负半波压原理，方波周期根据现场参数整定，一般整定两种状态，对应测量电流分别为im1、im2，对范围为0.5~1.5s。转子接地保护反应的是转子回应方波电压分别为Us1、Us2。为方便分析，可路及其引出线（具有直接电气连接部分）的接地假定方波电源两种状态下转子电压不变，根据等故障，包括转子绕组本体、直流侧引线、交流侧效电路，最终可推导出转子绕组接地故障过渡电引线、励磁变低压绕组及同步变压器原边绕组等阻Rgd和接地位置α：[5]。∆UsRyRRgd＝−+（m）(1)采用双端注入式转子接地保护，原理为在转iimm12−2子绕组的正负两端与大轴之间注入一个低频方(i+i)⋅[R+2(R+R)]−2∆Um1m2ymgs波电压，实时求解转子一点接地电阻，保护反应α=0.5+(2)4UR调相机转子对大轴绝缘电阻的下降。双端注入式转子接地保护的工作电路如下图所示。其中，方波正负半波电势差为转注入电阻∆U=U−U(3)ss1s2子大转轴3.2接地故障分析子绕过渡电阻励磁同步变压器C相发生接地故障时，整流组注入电源电路采用6脉动桥式半控整流，其输出一端直接注入电阻与励磁绕组和注入式转子接地回路相连，另一端与励磁变低压侧和同步变压器原边相连，如图4图2注入式转子接地保护原理图所示。Fig.2Injectionrotorgroundingprotectionprinciple

22019年中国电机工程学会年会论文集mLdUr+图中，Rgd为转子绕组接地故障过渡电阻。注入电阻V1V3V5Rta1、Rtb1、Rtc1分别为励磁变低压侧A相绕组阻iai1i3i5a转值、B相绕组阻值、C相绕组阻值。Rta2、Rtb2分ib子b绕别为励磁同步变压器原边A相绕组阻值、B相绕注入电源ic组c励磁变压器组阻值。i6i4i2注入电阻V6V4V2对图6回路进行简化，如下图7所示。同步变压器nUr-整流桥RRy1图4转子接地故障接线图Fig.4RotorgroundfaultwiringdiagramRUsRimgdm当同步变压器原边C相熔丝熔断时，由于同步变三相绕组是直接电气连接的，注入方波信号RRy2通过另外两相绕组仍能与接地点构成回路。以V5和V6导通为例，注入回路示意图如图7转子接地故障V5\V6导通回路简化图图5所示。Fig.7RotorgroundfaultV5andV6conductionmLdUr+simplifieddiagram注入电阻V1V3V5其中，R1、R2分别定义如下：iai1i3i5a转RRRRR112＝((tb++tb)//tc12ta)ib子b绕注入电源((RRRRtb1212++tb))tcta(4)ic组＝励磁变压器cRRRR+++i6i4i2tb1212tbtcta注入电阻V6V4V2RRRR＝(+)//同步变压器2122tatbtanUr-整流桥(RRRta122+tb)ta(5)＝图5转子接地故障V5\V6导通接线图RRRta122++tbtaFig.5RotorgroundfaultV5andV6conductionwiring根据图7与公式1、公式2、公式4、公式5diagram可以推出转子接地电阻Rg当晶闸管V5导通时，回路经励磁变低压侧R1∆UsRyR=R+-R＝−+（R）(6)ggd2mB相绕组、同步变压器原边B相绕组和励磁变低22iimm12−压侧C相绕组、同步变压器原边A相绕组正端4机组保护装置录波数据分析接地；当晶闸管V6导通时，回路经同步变压器机组注入式转子接地保护定值整定如表1原边A相绕组和励磁变低压侧A相绕组、同步所示。变压器原边B相绕组负端接地。励磁绕组的正端表1注入式转子接地保护定值和负端各有1/3的时间接地。Tab1Injectionrotorgroundingprotectionsettings注入回路等效电路如图6所示：序号定值名称整定单位Rtb2Rtb11接地电阻2.5kΩRy2动作时间5.0sRR3切换周期1.0sta2tc1RUsRi换流站2号调相机励磁系统同步变压器原边gdmmC相烧毁接地，机组保护多次启动，最终接地电Rta2阻小于接地电阻定值，转子接地保护延时动作停Ry机。故障分析过程如下：RRtb2ta1XXXX年XX月XX日13:33:33:172ms转子一点接地启动，启动波形如图8所示。图6转子接地故障V5\V6导通示意图Fig.6RotorgroundfaultV5andV6conductiondiagram

32019年中国电机工程学会年会论文集启动时刻，接地电阻值为0.77kΩ，小于接地电阻定值2.5kΩ，保护启动；持续1.039s，小于转子接地动作时间，而后接地电阻值变成3.56kΩ大于接地电阻定值2.5kΩ，启动延时返回。XXXX年XX月XX日13:34:00:391ms转图8转子接地保护第一次启动波形子一点接地跳闸，跳闸波形如下：Fig.8Firststart-upwaveformofrotorgroundingprotection当励磁同步变压器原边发生非金属性接地故障时，1个工频周期内，励磁绕组的正端和负端各有1/3的时间经励磁变低压侧、同步变压器原边和过渡电阻接地，造成注入式转子接地泄漏电流中出现一定的工频交流分量。图11转子接地动作波形启动时刻，注入方波电压恒定为46.361V，Fig.11Rotorgroundingprotectionactionwaveform表明注入源正常。接地电阻值为1.38kΩ，小于接启动时刻，接地电阻值为0.55kΩ，小于接地地电阻定值2.5kΩ，保护启动；持续4.279s，小电阻定值2.5kΩ，保护启动；故障持续5s后，电于转子接地动作时间，而后接地电阻值变成阻值为0.39kΩ，小于转子接地电阻定值2.5kΩ。5.39kΩ大于接地电阻定值2.5kΩ，启动延时返回。转子接地保护跳闸。XXXX年XX月XX日13:33:41:562ms转5结束语子一点接地启动，启动波形如图9所示。本文分析了一起调相机转子接地保护动作案例，并且得到了一些有益的启示，总结如下：（1）转子接地保护范围为转子回路及其引出线的接地故障，包括转子绕组本体、直流侧引线、交流侧引线、励磁变低压绕组等，其中励磁系统同步变压器原边绕组也在保护范围之内；图9转子接地第二次启动波形Fig.9Secondstart-upwaveformofrotorgrounding（2）励磁同步变压器原边接地，由于励磁变protection低压侧绕组与同步变压器原边绕组存在电气连启动时刻，接地电阻值为0.39kΩ，小于接地接，即使故障相烧毁，接地点依然存在，因此快电阻定值2.5kΩ，保护启动；持续2.099s，小于速跳闸停机很有必要；转子接地动作时间，而后接地电阻值变成3.54kΩ（3）整流电路一端直接与励磁绕组和注入式大于接地电阻定值2.5kΩ，启动延时返回。转子接地回路相连，另一端与励磁变低压侧和同XXXX年XX月XX日13:33:47:925ms转步变压器原边相连。同步变发生接地故障后，随子一点接地启动，启动波形如下：着整流桥的切换，注入回路的泄漏电流中存在工频交流分量；（4）理论推导和现场故障分析，均验证了同步变压器原边侧接地故障导致调相机转子接地保护动作跳机，故障特征明显，具有代表意义，能很好的指导后续转子接地故障排查。图10转子接地第三次启动波形Fig.10Thirdstart-upwaveformofrotorgroundingprotection

42019年中国电机工程学会年会论文集致谢电力系统继电保护；房康（1986-），男，江苏南京人，本科，工程师，研究方向电力感谢南京南瑞继保电气有限公司相关领导和同事系统继电保护。的指导和帮助。参考文献[1]刘振亚.特高压电网[M].北京:中国经济出版社,2005.[2]王雅婷,张一驰,周勤勇,等.新一代大容量调相机在电网中的应用研究[J].电网技术,2017,41（1）:1-2.[3]阮羚,王庆,凌在汛,等.新型大容量调相机性能特点及工程应用[J].中国电力,2017,50（12）:57-60.[4]王维俭.电气主设备继电保护原理与应用（第二版）[M].北京:中国电力出版社,2002.[5]陈俊,王光,严伟,等.关于发电机转子接地保护几个问题的探讨[J].电力系统自动化,2008,32(1):90-92.作者简介：季遥遥（1984-），男，河北保定人，硕士，工程师，研究方向电力系统继电保护；王光（1980-），男，内蒙古达拉特旗人，硕士，高级工程师，研究方向电力系统继电保护；郭自刚（1979-），男，湖北随州人，硕士，高级工程师，研究方向电力系统继电保护；周荣斌（1981-），男，江苏丹阳人，本科，高级工程师，研究方向