发电机出口电压互感器匝间短路分析及在线监测装置设计
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大唐华中电力试验研究院的研究人员张建华，在2020年第2期《电气技术》杂志上撰文，针对发电机出口电压互感器匝间短路故障频发并极易造成机组非停的问题，首先对电压互感器匝间短路进行建模，并分析了电压互感器匝间短路时的电气量特征，然后根据电气量特征设计了一种发电机出口电压互感器匝间短路在线监测装置。该装置可在出口电压互感器发生匝间短路时实现故障的早期诊断和快速预警，以便运行人员及时采取应对措施，防止非停事件发生。
发电机出口电压互感器（potential transformer, PT）作为发电企业电气运行的主要设备，肩负着出口电压测量、发电量计量、继电保护及励磁系统电压采集等重要作用，一旦发生故障，将严重影响发电机组的安全稳定运行甚至导致机组非计划停运。出口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。近些年来，发电企业曾多次发生因出口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，从2016年第四季度至2017年底，共发生5起因出口PT故障引发的机组非停事件，其中有4次是一次绕组匝间短路故障。出口PT的匝间短路问题，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。
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。
而针对PT匝间短路的常规停电检测方法有直流电阻测试、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，此时往往已造成严重的设备损坏和经济损失。故相比于停电检测，如何通过技术手段实现运行中发电机出口PT匝间短路故障的早期诊断和快速预警，显得尤为重要。
为此，本文首先对PT匝间短路进行建模，并分析了PT匝间短路时一次电流的特征。根据此特征，本文设计了一种发电机出口PT匝间短路在线监测装置，该装置可在出口PT运行中发生匝间短路时实现故障的早期诊断和快速预警，以便运行人员及时采取措施，防止非停事件发生。
1 发电机出口PT匝间短路等效模型（略）
发电机出口PT的工作原理与变压器相同，但其一次绕组匝数较多，二次侧所接测量仪表和继电器的电压线圈阻抗很大，正常运行时等效近似于开路（空载）状态运行。
图1 出口PT正常运行时等效电路图
图2 出口PT匝间短路时等效电路图
2 发电机出口PT匝间短路在线监测装置设计
由第1节的分析可知，发电机出口PT一次绕组发生匝间短路时，其一次侧电流会明显增加。针对此特征，可开发一套出口PT匝间短路在线监测装置，该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，立即发出报警信息，以便运行人员及时采取应对措施，避免机组非停事件发生。
2.1 基本原理
出口PT匝间短路在线监测装置通过电流采集器采样发电机机端9个PT（发电机出口一般有3组PT，每组3相）一次绕组的电流值，并将电流量实时传输给网络化控制系统（network control systems, NCS）。
同时装置将采集到的电流值与设定的报警阈值相比较，当电流大于报警阈值时发出报警信号并上传至分散控制系统（distributed control system, DCS），以便运行人员及时采取应对措施。装置可存储一个月的历史数据，方便PT异常时数据的对比分析。出口PT匝间短路在线监测装置的基本原理如图3所示。
图3 发电机出口PT匝间短路在线监测装置原理框图
2.2 硬件设计
1）CPU
发电机出口PT匝间短路在线监测装置的CPU采用STM32芯片。
STM32是意法半导体公司推出的基于Cortex- M3内核的微控制单元（micro control unit, MCU），具有产品线多样化、多任务、功耗低、简单易用的库开发方式等特点，在中低端MCU市场占据领先优势。
STM32只有5个通用异步收发传输器（universal asynchronous receiver/transmitter, UART）串口，在本装置中串口1固定与屏幕通信，因为要采集9个出口PT的电流数据，串口数量明显不够，需要额外扩展5个接口。
SPI（serial peripheral interface）协议是串行外围设备接口，是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的，是一种高速的、全双工、同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为印制电路板（Printed circuit board, PCB）的布局上节省空间，提供方便。STM32也集成有SPI接口。
目前市场上的芯片（GM814X、wk2206等），可以实现SPI转多个串口的功能，一般可以将一个标准SPI接口扩展成2～6个标准的UART接口，所有扩展的串口能以各自独立设置的波特率、帧长和校验方式，同时和SPI接口进行数据收发。
2）工业人机界面触摸屏
本装置采用工业人机界面触摸屏（HMI）作为显示屏幕，与CPU通信，实现实时显示每组PT的一次绕组电流值的功能。它的通信方式主要是串行通信，支持与主流的可编程控制器（programmable logic controller, PLC）设备通信，采用Modbus RTU协议作触摸屏与主CPU之间的通信协议。
HMI除了实时显示电流值，还需要生成历史数据查询、历史数据曲线和故障报警界面。
3）电流采集器
出口PT工作于高电压、强电磁干扰的环境下，而PT一次绕组的工作电流仅有毫安级别，如果把毫安级模拟量信号直接送到主CPU进行模数采样处理，由于传输距离远，受干扰影响非常大，采样精度难以保证，所以设计时考虑在PT一次绕组接地侧安装一个电流采集器，负责把电流模拟量直接进行模数转换，转换过的数字信号通过232通信送至主CPU。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。
4）接口
PT在线监测装置不仅具有本地显示、报警特点，还需具备远传报警功能。为此，设计了两副常开干接点，主CPU进行逻辑控制，可以接入DCS或者其他中央控制系统，当发生匝间短路时，第一时间给运行工作人员发送报警信息。接口支持通过Modbus TCP等规约接入站内的通信管理装置，把数据实时转发至NCS，便于在NCS做其他逻辑使用。
2.3 界面设计
HMI屏幕的组态软件有丰富且强大的开发功能，界面功能友好，可以轻松制作需要的画面。
1）数据显示和报警
HMI需要实时显示电流采集器传过来的电流数值，触摸屏中显示的数据通过访问组态软件指定的寄存器地址功能实现，寄存器地址即Modbus通信协议中的通信地址。报警设定可以在组态软件中选择类比报警或者数位报警，报警显示控件选择历史报警显示器，生成的样式如图4所示。
2）历史数据
为了对比故障前后电流值的大小，查询电流值的变化趋势，需要形成电流值的历史数据表格和历史曲线图。在组态软件里通过设定取样方式、内存地址、取样长度即可，一般取样方式取计时方式，即以用户设置的时间间隔读取数据。生成的效果如图5所示。
图4 数据显示和报警信息
图5 历史数据效果图
3 试验验证与现场应用
3.1 试验验证
采用JDZX9-20F1型发电机出口PT作为被试品进行试验验证。试品一次绕组总匝数约为13000匝，额定电压为20kV，在实验室环境下对其一次绕组施加电压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。在不同工况下用本文所开发的匝间短路在线监测装置测量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，试验结果与第1节的理论分析相吻合。
2）在线监测装置的测量结果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，在线监测装置的测量结果准确可靠。
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。
3.2 现场应用
出口PT匝间短路在线监测装置主要技术指标见表2。
表2 在线监测装置主要技术指标
本装置于半年前在某电厂4号机投入试运，机组容量为330MW，机端额定电压20kV。运行期间的数据见表3，采样数据稳定可靠，装置无异常记录。
表3 现场出口PT实测一次电流
4 结论
与传统的停电检测方法相比，PT匝间短路在线监测装置可实现运行中监测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。目前PT匝间短路在线监测装置已经实现了产品应用，在机组运行期间，装置运行稳定，数据传输和HMI各项功能可靠。
PT匝间短路在线监测装置的开发有助于提高电厂自动化水平和机组安全运行水平，在PT匝间短路早期及时作出故障判断和预警，使运行人员及时采取应对措施，防止机组发生非停事件。