發(fā)電機(jī)出口電壓互感器（potential transformer, PT）作為發(fā)電企業(yè)電氣運(yùn)行的主要設(shè)備，肩負(fù)著出口電壓測(cè)量、發(fā)電量計(jì)量、繼電保護(hù)及勵(lì)磁系統(tǒng)電壓采集等重要作用，一旦發(fā)生故障，將嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行甚至導(dǎo)致機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)。出口PT常見(jiàn)的故障有一次繞組匝間短路、一次熔斷器熔斷及單相接地等。近些年來(lái)，發(fā)電企業(yè)曾多次發(fā)生因出口PT繞組匝間短路而導(dǎo)致的非停事件。

以某發(fā)電集團(tuán)公司為例，從2016年第四季度至2017年底，共發(fā)生5起因出口PT故障引發(fā)的機(jī)組非停事件，其中有4次是一次繞組匝間短路故障。出口PT的匝間短路問(wèn)題，已成為嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)和亟待解決的突出問(wèn)題。

針對(duì)PT繞組匝間短路問(wèn)題，現(xiàn)有運(yùn)行中的繼電保護(hù)裝置的保護(hù)閉鎖邏輯并不完善，在故障初期無(wú)法有效發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，往往只有當(dāng)故障發(fā)展到嚴(yán)重的匝間短路階段才能發(fā)揮作用。

而針對(duì)PT匝間短路的常規(guī)停電檢測(cè)方法有直流電阻測(cè)試、變比測(cè)試及空載電流測(cè)試等，但停電檢測(cè)僅能作為預(yù)試或者事故發(fā)生后的檢測(cè)手段，事故發(fā)生并造成非停后再進(jìn)行故障的確認(rèn)，此時(shí)往往已造成嚴(yán)重的設(shè)備損壞和經(jīng)濟(jì)損失。故相比于停電檢測(cè)，如何通過(guò)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)運(yùn)行中發(fā)電機(jī)出口PT匝間短路故障的早期診斷和快速預(yù)警，顯得尤為重要。

為此，本文首先對(duì)PT匝間短路進(jìn)行建模，并分析了PT匝間短路時(shí)一次電流的特征。根據(jù)此特征，本文設(shè)計(jì)了一種發(fā)電機(jī)出口PT匝間短路在線監(jiān)測(cè)裝置，該裝置可在出口PT運(yùn)行中發(fā)生匝間短路時(shí)實(shí)現(xiàn)故障的早期診斷和快速預(yù)警，以便運(yùn)行人員及時(shí)采取措施，防止非停事件發(fā)生。

1 發(fā)電機(jī)出口PT匝間短路等效模型（略）

發(fā)電機(jī)出口PT的工作原理與變壓器相同，但其一次繞組匝數(shù)較多，二次側(cè)所接測(cè)量?jī)x表和繼電器的電壓線圈阻抗很大，正常運(yùn)行時(shí)等效近似于開路（空載）狀態(tài)運(yùn)行。

圖1 出口PT正常運(yùn)行時(shí)等效電路圖

圖2 出口PT匝間短路時(shí)等效電路圖

2 發(fā)電機(jī)出口PT匝間短路在線監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

由第1節(jié)的分析可知，發(fā)電機(jī)出口PT一次繞組發(fā)生匝間短路時(shí)，其一次側(cè)電流會(huì)明顯增加。針對(duì)此特征，可開發(fā)一套出口PT匝間短路在線監(jiān)測(cè)裝置，該裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)一次繞組電流的變化情況，當(dāng)電流大小超過(guò)閾值時(shí)，立即發(fā)出報(bào)警信息，以便運(yùn)行人員及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，避免機(jī)組非停事件發(fā)生。

2.1 基本原理

出口PT匝間短路在線監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)電流采集器采樣發(fā)電機(jī)機(jī)端9個(gè)PT（發(fā)電機(jī)出口一般有3組PT，每組3相）一次繞組的電流值，并將電流量實(shí)時(shí)傳輸給網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)（network control systems, NCS）。

同時(shí)裝置將采集到的電流值與設(shè)定的報(bào)警閾值相比較，當(dāng)電流大于報(bào)警閾值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并上傳至分散控制系統(tǒng)（distributed control system, DCS），以便運(yùn)行人員及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。裝置可存儲(chǔ)一個(gè)月的歷史數(shù)據(jù)，方便PT異常時(shí)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析。出口PT匝間短路在線監(jiān)測(cè)裝置的基本原理如圖3所示。

圖3 發(fā)電機(jī)出口PT匝間短路在線監(jiān)測(cè)裝置原理框圖

2.2 硬件設(shè)計(jì)

1）CPU

發(fā)電機(jī)出口PT匝間短路在線監(jiān)測(cè)裝置的CPU采用STM32芯片。

STM32是意法半導(dǎo)體公司推出的基于Cortex- M3內(nèi)核的微控制單元（micro control unit, MCU），具有產(chǎn)品線多樣化、多任務(wù)、功耗低、簡(jiǎn)單易用的庫(kù)開發(fā)方式等特點(diǎn)，在中低端MCU市場(chǎng)占據(jù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

STM32只有5個(gè)通用異步收發(fā)傳輸器（universal asynchronous receiver/transmitter, UART）串口，在本裝置中串口1固定與屏幕通信，因?yàn)橐杉?個(gè)出口PT的電流數(shù)據(jù)，串口數(shù)量明顯不夠，需要額外擴(kuò)展5個(gè)接口。

SPI（serial peripheral interface）協(xié)議是串行外圍設(shè)備接口，是Motorola首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的，是一種高速的、全雙工、同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時(shí)為印制電路板（Printed circuit board, PCB）的布局上節(jié)省空間，提供方便。STM32也集成有SPI接口。

目前市場(chǎng)上的芯片（GM814X、wk2206等），可以實(shí)現(xiàn)SPI轉(zhuǎn)多個(gè)串口的功能，一般可以將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)SPI接口擴(kuò)展成2～6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的UART接口，所有擴(kuò)展的串口能以各自獨(dú)立設(shè)置的波特率、幀長(zhǎng)和校驗(yàn)方式，同時(shí)和SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

2）工業(yè)人機(jī)界面觸摸屏

本裝置采用工業(yè)人機(jī)界面觸摸屏（HMI）作為顯示屏幕，與CPU通信，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示每組PT的一次繞組電流值的功能。它的通信方式主要是串行通信，支持與主流的可編程控制器（programmable logic controller, PLC）設(shè)備通信，采用Modbus RTU協(xié)議作觸摸屏與主CPU之間的通信協(xié)議。

HMI除了實(shí)時(shí)顯示電流值，還需要生成歷史數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)曲線和故障報(bào)警界面。

3）電流采集器

出口PT工作于高電壓、強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境下，而PT一次繞組的工作電流僅有毫安級(jí)別，如果把毫安級(jí)模擬量信號(hào)直接送到主CPU進(jìn)行模數(shù)采樣處理，由于傳輸距離遠(yuǎn)，受干擾影響非常大，采樣精度難以保證，所以設(shè)計(jì)時(shí)考慮在PT一次繞組接地側(cè)安裝一個(gè)電流采集器，負(fù)責(zé)把電流模擬量直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過(guò)的數(shù)字信號(hào)通過(guò)232通信送至主CPU。電流傳感器采用具有很高的弱磁場(chǎng)磁導(dǎo)率的鐵心，如坡莫合金，采用磁性屏蔽技術(shù)來(lái)保證采樣電流的高精度、高穩(wěn)定性。

4）接口

PT在線監(jiān)測(cè)裝置不僅具有本地顯示、報(bào)警特點(diǎn)，還需具備遠(yuǎn)傳報(bào)警功能。為此，設(shè)計(jì)了兩副常開干接點(diǎn)，主CPU進(jìn)行邏輯控制，可以接入DCS或者其他中央控制系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生匝間短路時(shí)，第一時(shí)間給運(yùn)行工作人員發(fā)送報(bào)警信息。接口支持通過(guò)Modbus TCP等規(guī)約接入站內(nèi)的通信管理裝置，把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)至NCS，便于在NCS做其他邏輯使用。

2.3 界面設(shè)計(jì)

HMI屏幕的組態(tài)軟件有豐富且強(qiáng)大的開發(fā)功能，界面功能友好，可以輕松制作需要的畫面。

1）數(shù)據(jù)顯示和報(bào)警

HMI需要實(shí)時(shí)顯示電流采集器傳過(guò)來(lái)的電流數(shù)值，觸摸屏中顯示的數(shù)據(jù)通過(guò)訪問(wèn)組態(tài)軟件指定的寄存器地址功能實(shí)現(xiàn)，寄存器地址即Modbus通信協(xié)議中的通信地址。報(bào)警設(shè)定可以在組態(tài)軟件中選擇類比報(bào)警或者數(shù)位報(bào)警，報(bào)警顯示控件選擇歷史報(bào)警顯示器，生成的樣式如圖4所示。

2）歷史數(shù)據(jù)

為了對(duì)比故障前后電流值的大小，查詢電流值的變化趨勢(shì)，需要形成電流值的歷史數(shù)據(jù)表格和歷史曲線圖。在組態(tài)軟件里通過(guò)設(shè)定取樣方式、內(nèi)存地址、取樣長(zhǎng)度即可，一般取樣方式取計(jì)時(shí)方式，即以用戶設(shè)置的時(shí)間間隔讀取數(shù)據(jù)。生成的效果如圖5所示。

圖4 數(shù)據(jù)顯示和報(bào)警信息

圖5 歷史數(shù)據(jù)效果圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用JDZX9-20F1型發(fā)電機(jī)出口PT作為被試品進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試品一次繞組總匝數(shù)約為13000匝，額定電壓為20kV，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)其一次繞組施加電壓11.55kV，分別在繞組無(wú)匝間短路和人工制造匝間短路的情況下測(cè)量其一次繞組電流。

人工制造的匝間短路分別為短路5匝、短路35匝、短路96匝、短路120匝和短路152匝5種不同工況。在不同工況下用本文所開發(fā)的匝間短路在線監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量PT的一次電流值，并與標(biāo)準(zhǔn)儀器Fluke 18B+（分辨率0.01mA）所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 在線監(jiān)測(cè)裝置與標(biāo)準(zhǔn)源實(shí)測(cè)數(shù)值比對(duì)

由表1數(shù)據(jù)可得出：

• 1）PT正常運(yùn)行時(shí)，其一次繞組電流僅有幾個(gè)毫安，隨著PT一次繞組短路匝數(shù)的增多，一次繞組流過(guò)的電流明顯增大，試驗(yàn)結(jié)果與第1節(jié)的理論分析相吻合。
• 2）在線監(jiān)測(cè)裝置的測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)儀器的測(cè)量結(jié)果基本一致，誤差小于0.3mA，此誤差級(jí)別與PT繞組匝間短路時(shí)一次電流數(shù)十、數(shù)百毫安的數(shù)值相比，在可接受范圍內(nèi)，在線監(jiān)測(cè)裝置的測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。
• 3）當(dāng)PT一次繞組的短路匝比僅為千分之三左右時(shí)，其一次繞組電流值已達(dá)數(shù)十毫安，遠(yuǎn)大于正常運(yùn)行時(shí)的一次電流值，在線監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)設(shè)定合理的匝間短路報(bào)警閾值，即可靈敏、有效地反應(yīng)匝間短路故障。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

出口PT匝間短路在線監(jiān)測(cè)裝置主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 在線監(jiān)測(cè)裝置主要技術(shù)指標(biāo)

本裝置于半年前在某電廠4號(hào)機(jī)投入試運(yùn)，機(jī)組容量為330MW，機(jī)端額定電壓20kV。運(yùn)行期間的數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，采樣數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，裝置無(wú)異常記錄。

表3 現(xiàn)場(chǎng)出口PT實(shí)測(cè)一次電流

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)的停電檢測(cè)方法相比，PT匝間短路在線監(jiān)測(cè)裝置可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行中監(jiān)測(cè)PT狀態(tài)的功能，當(dāng)PT發(fā)生輕微匝間短路故障時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)故障的早期判斷和及時(shí)預(yù)警。目前PT匝間短路在線監(jiān)測(cè)裝置已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品應(yīng)用，在機(jī)組運(yùn)行期間，裝置運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸和HMI各項(xiàng)功能可靠。

PT匝間短路在線監(jiān)測(cè)裝置的開發(fā)有助于提高電廠自動(dòng)化水平和機(jī)組安全運(yùn)行水平，在PT匝間短路早期及時(shí)作出故障判斷和預(yù)警，使運(yùn)行人員及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，防止機(jī)組發(fā)生非停事件。