發(fā)電機出口電壓互感器（potential transformer, PT）作為發(fā)電企業(yè)電氣運行的主要設備，肩負著出口電壓測量、發(fā)電量計量、繼電保護及勵磁系統電壓采集等重要作用，一旦發(fā)生故障，將嚴重影響發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行甚至導致機組非計劃停運。出口PT常見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，發(fā)電企業(yè)曾多次發(fā)生因出口PT繞組匝間短路而導致的非停事件。

以某發(fā)電集團公司為例，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的匝間短路問題，已成為嚴重影響機組安全運行的一個薄弱環(huán)節(jié)和亟待解決的突出問題。

針對PT繞組匝間短路問題，現有運行中的繼電保護裝置的保護閉鎖邏輯并不完善，在故障初期無法有效發(fā)現設備故障，往往只有當故障發(fā)展到嚴重的匝間短路階段才能發(fā)揮作用。

而針對PT匝間短路的常規(guī)停電檢測方法有直流電阻測試、變比測試及空載電流測試等，但停電檢測僅能作為預試或者事故發(fā)生后的檢測手段，事故發(fā)生并造成非停后再進行故障的確認，此時往往已造成嚴重的設備損壞和經濟損失。故相比于停電檢測，如何通過技術手段實現運行中發(fā)電機出口PT匝間短路故障的早期診斷和快速預警，顯得尤為重要。

為此，本文首先對PT匝間短路進行建模，并分析了PT匝間短路時一次電流的特征。根據此特征，本文設計了一種發(fā)電機出口PT匝間短路在線監(jiān)測裝置，該裝置可在出口PT運行中發(fā)生匝間短路時實現故障的早期診斷和快速預警，以便運行人員及時采取措施，防止非停事件發(fā)生。

1 發(fā)電機出口PT匝間短路等效模型（略）

發(fā)電機出口PT的工作原理與變壓器相同，但其一次繞組匝數較多，二次側所接測量儀表和繼電器的電壓線圈阻抗很大，正常運行時等效近似于開路（空載）狀態(tài)運行。

圖1 出口PT正常運行時等效電路圖

圖2 出口PT匝間短路時等效電路圖

2 發(fā)電機出口PT匝間短路在線監(jiān)測裝置設計

由第1節(jié)的分析可知，發(fā)電機出口PT一次繞組發(fā)生匝間短路時，其一次側電流會明顯增加。針對此特征，可開發(fā)一套出口PT匝間短路在線監(jiān)測裝置，該裝置實時監(jiān)測一次繞組電流的變化情況，當電流大小超過閾值時，立即發(fā)出報警信息，以便運行人員及時采取應對措施，避免機組非停事件發(fā)生。

2.1 基本原理

出口PT匝間短路在線監(jiān)測裝置通過電流采集器采樣發(fā)電機機端9個PT（發(fā)電機出口一般有3組PT，每組3相）一次繞組的電流值，并將電流量實時傳輸給網絡化控制系統（network control systems, NCS）。

同時裝置將采集到的電流值與設定的報警閾值相比較，當電流大于報警閾值時發(fā)出報警信號并上傳至分散控制系統（distributed control system, DCS），以便運行人員及時采取應對措施。裝置可存儲一個月的歷史數據，方便PT異常時數據的對比分析。出口PT匝間短路在線監(jiān)測裝置的基本原理如圖3所示。

圖3 發(fā)電機出口PT匝間短路在線監(jiān)測裝置原理框圖

2.2 硬件設計

1）CPU

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

STM32是意法半導體公司推出的基于Cortex- M3內核的微控制單元（micro control unit, MCU），具有產品線多樣化、多任務、功耗低、簡單易用的庫開發(fā)方式等特點，在中低端MCU市場占據領先優(yōu)勢。

STM32只有5個通用異步收發(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，因為要采集9個出口PT的電流數據，串口數量明顯不夠，需要額外擴展5個接口。

SPI（serial peripheral interface）協議是串行外圍設備接口，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。

目前市場上的芯片（GM814X、wk2206等），可以實現SPI轉多個串口的功能，一般可以將一個標準SPI接口擴展成2～6個標準的UART接口，所有擴展的串口能以各自獨立設置的波特率、幀長和校驗方式，同時和SPI接口進行數據收發(fā)。

2）工業(yè)人機界面觸摸屏

本裝置采用工業(yè)人機界面觸摸屏（HMI）作為顯示屏幕，與CPU通信，實現實時顯示每組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）設備通信，采用Modbus RTU協議作觸摸屏與主CPU之間的通信協議。

HMI除了實時顯示電流值，還需要生成歷史數據查詢、歷史數據曲線和故障報警界面。

3）電流采集器

出口PT工作于高電壓、強電磁干擾的環(huán)境下，而PT一次繞組的工作電流僅有毫安級別，如果把毫安級模擬量信號直接送到主CPU進行模數采樣處理，由于傳輸距離遠，受干擾影響非常大，采樣精度難以保證，所以設計時考慮在PT一次繞組接地側安裝一個電流采集器，負責把電流模擬量直接進行模數轉換，轉換過的數字信號通過232通信送至主CPU。電流傳感器采用具有很高的弱磁場磁導率的鐵心，如坡莫合金，采用磁性屏蔽技術來保證采樣電流的高精度、高穩(wěn)定性。

4）接口

PT在線監(jiān)測裝置不僅具有本地顯示、報警特點，還需具備遠傳報警功能。為此，設計了兩副常開干接點，主CPU進行邏輯控制，可以接入DCS或者其他中央控制系統，當發(fā)生匝間短路時，第一時間給運行工作人員發(fā)送報警信息。接口支持通過Modbus TCP等規(guī)約接入站內的通信管理裝置，把數據實時轉發(fā)至NCS，便于在NCS做其他邏輯使用。

2.3 界面設計

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

1）數據顯示和報警

HMI需要實時顯示電流采集器傳過來的電流數值，觸摸屏中顯示的數據通過訪問組態(tài)軟件指定的寄存器地址功能實現，寄存器地址即Modbus通信協議中的通信地址。報警設定可以在組態(tài)軟件中選擇類比報警或者數位報警，報警顯示控件選擇歷史報警顯示器，生成的樣式如圖4所示。

2）歷史數據

為了對比故障前后電流值的大小，查詢電流值的變化趨勢，需要形成電流值的歷史數據表格和歷史曲線圖。在組態(tài)軟件里通過設定取樣方式、內存地址、取樣長度即可，一般取樣方式取計時方式，即以用戶設置的時間間隔讀取數據。生成的效果如圖5所示。

圖4 數據顯示和報警信息

圖5 歷史數據效果圖

3 試驗驗證與現場應用

3.1 試驗驗證

采用JDZX9-20F1型發(fā)電機出口PT作為被試品進行試驗驗證。試品一次繞組總匝數約為13000匝，額定電壓為20kV，在實驗室環(huán)境下對其一次繞組施加電壓11.55kV，分別在繞組無匝間短路和人工制造匝間短路的情況下測量其一次繞組電流。

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)測裝置測量PT的一次電流值，并與標準儀器Fluke 18B+（分辨率0.01mA）所測數據進行比對，結果見表1。

表1 在線監(jiān)測裝置與標準源實測數值比對

由表1數據可得出：

• 1）PT正常運行時，其一次繞組電流僅有幾個毫安，隨著PT一次繞組短路匝數的增多，一次繞組流過的電流明顯增大，試驗結果與第1節(jié)的理論分析相吻合。
• 2）在線監(jiān)測裝置的測量結果與標準儀器的測量結果基本一致，誤差小于0.3mA，此誤差級別與PT繞組匝間短路時一次電流數十、數百毫安的數值相比，在可接受范圍內，在線監(jiān)測裝置的測量結果準確可靠。
• 3）當PT一次繞組的短路匝比僅為千分之三左右時，其一次繞組電流值已達數十毫安，遠大于正常運行時的一次電流值，在線監(jiān)測裝置通過設定合理的匝間短路報警閾值，即可靈敏、有效地反應匝間短路故障。

3.2 現場應用

出口PT匝間短路在線監(jiān)測裝置主要技術指標見表2。

表2 在線監(jiān)測裝置主要技術指標

本裝置于半年前在某電廠4號機投入試運，機組容量為330MW，機端額定電壓20kV。運行期間的數據見表3，采樣數據穩(wěn)定可靠，裝置無異常記錄。

表3 現場出口PT實測一次電流

4 結論

與傳統的停電檢測方法相比，PT匝間短路在線監(jiān)測裝置可實現運行中監(jiān)測PT狀態(tài)的功能，當PT發(fā)生輕微匝間短路故障時，即可實現故障的早期判斷和及時預警。目前PT匝間短路在線監(jiān)測裝置已經實現了產品應用，在機組運行期間，裝置運行穩(wěn)定，數據傳輸和HMI各項功能可靠。

PT匝間短路在線監(jiān)測裝置的開發(fā)有助于提高電廠自動化水平和機組安全運行水平，在PT匝間短路早期及時作出故障判斷和預警，使運行人員及時采取應對措施，防止機組發(fā)生非停事件。