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龙口水电站4号主变压器三相电流不平衡分析与处理
任中秋
1 工程概述
龙口水利枢纽工程装机容量420MW，其中4台100MW机组用于晋蒙电网调峰，另装设一台20MW小机组用于非调峰期向河道泄放基流，小机组参与基荷运行。电站以220kV电压等级接入电力系统。220kV高压设备采用气体绝缘金属封闭开关设备（GIS），升压变压器高压侧采用高压电缆与220kV户内开关站GIS直接连接。五回进线，两回出线分别接入山西内蒙两省电网，发电机与变压器组合采用一机一变单元接线，电站的每一组发变单元的发电机出口均装设发电机断路器，电站按无人值班（少人值守）设计。
主变压器技术参数：
型号: SF10-120000/220 额定容量：120MVA 额定频率：50HZ 联结组别：YNd11 额定电压：242/15.75kV，见表1。
表1 主变压器技术参数
档 位 高压侧 低压侧
分接电压（kV） 电流（A） 电压（kV） 电流（A）
1 254.10 227.2 15.75 4399
2 248.05 232.8
3 242.000 238.6
4 235.95 244.7
5 229.90 251.1
该电站主变压器保护装置按照双配置原则设置，分别选用南京自凌伊电力自动化公司DGT801C和南瑞继保公司生产的RCS-985TS 作为主保护，额定电流：1A、额定电压：57.7V、工作电压：DC220V。主变压器保护设置电量和非电量两种类型保护配置，见表2。
表2 主变压器保护设置电量和非电量两种类型保护配置
保护类型 电气保护 非电量保护
保护名称 变压器差动 重瓦斯 轻瓦斯
变压器过流 压力释放
变压器过负荷 油温过高 油温高
变压器接地 主变绕组温度过高、主变绕组温度高
变压器间隙零序 主变冷却器电源消失
失步解列联跳、母差保护联跳
2 故障现象
2010年4月19日下午15:20时，龙口水电站4号机组开始新机并网带负荷试验，进行小电流二次回路检查，当机组负荷运行在8.3MW时基本负荷运行，按试验程序进行小电流二次回路检查。
机组侧三相电流为：Ia=0.0613A, Ib=0.0615A, Ic=0.0718A；三相最大电流为Ic=0.0718A，最小为Ia=0.0613A,平均值为IRAV=0.06487A，不平衡率为（0.0718-0.0613）÷0.06487=16.18%，超出规程规定发电机在运行时三相电流不对称程度不得超过额定值的10%的要求。同步发电机在不对称状态下运行，会使转子产生附加损耗及发热，从而引起发电机整体或局部温升，此外反响磁场产生附加力矩会使发电机组出现振动，在定子中还会形成一系列高次谐波；引起以负序分量为启动元件的多种保护发生误动作，直接影响电网安全。
主变压器高压侧三相电流为：Ia=0.0643A, Ib=0.0463A, Ic=0.0294A；三相最大电流为Ic=0.0643A，最小为Ia=0.0294A,平均值为IRAV=0.0466A，不平衡率为（0.0643-0.0294）÷0.0643=54.27%，已经严重超出规程规定主变压器出口三相负荷电流不对称程度不得大于10%的要求。主变三相负荷电流不对称程度偏大，那么中性线电流就会过大，使变压器运行温度升高，严重时会将变压器烧坏。当中性线电流过大时，零序电流所产生的零序磁通会在油箱壁及钢结构件中通过，引起较大的损耗，从而使配电变压器运行温度升高。绝缘油和绝缘材料长期受到高温影响，变压器寿命会缩短，严重的甚至烧坏。但是调试人员同时注意到主变压器保护装置采集的电流显示低压侧是A、B相电流一致且数值小，C相电流较大；而主变压器高压侧是B、C相电流小，A相电流最大，C相最小。同时在实际负荷逐渐增加时，零序保护电流变化比较大，几乎和相电流变化一致，当机组负荷到20MW时，零序保护电流达到0.15A（主变三相负荷电流不对称程度偏大引起中性线电流过大），几乎接近于零序保护起动值，也就是说与4号机组相关的一次设备或二次回路确实存在问题，机组负荷不能再增加，必须要查明原因，否则零序保护就会启动跳闸，影响电网安全运行。
3 原因分析
在DL/T-2006《继电保护和电网安全自动保护现场检验规程》中明确规定，对于主变压器微机继电保护装置来说，根据主变压器变比、容量、接线组别、TA变比、内部转角等情况计算各侧在同一容量下的二次额定电流，分别在两侧变压器额定负荷电流，差流△IC应≤0.04倍二次额定电流，同一侧三相电流最大与最小差不超过0.1A。从前面叙述我们可以知道4#主变压器在额定工作档位时二次额定电流为： 0.3977A（三档时），即差流△IC 应≤0.04×0.3977=0.015908A。主变压器保护是以低压侧为基准，平衡系数取KP=0.89，当ⅠⅠ= 0.04A、IⅡ= 0.07A时，差动电流△IC=0A。根据4号主变压器保护C相高低压侧所采集的电流ICL=0.0718A、ICH=0.0294A，按照变压器差动保护原理可以计算得到C相高低压侧的差流△IC=0.0124 A，此时的差流已经接近于规范要求的最大值。起初试验人员发现三相电流异常现象时，怀疑是由于负荷偏低，三相不平衡所引起的；随后就向调度申请继续增加负荷，一直到20MW，三相不平衡现象也仍未消除，并且主变压器保护的零序电流值随负荷增加而同步增加，并且主变压器差流越限已经启动，面板显示告警。分析认为4#主变压器本体各项交接试验已经完成并且验收合格；4号机组带主变压器升流和升压试验时，机组和主变压器侧三相电流均平衡，运行正常（试验记录见表3、表4）；出现故障时，电站当时只有4号机组在试运行，之前1-3号机组发电试运行时，母线也运行正常，这就说明问题是在4号机组带负荷过程中引发的。
表3 机组升流试验数据记录
IA(A) IB(A) IC(A)
10%IN 0.0718 0.0719 0.0719
20% IN 0.1528 0.1528 0.1528
30% IN 0.2173 0.2174 0.2174
40% IN 0.284 0.284 0.285
50% IN 0.3701 0.3703 0.3703
60% IN 0.4298 0.4297 0.4297
70% IN 0.5063 0.5064 0.5063
80% IN 0.5712 0.5711 0.5711
90% IN 0.5603 0.6503 0.6504
100% IN 0.7172 0.7172 0.7173
表4 主变升流试验数据记录
IA(A) IB(A) IC(A)
10%IN 0.0317 0.0314 0.0317
20% IN 0.0837 0.0837 0.0852
30% IN 0.1256 0.1256 0.1241
40% IN 0.1735 0.1725 0.1725
50% IN 0.2124 0.2119 0.2114
60% IN 0.2438 0.2438 0.2433
70% IN 0.2752 0.2752 0.2747
80% IN 0.3066 0.3066 0.3061
90% IN 0.3380 0.3380 0.3375
100% IN 0.3694 0.3694 0.3689
分析认为，原来进行升流、升压试验时分接开关工作位置是在3档，而4号主变压器冲击带电之前，按照调度要求要将主变压器的分接开关置于4档，为此作出判断：出现该故障现象很可能是主变分接开关切换后三相不一致所造成的。为了4#主变压器和机组的安全运行，立即申请停机检查，使得4号主变压器处于冷备停运状态。
4 故障检查与处理
按照规程要求在主变压器高压侧挂好接地线，做好安全措施，安排电气一次人员将主变压器高压侧接线打开，并做好安全防护，调试人员即开始进行检查。该变压器有两个分接开关：A、B相共用一个，C相单独一个。经检查，发现分接开关档位指示器指示都在四档，保持故障时分接开关位置不动，用DY01-20直流电阻测试仪对第4档的直流电阻进行测试并和原始试验数据进行比对，二次测试结果见表5、表6。
表5 第一次测试结果
4档 AO相 BO相 CO相
第1次 497.6mΩ 497.9mΩ 512.3mΩ
第2次 497.9mΩ 497.6mΩ 512.8mΩ
第3次 497.3mΩ 497.8mΩ 512.4mΩ
表6 第二次测试结果
4档 AO相 BO相 CO相
第1次 497.4mΩ 497.7mΩ 512.6mΩ
第2次 497.1mΩ 496.9mΩ 512.4mΩ
第3次 497.2mΩ 497.0mΩ 512.6mΩ
从两次测试结果看，几乎无任何变化，三相最大电阻为512.8mΩ，最小为496.9mΩ，平均值为502.4 mΩ，不平衡率为（512.8-496.9）÷502.4=3.16%，超出规范各相测得值的相互差值应小于平均值的 2%的要求；为了进一步对故障做出判定，在分接开关压板和锁定都不动的情况下，试验人员现场重新对4号主变压器C相各档直流电阻进行了测试，并且还找出4#主变压器原始直流电阻试验结果，进行对比，见表7、表8。
表7 4#主变压器原始直流电阻试验数据
档位 RAO RBO RCO
1 543.4mΩ 543.1mΩ 542.3mΩ
2 528.2mΩ 528.6mΩ 527.3mΩ
3 512.8mΩ 512.6mΩ 512.6mΩ
4 497.8mΩ 497.2mΩ 496.4mΩ
5 482.4mΩ 482.2mΩ 482.5mΩ
表8 4号主变压器C相各档直流电阻现场测试数据
指示器工作档位 实际档位 CO相
第1档
第2档 第1档 542.3mΩ
第3档 第2档 527.3mΩ
第4档 第3档 511.9mΩ
第5档 第4档 496.4mΩ
逆时针旋转档位以外 第5档 481.9mΩ
通过现场测得的数据和原始直流电阻数据比较发现，C相分接开关在四档时的直流电阻(511.9mΩ)与A、B相三档的直流电阻(512.8mΩ/512.6mΩ)一致,可以看出C相直流电阻在档位上正好相差一个数量级15mΩ，合乎主变压器的直阻规律。从这一点就可以初步得出结论：4#主变压器三相电流不平衡就是变压器的分接开关C相档位不正确造成的。并且调试人员在检查测试过程中，还发现C相的分接开关顺时针转到了2档时就不能再转动了，说明已经到限位了；为了不出现意外，将分接开关逆时针转动，到了5档时，还能够继续转动，并且明显感觉到有档位切换的声音，这样一来就找到了问题所在：C相的分接开关外观上看是在4档工作位置，而实际上是在三档，C相的分接开关置于5档外位置时与A、B相的分接开关在四档时的直流电阻基本一致。
为了4#主变安全运行，在不改变故障时分接开关的位置情况下，决定对4号主变压器的直流电阻全部也重新测试一遍，以便更好的和原始试验数据进行比对，看其是否正确和一致，从而对故障做出更加准确的判断，见表9。
表9 4号主变压器各档直流电阻测试数据
指示器工作档位 RAO RAO RAO
第1档 543.4mΩ 543.1mΩ
第2档 528.2mΩ 528.6mΩ 542.3mΩ
第3档 512.8mΩ 512.6mΩ 527.3mΩ
第4档 497.8mΩ 497.2mΩ 511.9mΩ
第5档 482.4mΩ 482.2mΩ 496.4mΩ
逆时针旋转档位以外 481.9mΩ
从整体测试结果和原始数据比较来看，C相在故障时分接开关所处的的工作档位测试到的直流电阻数值确实和A、B相的3档一致，这样一来前面出现的故障问题就很清楚：造成4#主变压器三相电流不平衡真正原因就是C相分接开关工作档位不正确造成的。因为从分接开关外部来看是在4档，但是实际上是在三档工作。主变绕组由于档位不一致，三相绕组的直流电阻和阻抗也就不同(ZA ZB基本相等且小于ZC)，主变压器高压侧三相绕组在同一系统电压和输出同容量的情况下，根据I=U/Z可以得出A、B两相电流IA 和IB要大于C相电流IC，对变压器来说，电流和变比成反比，而低压侧电压低反映出来的就是C相电流要高一些，也就是说机组侧反映出来就是C相电流大，这和前面电流异常故障情况所反映的问题一致。
问题找到了，为了确保该主变压器安全运行和正常工作，现场采取安全措施后，一次检修人员将C相的分接开关压盘的螺丝松开，然后顺时针向前转动一个档位，再次恢复和压紧分接开关压盘，保证了5个档位的锁定销位置正确后，接着对4号主变压器高压侧5个档位的直流电阻全部进行了测试，结果见表10。
表10 检修后4号主变压器各档直流电阻测试数据
AO相 BO相 CO相
第1档 543.4mΩ 543.1mΩ 542.3mΩ
第2档 528.3mΩ 527.8mΩ 526.9mΩ
第3档 513.1mΩ 512.5mΩ 511.8mΩ
第4档 497.8mΩ 497.2mΩ 496.3mΩ
第5档 484.7mΩ 482.2mΩ 481.9mΩ
C相分接开关处理完毕，直流电阻测试数据和原始结果进行对比，数据一致，完全合乎直流电阻的变化规律，一切正常。试验检测完后，将C相分接开关置于4档，并可靠锁定。
5 并网试验数据测试
4#机组再次申请开机并网成功后，前述故障现象消失，机组和主变压器三相负荷电流均平衡，所有保护和计量检测装置都采集正常。机组分段带负荷，实时最大带到60MW负荷时，不同功率时三相电流数据监测见表11、表12。
表11 4号发电机组出口（二次电老）
功率 A 相 B 相 C 相
20MW 0.1316 0.1376 0.1316
30MW 0.1843 0.1811 0.1813
40MW 0.2633 0.2633 0.2603
50MW 0.3214 0.3126 0.3156
60MW 0.3711 0.3712 0.3717
表12 4号主变压器保护盘
功率 A 相 B 相 C 相
20MW 0.0837 0.0837 0.0852
30MW 0.1256 0.1256 0.1241
40MW 0.1735 0.1725 0.1725
50MW 0.2124 0.2109 0.2104
60MW 0.2438 0.2468 0.2433
6 教训及经验总结
此次故障是一起典型的无载分接开关工作档位切换不一致所造成的，无载分接开关到位与否对于主变压器的安全运行和电网的安全生产至关重要，所以日后在新投产的电站中，一定要注意以下几点：
（1）在现场要重视变压器交接试验工作，当无载分接开关的工作档位发生变化时或在主变压器带电之前，一定要严格按照DL/T 596～1996《电力设备预防性试验规程》的要求对分接开关变化后工作档位的直流电阻进行电气试验，做好和分接开关调整之前的原始试验数据的对比，确保档位正确。
（2）分接开关应按变压器铭牌图解进行，倒分档位开关时，应核对油箱外分接开关指示器与内部接头的实际连接情况，以保证三相工作位置一致、接线正确，不得凭记忆调整，调整后将固定分接头螺丝拧紧，使分接头接触良好。
（3）分接开关定位要准确，为了防止分接头接触不良和防止分接开关故障，每次倒分接头时，应将分接开关正反方向转2～3周，以消除接触部分的氧化膜及油垢，再调整到新的位置。
（4）分接头的位置应有专门的记录，以便于随时核查。
