大唐華中電力試驗研究院的研究人員張建華，在2020年第2期《電氣技術》雜誌上撰文，針對發電機出口電壓互感器匝間短路故障頻發並極易造成機組非停的問題，首先對電壓互感器匝間短路進行建模，並分析了電壓互感器匝間短路時的電氣量特徵，然後根據電氣量特徵設計了一種發電機出口電壓互感器匝間短路在線監測裝置。該裝置可在出口電壓互感器發生匝間短路時實現故障的早期診斷和快速預警，以便運行人員及時採取應對措施，防止非停事件發生。
發電機出口電壓互感器（potential transformer, PT）作為發電企業電氣運行的主要設備，肩負著出口電壓測量、發電量計量、繼電保護及勵磁系統電壓採集等重要作用，一旦發生故障，將嚴重影響發電機組的安全穩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，發電企業曾多次發生因出口PT繞組匝間短路而導致的非停事件。
以某發電集團公司為例，從2016年第四季度至2017年底，共發生5起因出口PT故障引發的機組非停事件，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節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並不完善，在故障初期無法有效發現設備故障，往往只有當故障發展到嚴重的匝間短路階段才能發揮作用。
而針對PT匝間短路的常規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生後的檢測手段，事故發生並造成非停後再進行故障的確認，此時往往已造成嚴重的設備損壞和經濟損失。故相比於停電檢測，如何通過技術手段實現運行中發電機出口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，並分析了PT匝間短路時一次電流的特徵。根據此特徵，本文設計了一種發電機出口PT匝間短路在線監測裝置，該裝置可在出口PT運行中發生匝間短路時實現故障的早期診斷和快速預警，以便運行人員及時採取措施，防止非停事件發生。
1 發電機出口PT匝間短路等效模型（略）
發電機出口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於開路（空載）狀態運行。
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 發電機出口PT匝間短路在線監測裝置設計
由第1節的分析可知，發電機出口PT一次繞組發生匝間短路時，其一次側電流會明顯增加。針對此特徵，可開發一套出口PT匝間短路在線監測裝置，該裝置實時監測一次繞組電流的變化情況，當電流大小超過閾值時，立即發出報警信息，以便運行人員及時採取應對措施，避免機組非停事件發生。
2.1 基本原理
出口PT匝間短路在線監測裝置通過電流採集器採樣發電機機端9個PT（發電機出口一般有3組PT，每組3相）一次繞組的電流值，並將電流量實時傳輸給網絡化控制系統（network control systems, NCS）。
同時裝置將採集到的電流值與設定的報警閾值相比較，當電流大於報警閾值時發出報警信號並上傳至分散控制系統（distributed control system, DCS），以便運行人員及時採取應對措施。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匝間短路在線監測裝置的基本原理如圖3所示。
圖3 發電機出口PT匝間短路在線監測裝置原理框圖
2.2 硬件設計
1）CPU
發電機出口PT匝間短路在線監測裝置的CPU採用STM32芯片。
STM32是意法半導體公司推出的基於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、簡單易用的庫開發方式等特點，在中低端MCU市場佔據領先優勢。
STM32只有5個通用異步收發傳輸器（universal asynchronous receiver/transmitter, UART）串口，在本裝置中串口1固定與屏幕通信，因為要採集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，並且在芯片的管腳上只佔用四根線，節約了芯片的管腳，同時為印製電路板（Printed circuit board, PCB）的佈局上節省空間，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。
2）工業人機界面觸摸屏
本裝置採用工業人機界面觸摸屏（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，採用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）電流採集器
出口PT工作於高電壓、強電磁干擾的環境下，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進行模數採樣處理，由於傳輸距離遠，受干擾影響非常大，採樣精度難以保證，所以設計時考慮在PT一次繞組接地側安裝一個電流採集器，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。電流傳感器採用具有很高的弱磁場磁導率的鐵心，如坡莫合金，採用磁性屏蔽技術來保證採樣電流的高精度、高穩定性。
4）接口
PT在線監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，設計了兩副常開幹接點，主CPU進行邏輯控制，可以接入DCS或者其他中央控制系統，當發生匝間短路時，第一時間給運行工作人員發送報警信息。接口支持通過Modbus TCP等規約接入站內的通信管理裝置，把數據實時轉發至NCS，便於在NCS做其他邏輯使用。
2.3 界面設計
HMI屏幕的組態軟件有豐富且強大的開發功能，界面功能友好，可以輕鬆製作需要的畫面。
1）數據顯示和報警
HMI需要實時顯示電流採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
為了對比故障前後電流值的大小，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。在組態軟件裡通過設定取樣方式、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
採用JDZX9-20F1型發電機出口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製造匝間短路的情況下測量其一次繞組電流。
人工製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的匝間短路在線監測裝置測量PT的一次電流值，並與標準儀器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節的理論分析相吻合。
- 2）在線監測裝置的測量結果與標準儀器的測量結果基本一致，誤差小於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，在可接受範圍內，在線監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，遠大於正常運行時的一次電流值，在線監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匝間短路在線監測裝置主要技術指標見表2。
表2 在線監測裝置主要技術指標
本裝置於半年前在某電廠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，採樣數據穩定可靠，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匝間短路在線監測裝置可實現運行中監測PT狀態的功能，當PT發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匝間短路在線監測裝置已經實現了產品應用，在機組運行期間，裝置運行穩定，數據傳輸和HMI各項功能可靠。
PT匝間短路在線監測裝置的開發有助於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，使運行人員及時採取應對措施，防止機組發生非停事件。
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