蘇有權(quán)（國家電網(wǎng)東北分部太平灣發(fā)電廠，遼寧 丹東 118000）

一起水輪發(fā)電機失磁保護動作原因分析及處理

蘇有權(quán)
（國家電網(wǎng)東北分部太平灣發(fā)電廠，遼寧 丹東 118000）

摘要：繼電保護裝置正確動作是保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，尤其是特殊原因?qū)е卤Ｗo動作，更需要準確快速地查清動作原因，以最快的速度恢復設(shè)備運行[1]。本文介紹了某發(fā)電廠2號機廠高變故障導致1號機失磁保護動作的經(jīng)過及詳細分析過程，針對這一特殊故障，查明了動作原因，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況采取了相應(yīng)的處理措施,確保了發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,提高了發(fā)電機安全運行的可靠性。

關(guān)鍵詞：故障；失磁；動作；分析

0　引言

某電廠共裝有4臺軸流轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機，發(fā)電機額定電壓10.5kV，單機容量4.75MW,總裝機容量19MW,在系統(tǒng)中擔任調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用任務(wù)。某日，2號發(fā)電機廠高變發(fā)生故障，但在2號發(fā)電機廠高變跳閘過程中，1號發(fā)電機失磁保護動作跳閘，本文對1號發(fā)電機失磁保護動作原因進行了詳細分析，查明了故障原因并采取了防范措施。

1　故障前運行方式

故障前，1號、2號發(fā)電機均并網(wǎng)發(fā)電，1號發(fā)電機帶有功4.6MW、無功2.1MW,發(fā)電機電壓10.3kV，2號發(fā)電機帶有功4.5MW、無功2.3MW，發(fā)電機電壓10.4kV，1號、2號機變組各帶1臺6.3kV廠高變運行。發(fā)電機主接線方式如圖1示：

圖1系統(tǒng)主接線圖

2　故障經(jīng)過

3　發(fā)電機勵磁方式及保護原理

3.1發(fā)電機勵磁方式

1號發(fā)電機勵磁系統(tǒng)為帶勵磁機的兩級勵磁方式，勵磁機采用正、負繞組并列工作方式，同名端極性相反，用來實現(xiàn)發(fā)電機的增磁和減磁操作；勵磁裝置采用兩組絕緣柵雙極型大功率晶體管IGBT，其輸出電流分別對應(yīng)勵磁機的正、負繞組；配置了A、B兩套互為冗余的勵磁調(diào)節(jié)器，可實現(xiàn)手動、自動不同運行方式的切換和操作；配置一套過電壓保護裝置和一套滅磁裝置，其勵磁原理如圖2示。

發(fā)電機正常運行時，兩套調(diào)節(jié)器并列運行，每套調(diào)節(jié)器均能滿足包括強勵在內(nèi)的發(fā)電機各種運行工況對勵磁的要求。正常情況下正組IGBT工作，其電流輸出至勵磁機定子線圈，因勵磁機和發(fā)電機同軸，隨著發(fā)電機的轉(zhuǎn)動，勵磁機轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出交流電，經(jīng)換向器換向后變?yōu)橹绷麟奫2]，再加至勵磁機定子線圈進行自放大，同時將放大后的電流加至發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈，隨著發(fā)電機轉(zhuǎn)動，帶動轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)動，便在發(fā)電機定子中感應(yīng)出交流電。勵磁機定子中正繞組和反繞組極性相反，當發(fā)電機需要減磁時，反組IGBT工作，減少發(fā)電機勵磁電流，實現(xiàn)發(fā)電機增減磁功能。

圖2勵磁原理圖

3.2發(fā)電機失磁保護原理

發(fā)電機失磁后或在失磁發(fā)展過程中，機端測量阻抗要發(fā)生變化，失磁后機端測量阻抗的變化是失磁保護的重要判據(jù)[3]。1號發(fā)電保護裝置為DGT801型微機保護，其失磁保護采用阻抗原理的動作邏輯，由阻抗判據(jù)、轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)、機端低電壓判據(jù)和過功率判據(jù)構(gòu)成。保護輸入量有：機端三相電壓、發(fā)電機三相電流和轉(zhuǎn)子直流電壓。正常運行時，機端測量阻抗在第一象限（滯相運行）或第四象限（進相運行）內(nèi)，發(fā)電機失磁后，機端測量阻抗的軌跡將沿著等有功阻抗圓進入動作邊界圓內(nèi)，失磁保護即會動作。為提高保護動作靈敏性，現(xiàn)場整定的阻抗圓動作邊界為過原點的下拋圓。

4　失磁保護動作原因分析

為確定1號機組失磁保護動作原因，首先需檢查保護裝置和勵磁裝置動作性能。

影響傷口愈合的主要局部因素包括組織活力、愈合環(huán)境、感染三方面。剖宮產(chǎn)術(shù)后要保持引流通暢，一般在術(shù)后第10天停止引流，術(shù)后14天直接閉合，就診第19天傷口愈合。

4.1保護裝置試驗

4.1.1保護定值檢查

核查裝置保護定值，確認和定值單所給定值一致，保護定值如表1所示。

4.1.2動作報告檢查

打印保護動作報告，查明保護動作參數(shù)，動作報告記錄的保護參數(shù)如表2所示。

表1失磁保護定值

表2失磁保護動作參數(shù)

4.1.3失磁保護阻抗動作特性

根據(jù)失磁保護動作特性和保護定值，現(xiàn)場整定的失磁保護阻抗圓動作特性如圖3所示。

圖3失磁保護阻抗圓

從失磁保護動作參數(shù)可以清晰看出，故障時機端測量阻抗軌跡已進入失磁保護動作區(qū)，失磁保護應(yīng)該動作。

4.1.4動作結(jié)果分析

從動作報告可以看出，保護動作時發(fā)電機定子電流增大，達到7.4A且超出額定值（二次5A）,無功反向，發(fā)電機進相運行，所有現(xiàn)象均是發(fā)電機失磁的典型表征，并且轉(zhuǎn)子電壓由正常運行時的300多V降低至保護動作時的32V，保護所測到的機端電阻和電抗值均小于保護定值，機端測量阻抗已越過靜穩(wěn)邊界阻抗圓進入異步邊界阻抗圓，說明發(fā)電機確實失磁，所以基本排除了失磁保護誤動的可能。但因勵磁裝置不能記錄故障當時發(fā)電機有關(guān)工況參數(shù)，沒有數(shù)值和保護記錄的數(shù)值對照，故決定對保護裝置進行加量試驗，以確保保護裝置不是誤動。利用繼電保護試驗儀向保護裝置中通入模擬電流和電壓，采集保護動作開關(guān)量，采用失磁保護測試菜單，由試驗儀自動對失磁保護進行試驗，失磁保護動作正確，自動繪制的失磁保護阻抗圓動作特性如圖4所示：

圖4檢驗時繪制的失磁保護阻抗圓

從試驗可以看出，試驗所得的失磁保護阻抗圓和保護定值完全一致，綜合保護動作數(shù)據(jù)，可以確定失磁保護動作正確，排除了保護誤動的可能，繼而轉(zhuǎn)向?qū)畲畔到y(tǒng)進行檢查。

4.2勵磁系統(tǒng)主回路檢查

1號發(fā)電機故障時，勵磁裝置未有任何故障信息，在不確定失磁原因的情況下，先對勵磁主回路進行檢查。對勵磁裝置輸出至勵磁機定子回路以及勵磁機轉(zhuǎn)子輸出至發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路的主回路進行絕緣測量、直阻測量及其他高壓試驗，試驗數(shù)值均在合格范圍之內(nèi)，說明勵磁主回路不存在問題。發(fā)電機轉(zhuǎn)子及勵磁機試驗數(shù)據(jù)如表3、表4所示：

表3發(fā)電機轉(zhuǎn)子試驗參數(shù)

表4勵磁機試驗參數(shù)

從試驗數(shù)據(jù)可以看出，發(fā)電機轉(zhuǎn)子和勵磁機的試驗數(shù)據(jù)和上次試驗基本沒有差別，個別數(shù)據(jù)有差別是試驗儀器和試驗人員操作等方面引起的誤差，數(shù)據(jù)在合格范圍之內(nèi)。因此，排除了勵磁裝置輸出至勵磁機定子回路以及勵磁機轉(zhuǎn)子輸出至發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路之間設(shè)備故障的可能。由此可以確定，發(fā)電機保護裝置和勵磁系統(tǒng)主回路正常，故重點對勵磁裝置進行檢查。

4.3勵磁裝置檢查

因1號發(fā)電機失磁保護動作時2號發(fā)電機廠高變發(fā)生短路故障，會導致1號發(fā)電機出口電壓嚴重降低（從錄波分析，出口電壓降至50%以下），定子電流增大，引起發(fā)電機無功功率變化，發(fā)電機強勵會動作。綜合分析整個動作過程，可能存在的原因是勵磁裝置本身強勵功能不正確動作導致發(fā)電機失磁，故首先對勵磁裝置強勵限制功能進行全面檢查。

4.3.1強勵限制檢查

發(fā)電機強勵對保證發(fā)電機有功功率送出以提高暫態(tài)穩(wěn)定性和維持系統(tǒng)電壓水平以提高電壓穩(wěn)定性有重要作用[4]。強勵頂值限制是當勵磁系統(tǒng)強勵時，限制勵磁電壓（或勵磁電流）的頂值倍數(shù)，以保護發(fā)電機（勵磁機）轉(zhuǎn)子的絕緣及發(fā)電機的安全。主要采用反時限限制曲線，目的是為了保證轉(zhuǎn)子繞組的溫升在限定范圍之內(nèi)，不因長時間強勵而燒毀。勵磁裝置中使用的強勵特性曲線如圖5所示。

圖5強勵反時限曲線

其中If為強勵頂值時的勵磁電流標么值，現(xiàn)場定值設(shè)定為2，即在強勵2倍時允許強勵時間為10s；Ify為允許長期連續(xù)運行時的勵磁電流標么值，現(xiàn)場定值設(shè)定為1.1，即在1.1倍額定電流條件下允許長期連續(xù)運行。通過驗證，勵磁裝置強勵限制功能正常。

4.3.2小電流開環(huán)試驗

在勵磁主要回路和功能檢查均未發(fā)現(xiàn)異常的前提下，為進一步查明失磁保護動作原因，決定對勵磁裝置進行小電流開環(huán)試驗，即將調(diào)節(jié)器的輸出回路與發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)斷開，用一小阻值大瓦數(shù)的電阻接入調(diào)節(jié)器的輸出回路做負載，用于檢查IGBT的完好性?？煽窟B接完試驗回路后，利用手動方式操作勵磁調(diào)節(jié)器緩慢輸出，并測量IGBT輸出波形，發(fā)現(xiàn)正組IGBT無輸出波形，確定正組IGBT存在故障，隨即對IGBT回路進行檢查。

該型勵磁裝置采用的功率元件為IGBT開關(guān)管，即絕緣柵極雙極型晶體管，它可在高電壓下導通，并在大電流下關(guān)斷[5]，其驅(qū)動、吸收電路經(jīng)過特殊設(shè)計，但IGBT的關(guān)斷操作將導致IGBT的集電極和發(fā)射極之間產(chǎn)生尖峰電壓，損壞IGBT回路，為了解決此問題，設(shè)計時采用了緩沖保護回路，如圖6示。

圖6IGBT保護回路

檢查時，用示波表測量1號發(fā)電機正負繞組IGBT-CE兩端波形，發(fā)現(xiàn)正繞組IGBT兩端波形尖峰較大，開關(guān)管關(guān)斷過電壓最高為800V左右，經(jīng)過進一步檢查發(fā)現(xiàn)正繞組IGBT-CE兩端阻容吸收回路電容C2漏液，說明故障時阻容吸收回路沒有正常工作，沒有限制IGBT的集-射極之間的沖擊尖峰電壓，實際此電壓達到800V。隨后，對緩沖網(wǎng)絡(luò)的中快速二級管1、2進行反向耐壓試驗，其能承受的耐壓值最高不足800V，而其設(shè)計標稱耐壓反向電壓值為1200V，實測值遠小于設(shè)計額定值。

5　結(jié)論

從此次故障可以看出，1號發(fā)電機失磁保護動作是一起典型的勵磁裝置元器件質(zhì)量不合格造成的發(fā)電機跳閘事件，因此，在確保勵磁裝置正常運行的各環(huán)節(jié)中，不僅要在設(shè)計制造環(huán)節(jié)保證元器件選擇正確、質(zhì)量可靠，也要在現(xiàn)場投運前對重要元器件進行性能復測檢查，確保整套系統(tǒng)使用優(yōu)質(zhì)可靠的元器件，滿足電網(wǎng)各種工況下對勵磁系統(tǒng)的要求，有效保證發(fā)電機和電網(wǎng)的安全可靠運行。

參考文獻：

[1]賀家李．電力系統(tǒng)繼電保護原理[M]．4版．北京：中國電力出版社,2010．

[2]王君亮．同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)原理與運行維護[M]．北京：中國水利水電出版社,2010．

[3]張輯,劉亞,張明．發(fā)電機失磁保護異步阻抗動作值校驗的幾種方法[J]．電機技術(shù)．2009(4)：63-64．

[4]吳跨宇,周平,高春如,等．基于空載誤強勵滅磁對發(fā)電機過電壓保護整定的研究[J]．電力系統(tǒng)控制與保護,2011,39 （2）：98-101．

[5]張月梅,黃建國,張羽豐．影響IGBT驅(qū)動電路性能參數(shù)的因素分析[J]．電子元器件應(yīng)用,2010,12（12）：88-91．

中圖分類號：TM312

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）03-0052-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.016

收稿日期：2014-12-09

作者簡介：蘇有權(quán)（1981-），男，工程師，從事電力系統(tǒng)及其自動化工作。