華能沁北發(fā)電有限責(zé)任公司 王銀明 魯英林 路平 吳偉

ABB UNITROL 5000勵磁系統(tǒng)滅磁開關(guān)誤動原因分析及改進(jìn)措施

華能沁北發(fā)電有限責(zé)任公司 王銀明 魯英林 路平 吳偉

文中詳細(xì)論述了沁北電廠ABB UNITROL 5000勵磁系統(tǒng)在交流220V電壓串入機(jī)組控制直流系統(tǒng)時導(dǎo)致機(jī)組跳閘的分析處理過程，對滅磁開關(guān)的偷跳原因進(jìn)行分析和試驗驗證,并實施了改進(jìn)措施，該改進(jìn)措施簡單易行、成本低廉、效果明顯，對同類型勵磁系統(tǒng)的安全運(yùn)行和事故處理有較大的借鑒意義。

ABB UNITROL5000；勵磁系統(tǒng)；交直流串電；失磁保護(hù)；開關(guān)偷跳

引言

華能沁北電廠500kV開關(guān)場采用一個半斷路器全接線方式運(yùn)行，發(fā)電機(jī)組為國產(chǎn)600MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)出口設(shè)置有出口斷路器，機(jī)組勵磁系統(tǒng)采用瑞士ABB公司生產(chǎn)的Q5S-0/U251-S6000自并勵系統(tǒng)，UNITROL5000型勵磁調(diào)節(jié)器。

沁北電廠1號發(fā)電機(jī)由于交串入直流系統(tǒng)時滅磁開關(guān)偷跳造成失磁保護(hù)動作機(jī)組跳閘，該廠通過分析定位故障原因，快速恢復(fù)機(jī)組的運(yùn)行，事后對該次事故深層次的原因進(jìn)行分析和試驗驗證，提出了簡單易行的改進(jìn)措施，對同型號勵磁系統(tǒng)的安全運(yùn)行和事故處理有較大的借鑒意義。

1 事故前系統(tǒng)運(yùn)行方式

沁北電廠1號、2號機(jī)組為國產(chǎn)600MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組。鍋爐型號DG1900/25.4-Ⅱ型直流鍋爐，最大連續(xù)蒸發(fā)量為1900t/h；汽輪機(jī)型號CLN600-24.2/566/566型凝汽式汽輪機(jī)，額定出力為600MW；發(fā)電機(jī)型號QFSN-600-2YHG型三相同步發(fā)電機(jī)，額定功率為600MW，勵磁系統(tǒng)采用瑞士ABB有限公司生產(chǎn)的Q5S-0/ U251-S6000自并勵系統(tǒng)，額定輸出電流為4541A，頂值輸出電壓為1049V，勵磁電源取自機(jī)端三臺單相勵磁變壓器，容量為6000kVA,整流柜輸入電壓為893V；發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)瑞士ABB生產(chǎn)的HEC7型斷路器，發(fā)電機(jī)出口電壓20kV，發(fā)電機(jī)出口斷路器額定電流24000A；設(shè)1臺容量為720MVA三相主變壓器，1臺50MVA分裂變作為高廠變、全廠共設(shè)1臺220kV/31.5MVA雙卷高壓事故備用停機(jī)變，廠內(nèi)500kV配電裝置采用一個半斷路器接線，500kV使用北京ABB高壓開關(guān)設(shè)備有限公司的HPL500B2型斷路器， 500kV設(shè)出線2回。

沁北電廠發(fā)電機(jī)出線接線方式為發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)出口斷路器，這種設(shè)置有很多優(yōu)點：第一，利于變壓器和發(fā)電機(jī)保護(hù)單獨安裝調(diào)試；第二，簡化了繼電保護(hù)接線，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)點設(shè)在發(fā)電機(jī)出口斷路器，發(fā)電機(jī)出口斷路器為三相機(jī)械聯(lián)動，不會發(fā)生非全相并網(wǎng)問題；第三，避免了由于汽機(jī)、鍋爐、發(fā)電機(jī)一些瞬時性問題和誤操作造成主變跳閘問題，事故后可以快速恢復(fù)機(jī)組運(yùn)行；第四，在汽機(jī)、鍋爐、發(fā)電機(jī)故障時可以斷開出口斷路器而不用解列廠用電，避免了廠用電的切換過程和操作風(fēng)險；第五，發(fā)電機(jī)組啟動過程廠用電由主變倒送電而來，減少了備用變?nèi)萘亢团_數(shù)。缺點是發(fā)電機(jī)出口斷路器投資較大，并且增加了一定的檢修工作量和故障概率。

表1 交流電線和直流電壓記錄

2 事故發(fā)生過程

2007年03月15日19時52分，沁北電廠1號發(fā)電機(jī)（國產(chǎn)600MW汽輪發(fā)電機(jī)組）跳閘，1號主變及廠用電系統(tǒng)運(yùn)行正常（發(fā)電機(jī)出口有斷路器，在發(fā)電機(jī)跳閘后，主變依然可以帶廠用電繼續(xù)運(yùn)行），繼電保護(hù)保護(hù)人員立即到電子設(shè)備間檢查發(fā)變組保護(hù)動作情況，保護(hù)裝置顯示發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)Ⅱ段動作；檢查機(jī)組SOE記錄，滅磁開關(guān)先動作，然后發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動作；檢查發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)，就地控制屏有“091 FCB EXTERNAL OFF 143”（ 勵磁系統(tǒng)外部跳閘）信號，勵磁系統(tǒng)沒有別的異常記錄及信號；檢查1號機(jī)組故障錄波器，顯示滅磁開關(guān)先動作，然后失磁保護(hù)II段動作，機(jī)組跳閘。

3 檢查處理過程

根據(jù)以上信號判斷，發(fā)電機(jī)滅磁開關(guān)動作在先，失磁保護(hù)動作在后，繼電保護(hù)裝置動作正確。仔細(xì)檢查運(yùn)行DCS畫面，發(fā)現(xiàn)110V直流系統(tǒng)絕緣檢測裝置有“直流接地”、“直流系統(tǒng)過壓”報警，就地直流檢測裝置有相應(yīng)信號。對機(jī)組勵磁小室對勵磁系統(tǒng)進(jìn)行檢查，聽到勵磁調(diào)節(jié)柜內(nèi)有繼電器的振動聲，目視發(fā)現(xiàn)滅磁開關(guān)外部跳閘出口繼電器K03勵磁，指示燈常亮（表明收到外部送來的滅磁開關(guān)跳閘指令），滅磁開關(guān)外部跳閘出口繼電器K04間歇性（指示燈閃亮），用萬用表測量滅磁開關(guān)第一組控制回路正電源101、控制回路負(fù)電源102、跳閘回路133對地均有交流220V電壓；用萬用表測量第一組控制回路正電源101及跳閘回路133之間有直流110V電壓，表明滅磁開關(guān)沒有收到外部跳閘指令而自行跳閘。對直流系統(tǒng)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)有交流電源220V串入直流110V系統(tǒng)，對直流110V系統(tǒng)進(jìn)行檢查，拉路尋找交流電源注入點，發(fā)現(xiàn)該交流220V信號來自輸煤直流分屏，逐步檢查在輸煤6kV系統(tǒng)＃7B皮帶機(jī)就地操作箱內(nèi)轉(zhuǎn)換開關(guān)上找到短路點（該操作箱內(nèi)有直流的事故按鈕回路及交流的拉繩、跑偏繼電器回路），由于該就地遠(yuǎn)方操作轉(zhuǎn)換把手上有交流220V電源和直流110V電源，環(huán)境粉塵及潮濕影響，該把手已嚴(yán)重受潮有短路灼痕。將直流回路從其端子上解下，110V直流系統(tǒng)絕緣正常已無交流電壓，且正負(fù)極電壓平衡，直流系統(tǒng)恢復(fù)正常后，檢查勵磁系統(tǒng)繼電器K03（KO4）恢復(fù)正常，測試滅磁開關(guān)跳閘回路對地絕緣正常，測試滅磁開關(guān)跳閘回路之間絕緣正常，確認(rèn)滅磁開關(guān)回路沒有其他問題。當(dāng)交流220V串入直流110V系統(tǒng)，絕緣監(jiān)測裝置會發(fā)“直流接地”、“直流系統(tǒng)過壓”報警。

表2 K03動作結(jié)果及端電壓記錄

4 機(jī)組事故跳閘原因分析

確認(rèn)由于交流220V串入機(jī)組直流系統(tǒng)造成滅磁開關(guān)跳閘，發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動作，機(jī)組跳閘。滅磁開關(guān)跳閘回路并接電纜較多，其中發(fā)變組保護(hù)和控制臺急停按鈕跳滅磁開關(guān)。電纜比較長，分布電容達(dá)到一定程度，如果K03（4）繼電器動作功率不夠大，當(dāng)直流正極（負(fù)極）串入220V交流電源時，因直流系統(tǒng)回路過大的電容影響，導(dǎo)致K03（4）繼電器動作，滅磁開關(guān)跳閘。

5 采取臨時防范措施

對輸煤系統(tǒng)所有皮帶機(jī)、碎煤機(jī)以及就地操作箱內(nèi)直流回路全部拆除，取消就地操作回路。處理正常后申請調(diào)度同意，1號機(jī)組于03月15日23：10分并網(wǎng)運(yùn)行。

6 機(jī)組臨停檢修期間驗證試驗

為了驗證分析原因的正確性和取得試驗數(shù)據(jù)，在1號機(jī)組臨停檢修期間對1號機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器（ABB UNITROL 5000型數(shù)字勵磁調(diào)節(jié)器）滅磁開關(guān)跳閘回路做相應(yīng)試驗，驗證控制電纜屏蔽層接地、跳閘回路二次電纜數(shù)量、繼電器動作功率對試驗記錄如下：

6.1 K03（K04）繼電器動作電壓及功率試驗。

拆除現(xiàn)場K03（K04）繼電器進(jìn)行試驗室試驗，測得繼電器動作電壓：交流為134V，直流為60V。計算可得該繼電器直流動作功率為0.4W，交流動作功率為1.9W。

試驗結(jié)論：K03（第二組跳閘回線圈路為K04）繼電器動作功率小。

6.2 跳閘回路加入交流220V電源試驗。

用交流火線(AC220V)加至101Ⅰ(第一組跳閘正電源)，零線接地；依次拆掉跳閘線外回路二次電纜，K03(第一組跳閘繼電器)動作結(jié)果及繼電器線圈兩端測得的交流電壓和直流電壓記錄如表1。

試驗結(jié)論：跳閘回路接入電纜的數(shù)量越多，電纜越長，在交流(AC220V)串入直流系統(tǒng)情況下K03（K04）繼電器越容易動作。

6.3 滅磁開關(guān)跳閘回路二次電纜絕緣測試和屏蔽層接地后試驗。

滅磁開關(guān)8組跳閘回路電纜屏蔽層檢查（滅磁開關(guān)8組跳閘回路分別為：發(fā)變組保護(hù)A柜至勵磁調(diào)節(jié)柜2組，保護(hù)B柜至勵磁調(diào)節(jié)柜2組，保護(hù)E柜至勵磁調(diào)節(jié)柜2組，操作臺急停按鈕至勵磁調(diào)節(jié)柜2組）：其中6組發(fā)變組保護(hù)柜到勵磁系統(tǒng)跳閘回路電纜屏蔽層均已接地，另2組操作臺急停按鈕至勵磁調(diào)節(jié)柜電纜屏蔽層沒有接地，跳閘回路絕緣測試均大于20MΩ。

將試驗操作臺急停按鈕至勵磁調(diào)節(jié)柜2組跳閘線電纜屏蔽層全部接地后，用交流火線(AC220V)加至101Ⅰ(第一組跳閘正電源)，測得K03（第二組跳閘回線圈路為K04）繼電器動作電壓與以前測試值沒有多大變化。

試驗結(jié)論：部分二次電纜屏蔽層接地與否對在交流(AC220V)串入直流系統(tǒng)情況下K03（K04）繼電器動作情況影響很小。

6.4 繼電器K03線圈兩端并聯(lián)不同阻值的電阻，用交流火線(AC220V)加至101Ⅰ(第一組跳閘正電源)，零線接地；外回路完全恢復(fù)，K03動作結(jié)果及端電壓記錄如表2。

試驗結(jié)論：在交流220V電壓串入直流系統(tǒng)時：K03繼電器線圈兩端并聯(lián)電阻阻值越小 （電阻容量越大），繼電器線圈兩端的電壓越低，繼電器越不容易誤動作。當(dāng)在繼電器兩端并聯(lián)電阻為500Ω時，在繼電器線圈兩端測得的電壓僅為交流2.8V ，直流電壓2.2V，繼電器不會動作。

綜合以上得出滅磁開關(guān)跳閘的真正原因：在交流220V電壓串入110V直流系統(tǒng)時，造成通過K03（K04）繼電器線圈和跳閘回路二次電纜對地電容的電流過大造成繼電器動作（抖動），接點接通，滅磁開關(guān)跳閘。

7 回路改造方案

鑒于現(xiàn)場情況：發(fā)變組保護(hù)屏柜與跳閘回路電纜長度及數(shù)量無法更改，二次電纜屏蔽層是否接地對交流串入直流系統(tǒng)使繼電器動作行為的影響有限。所以，計劃更換繼電器（或者對原繼電器改造以提高繼電器的動作功率）來消除回路對抗交直流回路串電對勵磁系統(tǒng)的影響。

由于對勵磁系統(tǒng)與外圍回路接口沒有明確要求，參照“《國家電網(wǎng)公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施》（試行）繼電保護(hù)專業(yè)重點實施要求”：變壓器與發(fā)變組保護(hù)，變壓器本體的氣體、壓力釋放、壓力突變、溫度和冷卻器全停等非電量保護(hù)，跳閘時宜采用就地跳閘方式，即通過安裝在開關(guān)場的、啟動功率不小于5W的中間繼電器的兩付接點，分別直接接入變壓器各側(cè)斷路器的跳閘回路，并將動作信號接至控制室；將滅磁開關(guān)跳閘繼電器K03（K04）回路動作功率增大，提高滅磁開關(guān)操作回路抗干擾性能。

根據(jù)ABB UNITROL5000勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)柜內(nèi)部實際情況和ABB廠家進(jìn)行溝通，上海ABB工程有限公司不同意更換繼電器，且沒有提出有針對性的措施來防范交流串入直流滅磁開關(guān)跳閘的措施；該廠決定自行對勵磁系統(tǒng)滅磁開關(guān)跳閘回路K03（K04）繼電器線圈兩端并聯(lián)電阻進(jìn)行增大功率改造。

繼電器K03(K04)線圈并接電阻的選擇：考慮保證抗干擾能力和保護(hù)跳閘繼電器接點斷弧能力，根據(jù)試驗結(jié)果，最終選取50W 1kΩ電阻（為保證可靠起見，使用兩只25W 2kΩ瓷管電阻并聯(lián)，當(dāng)其中一只電阻斷線時，另一只電阻也可以滿足回路抗干擾要求），電阻可靠性高，不容易損壞，回路實施簡單。

K03（K04）繼電器線圈并接電阻對繼電器本身的動作電壓沒有影響，當(dāng)外部交流電壓（電流）干擾較大時，通過并接的電阻分流，減少通過K03（4）繼電器線圈的交流電流，從而提高回路的動作功率，提高回路抗干擾能力。

回路改造完成后，依次分別在第一、第二組控制直流中加入交流220V電壓，K03（K04）繼電器沒有發(fā)生動作或抖動現(xiàn)象，測試K03（K04）繼電器線圈兩端電壓感應(yīng)約為交流5.8V，距能夠造成繼電器抖動的電壓交流50.3V相去甚遠(yuǎn)，驗證了改造的實際效果。為減少交流串入直流系統(tǒng)的風(fēng)險，2008年對外圍設(shè)備增加一套單獨的直流系統(tǒng)（輸煤系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)控制電源原取自機(jī)組直流系統(tǒng)），將其與主機(jī)直流系統(tǒng)完全隔離。在#2機(jī)組檢修時，對#2機(jī)組勵磁系統(tǒng)滅磁開關(guān)兩組跳閘回路進(jìn)行了相同的改進(jìn)，運(yùn)行多年來，一直運(yùn)行正常。

8 結(jié)論

8.1 對于ABB UNITROL5000勵磁系統(tǒng)，在交流220V電壓串入直流110V系統(tǒng)時，滅磁開關(guān)會無外部跳閘命而跳閘，造成機(jī)組非計劃停運(yùn)。

8.2 對于ABB UNITROL5000勵磁系統(tǒng)，在滅磁開關(guān)跳閘回路繼電器K03（K04）線圈兩端并接電阻（50W 1KΩ），可以有效避免交流220V電壓串入直流110V系統(tǒng)時時機(jī)組非停事故。

[1]王君亮.《同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)原理及維護(hù)》[M].北京：中國水利水電出版社,2010.

[2]竺士章.《發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)試驗》[M].北京：中國電力出版社,2005.

[3]劉取.《電力系統(tǒng)穩(wěn)定性及發(fā)電機(jī)勵磁控制》[M].北京：中國電力出版社，2007.