肖華賓， 趙曙偉

(1.神華廣東國(guó)華粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司，廣東 臺(tái)山 529228；2.蘇州熱工研究院有限公司，廣東 深圳 518120)

大型發(fā)電機(jī)組失磁故障的分析與處理

肖華賓1， 趙曙偉2

(1.神華廣東國(guó)華粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司，廣東 臺(tái)山 529228；2.蘇州熱工研究院有限公司，廣東 深圳 518120)

接入電網(wǎng)的大型發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障后，會(huì)影響到系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，繼電保護(hù)的任務(wù)就是快速的、可靠的、有選擇的將故障切除，維持系統(tǒng)穩(wěn)定，因此對(duì)繼電保護(hù)裝置提出不誤動(dòng)、不拒動(dòng)的基本要求。同時(shí)為盡快恢復(fù)電力輸出，就必須快速定位故障點(diǎn)，并做相應(yīng)的故障排除。針對(duì)一起由于勵(lì)磁系統(tǒng)電源故障引起的發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動(dòng)作事件，分析保護(hù)動(dòng)作行為的正確性，開(kāi)展一、二次設(shè)備的全面檢查，并采取有效的故障隔離措施，經(jīng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)試證明是行之有效的，終使機(jī)組在最短的時(shí)間內(nèi)投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。

失磁；勵(lì)磁系統(tǒng)；阻抗；機(jī)端電壓；轉(zhuǎn)子

Abstract: A failure of a large generating unit connected to the power grid will affect stability of system operation, and the task of relay protection is to remove the fault in a rapid, reliable and selective way and keep the system stable. In this background, it is basically required that the relay protection device should have no maloperation or refusing action. On the other hand, to restore electric output as soon as possible, it is necessary to quickly locate the fault point and remove the fault correspondingly. For an event of excitation loss protection of the generator caused by a power failure in the excitation system, we analyse correctness of the protection action, carry out a comprehensive inspection of primary and secondary equipment, and take effective measures to isolate the fault. Static and dynamic tests prove that these are effective measures which eventually put the generating unit into commercial operation in the shortest possible time.

Keywords: excitation loss; excitation system; impedance; terminal voltage; rotor

0 引 言

同步發(fā)電機(jī)是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流(勵(lì)磁電流)用于產(chǎn)生電磁場(chǎng)，正常運(yùn)行工況下，轉(zhuǎn)子電流必須保持在一定水平上。發(fā)電機(jī)失磁故障是指勵(lì)磁系統(tǒng)提供的勵(lì)磁電流部分或全部消失，同步發(fā)電機(jī)失磁后將轉(zhuǎn)入異步運(yùn)行狀態(tài)，從原來(lái)的發(fā)出無(wú)功功率轉(zhuǎn)變?yōu)槲諢o(wú)功功率。大型發(fā)電機(jī)組失磁故障反映為吸收系統(tǒng)無(wú)功功率、系統(tǒng)電壓下降，嚴(yán)重時(shí)將造成系統(tǒng)電壓崩潰，引發(fā)系統(tǒng)性事故[1]。在這種情況下，失磁保護(hù)必須快速可靠動(dòng)作，將失磁的發(fā)電機(jī)組從系統(tǒng)中切除，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

引起發(fā)電機(jī)失磁的原因主要有：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組故障、勵(lì)磁系統(tǒng)故障、自動(dòng)滅磁開(kāi)關(guān)跳閘及其回路故障等[2]。

1 系統(tǒng)概況

1.1 一次系統(tǒng)

南方電網(wǎng)某電廠6號(hào)、7號(hào)1 000 MW級(jí)發(fā)電機(jī)組采用的是上海電氣電站設(shè)備有限公司生產(chǎn)的三機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)。其中主勵(lì)磁機(jī)選型為ELR-70/90-30/6-20N，額定容量4 500 kW，額定直流電壓600 V，額定直流電流7 500 A；副勵(lì)磁機(jī)額定容量65 kVA，額定電壓220 V，額定電流195 A，功率因數(shù)0.6，頻率400 Hz[3]；發(fā)電機(jī)選型為T(mén)HDF-125/67，額定容量為1 112 MVA，額定功率為1 000 MW，額定電壓為27 kV，額定電流為23 778 A，額定勵(lì)磁電壓為437 V，額定勵(lì)磁電流為5 887 A[4]，系統(tǒng)接線(xiàn)如圖1所示。電源選擇開(kāi)關(guān)(簡(jiǎn)稱(chēng)Q70開(kāi)關(guān))選型為C125 150A/690V，額定電流125 A；勵(lì)磁開(kāi)關(guān)(簡(jiǎn)稱(chēng)Q02開(kāi)關(guān))為SACE TMAX 3P T30 250 400 Hz的三相250 A塑殼斷路器。

圖1中的三機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)是由永磁副勵(lì)磁機(jī)產(chǎn)生400 Hz三相交流電，通過(guò)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器AVR(Automatic Voltage Regulator)整流和控制提供一可變的直流電流給主勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁。在主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子感應(yīng)的150 Hz三相交流電經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流橋整流后，通過(guò)轉(zhuǎn)軸內(nèi)的直流引線(xiàn)提供給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組。整流后的直流電流不經(jīng)過(guò)滑環(huán)和電刷，直接與發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組相連[5-7]。

圖1 三機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)接線(xiàn)原理圖

1.2 保護(hù)系統(tǒng)

圖2 G60失磁保護(hù)邏輯圖

圖3 G60失磁保護(hù)阻抗元件特性圖

兩臺(tái)1 000 MW機(jī)組的雙重化發(fā)電機(jī)保護(hù)使用的是GE公司的G60微機(jī)保護(hù)裝置，其失磁保護(hù)是根據(jù)發(fā)電機(jī)失磁后轉(zhuǎn)子、定子繞組和所聯(lián)系統(tǒng)諸電氣量的變化特性，利用發(fā)電機(jī)機(jī)端測(cè)量阻抗、機(jī)端電壓、系統(tǒng)電壓發(fā)生變化所構(gòu)成的，邏輯如圖2所示。

邏輯圖中，失磁保護(hù)由三部分組成：阻抗元件與系統(tǒng)低電壓均動(dòng)作后經(jīng)T1延時(shí)程序跳閘、阻抗元件與機(jī)端低電壓均動(dòng)作后經(jīng)T2延時(shí)程序跳閘、阻抗元件動(dòng)作后經(jīng)T3延時(shí)程序跳閘。其中作為主元件的阻抗元件采用的是兩個(gè)偏移異步邊界阻抗圓，動(dòng)作特性曲線(xiàn)如圖3所示。

表1 失磁保護(hù)整定值

2 發(fā)電機(jī)失磁故障

2014年12月10日8時(shí)56分，6號(hào)機(jī)組負(fù)荷923 MW，無(wú)功132 Mvar，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓312 V，副勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電壓44 V,勵(lì)磁電流88 A，機(jī)組各運(yùn)行參數(shù)正常。8時(shí)56分24.589秒，6號(hào)發(fā)電機(jī)突然跳閘，汽輪機(jī)聯(lián)跳，鍋爐甩負(fù)荷，DCS(Distribute Control System)報(bào)警首出記錄為“6號(hào)發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動(dòng)作”，兩套(分為A、B屏)G60保護(hù)裝置記錄故障波形如圖4、圖5所示，故障錄波器故障記錄如圖6所示。

圖4 A屏G60失磁保護(hù)動(dòng)作事件錄波圖

圖5 B屏G60失磁保護(hù)動(dòng)作事件錄波圖

圖6 6號(hào)發(fā)電機(jī)組故障錄波圖

2.1 失磁保護(hù)動(dòng)作分析

圖3中機(jī)端測(cè)量阻抗9 Ω至186 Ω (最小和最大值)區(qū)域都為失磁保護(hù)的動(dòng)作區(qū)。由于G60保護(hù)裝置錄波是以保護(hù)出口為觸發(fā)源(而非失磁保護(hù)元件動(dòng)作為觸發(fā)源)，所以G60保護(hù)裝置錄到波形為出口前150 ms～500 ms時(shí)的波形，即此時(shí)顯示的點(diǎn)為機(jī)端電壓已經(jīng)開(kāi)始下降了一段時(shí)間了，經(jīng)邏輯延時(shí)后出口跳閘。

2.1.1保護(hù)啟動(dòng)時(shí)刻

從故障錄波器錄取的波形分別得到A屏和B屏保護(hù)啟動(dòng)時(shí)刻各電氣量的信息如表2和表3，因?yàn)闉閷?duì)稱(chēng)故障，故只取A屏A相進(jìn)行分析。根據(jù)機(jī)端測(cè)量阻抗Zm在角度為α=-32.44°的軌跡如圖7所示，在直角三角形OO2C中，直角邊O2C的長(zhǎng)度如式1。

表2 保護(hù)啟動(dòng)時(shí)刻參數(shù)表

圖7 機(jī)端測(cè)量阻抗特性

(1)

Zma=R2×=79.63∠-32.44° (2)

根據(jù)保護(hù)啟動(dòng)時(shí)的機(jī)端電壓和機(jī)端電流值，可以得到此刻的測(cè)量阻抗Zm,見(jiàn)式4。

(4)

通過(guò)比較可以確定，Zm在第四象限并位于動(dòng)作邊界Zma、Zmb之間，處于動(dòng)作區(qū)，同時(shí)機(jī)端電壓51.13 V(相電壓)大于整定值端低電壓85%(相電壓49.08 V)，所以?xún)H有阻抗元件正確啟動(dòng)。

2.1.2保護(hù)出口時(shí)刻

從各錄波圖和表4、表5中各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)可以看出，保護(hù)動(dòng)作時(shí)刻無(wú)論是故障錄波器還是雙重化的保護(hù)裝置，記錄到的數(shù)據(jù)保持一致。

以保護(hù)A屏A相為例，保護(hù)裝置錄波起始點(diǎn)機(jī)端電流為1.15 A，機(jī)端電壓為47.02 V(相電壓)左右，已經(jīng)滿(mǎn)足機(jī)端低電壓85%(相電壓49.08 V)的判據(jù)條件。

起始點(diǎn)電流超前電壓43.03°，可以計(jì)算得出測(cè)量阻抗Zm(如式5)：

Zm==40.89∠-43.03° (5)

表5 保護(hù)出口時(shí)刻相位關(guān)系表

在機(jī)端測(cè)量阻抗特性圖中，將α=-43.03°分別代入式2和式3，可以得到兩點(diǎn)的邊界動(dòng)作阻抗Zma、Zmb，結(jié)果如式6和式7：

Zma=112.80∠-43.03°

(6)

Zmb=14.12∠-43.03°

(7)

顯然，測(cè)量阻抗Zm介于Zma、Zmb之間且位于第四象限內(nèi)，滿(mǎn)足阻抗元件的動(dòng)作條件，從保護(hù)啟動(dòng)至保護(hù)出口約1 332 ms，符合機(jī)端低電壓失磁電氣量特征，據(jù)此判斷兩套完全雙重化的G60失磁保護(hù)同時(shí)動(dòng)作出口屬于正確動(dòng)作。

2.2 二次設(shè)備檢查及分析

圖8 Q70開(kāi)關(guān)故障外觀圖

就地拆開(kāi)滅磁開(kāi)關(guān)柜背板，發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)Q70開(kāi)關(guān)燒損，故障情況如圖8所示。7號(hào)端子接線(xiàn)嚴(yán)重?zé)龘p，該端子為副勵(lì)磁機(jī)輸出B相電源。分析認(rèn)為6號(hào)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)Q70開(kāi)關(guān)內(nèi)部觸點(diǎn)故障，導(dǎo)致勵(lì)磁系統(tǒng)主電源失電，引起發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動(dòng)作跳閘。

2.3 一次設(shè)備檢查及分析

圖9 轉(zhuǎn)子負(fù)極滑環(huán)放電灼傷點(diǎn)

圖10 刷架緊固穿心螺桿放電灼傷點(diǎn)

圖11 刷架緊固穿心螺桿與刷把結(jié)構(gòu)

6號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓測(cè)量碳刷架緊固穿心螺桿與正、負(fù)極電刷把銅套止動(dòng)銷(xiāo)均有灼傷。間歇停運(yùn)盤(pán)車(chē)后，發(fā)現(xiàn)正極滑環(huán)引線(xiàn)接線(xiàn)端側(cè)的負(fù)極滑環(huán)表面有嚴(yán)重的電灼傷痕跡(如圖9所示)，測(cè)量正極滑環(huán)引線(xiàn)接線(xiàn)端對(duì)負(fù)極滑環(huán)絕緣低至約0.1兆歐。轉(zhuǎn)子電壓測(cè)量刷架緊固穿心螺桿放電灼傷(如圖10所示)。分析認(rèn)為在電刷架設(shè)計(jì)上存在缺陷，電刷把上的銅套止動(dòng)銷(xiāo)與刷架穿心緊固螺桿距離太近(如圖11所示)，因沿?？諝獬睗瘛⒒覊m和發(fā)電機(jī)潤(rùn)滑油油氣等的影響，易造成刷架緊固螺桿和正負(fù)極刷把爬電，導(dǎo)致正負(fù)極瞬間短路放電。

根據(jù)上述檢查以及轉(zhuǎn)子電壓測(cè)量負(fù)極滑環(huán)出現(xiàn)電灼傷的故障情況，實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)子電壓測(cè)量正極滑環(huán)引線(xiàn)連片與負(fù)極滑環(huán)之間絕緣距離僅有1.6 cm，再加上轉(zhuǎn)子測(cè)量滑環(huán)與8號(hào)瓦安裝緊湊，且同在滑環(huán)罩內(nèi)，罩內(nèi)電刷粉及油霧較多，滑環(huán)運(yùn)行環(huán)境比較差，更容易造成轉(zhuǎn)子正極引線(xiàn)與滑環(huán)間絕緣薄弱。

2.4 綜合分析

勵(lì)磁系統(tǒng)Q70開(kāi)關(guān)故障主要是由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓測(cè)量正極滑環(huán)引線(xiàn)連片與負(fù)極滑環(huán)之間絕緣距離過(guò)短、滑環(huán)運(yùn)行環(huán)境較差，在機(jī)組較長(zhǎng)時(shí)間有功功率特別是無(wú)功功率都處于高峰負(fù)荷(此時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓處于高值)的情況下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子正極引線(xiàn)端對(duì)負(fù)極滑環(huán)放電擊穿、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子正極滑環(huán)-碳刷與轉(zhuǎn)子負(fù)極滑環(huán)-碳刷接觸面間歇性拉弧、甚至瞬間短路所致。因Q70開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)損傷，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁電源部分失去，從而引起發(fā)電機(jī)組失磁保護(hù)正確動(dòng)作。

3 故障處理及試驗(yàn)

3.1 轉(zhuǎn)子電壓測(cè)量刷架緊固穿心螺桿放電灼傷處理

打磨電刷把上的銅套止動(dòng)銷(xiāo)與刷架穿心緊固螺桿，并在螺桿與銅套止動(dòng)銷(xiāo)間加墊絕緣塊進(jìn)行隔離處理，以加強(qiáng)電刷及其回路絕緣。

3.2 轉(zhuǎn)子電壓測(cè)量正極引線(xiàn)連片及負(fù)極滑環(huán)電灼傷處理

更換正負(fù)極滑環(huán)引線(xiàn)的連接片，在正負(fù)極滑環(huán)兩側(cè)面及正極滑環(huán)與轉(zhuǎn)軸間加刷絕緣漆；清理正極滑環(huán)引線(xiàn)接線(xiàn)端螺桿，打磨灼傷的滑環(huán)端表絕緣層并刷絕緣漆，以加強(qiáng)滑環(huán)部位絕緣。

3.3 Q70開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)故障處理

將燒損的Q70開(kāi)關(guān)拆除，勵(lì)磁系統(tǒng)電源一次輸入回路直接從副勵(lì)磁機(jī)輸出母排端子并引至Q02開(kāi)關(guān)上口。同時(shí)加裝二次回路端子排，并根據(jù)Q70開(kāi)關(guān)處于正常運(yùn)行狀態(tài)位置觸點(diǎn)進(jìn)行安裝、接線(xiàn)，以滿(mǎn)足發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)。

3.4 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組及其回路絕緣檢查

用直流電阻測(cè)試儀測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組和測(cè)量滑環(huán)引線(xiàn)的直流電阻、測(cè)量主勵(lì)磁機(jī)及副勵(lì)磁機(jī)繞組直流電阻，經(jīng)比對(duì)均合格；用1 000 V兆歐表測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組和測(cè)量滑環(huán)引線(xiàn)對(duì)地及正負(fù)極間絕緣、測(cè)量主勵(lì)磁機(jī)及副勵(lì)磁機(jī)繞組對(duì)地絕緣，均合格。

3.5 靜態(tài)及動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

分別進(jìn)行副勵(lì)磁機(jī)電源輸出相序幅值測(cè)試、給定階躍試驗(yàn)、發(fā)電機(jī)零起升壓和起勵(lì)試驗(yàn)、手/自動(dòng)切換試驗(yàn)、雙通道切換試驗(yàn)、滅磁試驗(yàn)、脈沖波形測(cè)試分析以及發(fā)電機(jī)假同期試驗(yàn)[9-10]。

靜態(tài)、動(dòng)態(tài)等功能性試驗(yàn)的順利完成以及18時(shí)12分發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)發(fā)電，充分驗(yàn)證了勵(lì)磁系統(tǒng)電源故障處理的可行性。

4 有關(guān)問(wèn)題的建議

(1)如果是基建初期大型發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)選型階段，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁方式最好設(shè)計(jì)選型為靜態(tài)勵(lì)磁，這樣機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的冗余度和安全性相對(duì)會(huì)更可靠一些。

(2)考慮冗余的需要，可以將兩個(gè)原設(shè)計(jì)選型的Q70開(kāi)關(guān)進(jìn)行并聯(lián)使用，以提高百萬(wàn)機(jī)組的運(yùn)行可靠性。

(3)Q70開(kāi)關(guān)的額定電流125 A選型偏小，建議選擇在250～300 A，以提高該設(shè)備的帶負(fù)荷能力。

(4)根據(jù)Q70開(kāi)關(guān)PMG、OFF及AUX/TEST(正常運(yùn)行狀態(tài)位置、機(jī)組停運(yùn)狀態(tài)位置、輔助或試驗(yàn)狀態(tài)位置)三種可選擇的工作位置，建議采用三相式單刀雙擲刀閘來(lái)代替，同時(shí)增加一組AUX/TEST位置的重動(dòng)繼電器來(lái)切換對(duì)應(yīng)運(yùn)行狀態(tài)的輔助觸點(diǎn)。

(5)對(duì)于已經(jīng)投運(yùn)的機(jī)組，每逢發(fā)電機(jī)組停運(yùn)檢修，建議仔細(xì)檢查、測(cè)試發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓回路的各勵(lì)磁開(kāi)關(guān)、刷架、穿心螺桿、滑環(huán)引線(xiàn)、正負(fù)極滑環(huán)等有關(guān)部件，確保相關(guān)電氣設(shè)備絕緣、電氣回路連接完好。

5 結(jié)束語(yǔ)

本次發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)正確動(dòng)作后，及時(shí)拆除故障的Q70開(kāi)關(guān)并改動(dòng)有關(guān)回路接線(xiàn)，以及緊急處理轉(zhuǎn)子電壓測(cè)量刷架、緊固穿心螺桿、測(cè)量滑環(huán)引線(xiàn)、轉(zhuǎn)子滑環(huán)等有關(guān)部件存在的問(wèn)題，相關(guān)電氣設(shè)備絕緣、電氣回路接線(xiàn)以及發(fā)電機(jī)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)等均滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)和設(shè)備參數(shù)要求，是一種成功的處理方法。本文僅從百萬(wàn)機(jī)組ABB UNITROL 5000三機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，系統(tǒng)故障后因地制宜，靈活應(yīng)對(duì)，措施得當(dāng)，摸索出了一套三機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)電源故障處理的有效措施，以供同行們探討、參考。

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Analysis and Treatment of Excitation Loss Fault for Large Generating Units

Xiao Huabin1, Zhao Shuwei2

(1.Shenhua Guangdong Guohua Yudian Taishan Power Generation Co. Ltd., Taishan Guangdong 529228, China;2. Suzhou Nuclear Power Research Institute, Shenzhen Guangdong 518120, China)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.03.019

TM77

A

1000-3886(2017)03-0061-04

定稿日期: 2017-10-18

肖華賓(1970-)，男，江西南昌人。高級(jí)工程師、高級(jí)技師,工學(xué)學(xué)士，從事繼電保護(hù)研究工作。 趙曙偉(1977-)，男，山西長(zhǎng)治人。工程師、技師,工學(xué)學(xué)士，從事繼電保護(hù)研究工作。