李誠(chéng)帥， 浦曉君， 吳方元， 羅海冰

(1. 河南恩湃高科集團(tuán)有限公司， 鄭州 450002；2. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240)

勵(lì)磁系統(tǒng)與電力系統(tǒng)穩(wěn)定有著密切的關(guān)系，在維持發(fā)電機(jī)電壓、系統(tǒng)故障時(shí)電壓快速恢復(fù)、提高電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性等方面發(fā)揮重要作用[1-2]。勵(lì)磁系統(tǒng)中設(shè)置轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)裝置，用于保護(hù)運(yùn)行中的發(fā)電機(jī)和相連設(shè)備免遭非允許的過(guò)電壓危害。在過(guò)電壓倍數(shù)很高的情況下，保護(hù)的跳閘命令可以快速切除相關(guān)設(shè)備；在過(guò)電壓倍數(shù)不高的情況下，保護(hù)的跳閘命令延時(shí)較長(zhǎng)，讓電壓自動(dòng)裝置有機(jī)會(huì)將電壓調(diào)整到正常運(yùn)行水平。過(guò)電壓產(chǎn)生的因素很多，可能由于手工誤操作勵(lì)磁系統(tǒng)、電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的誤動(dòng)作、發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷及將發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)中解列而產(chǎn)生，也可能在發(fā)電機(jī)脫離電網(wǎng)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生。轉(zhuǎn)子過(guò)電壓檢測(cè)回路用于判斷識(shí)別過(guò)電壓因素及過(guò)電壓情況的嚴(yán)重程度，檢測(cè)回路工作正常是轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)裝置動(dòng)作正確的前提。一旦發(fā)生轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)誤動(dòng)，可能造成機(jī)組強(qiáng)迫停運(yùn)或電力供應(yīng)中斷，給發(fā)電企業(yè)的正常運(yùn)行帶來(lái)較大影響。筆者采用理論研究和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的方法，分析了一起機(jī)組出線單相接地故障恢復(fù)過(guò)程中勵(lì)磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)回路存在一定問(wèn)題導(dǎo)致的非正常停機(jī)事故案例，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施及建議。

1　機(jī)組參數(shù)及轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)

1.1 機(jī)組參數(shù)

某電廠300 MW火電機(jī)組發(fā)電機(jī)型號(hào)為QFSN-300-2-20，勵(lì)磁系統(tǒng)采用帶有主勵(lì)磁機(jī)和副勵(lì)磁機(jī)的三機(jī)方式，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器型號(hào)為Unitrol 6080，相關(guān)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁機(jī)技術(shù)參數(shù)

1.2 轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)原理

轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)的基本電路及原理是1組正反向并聯(lián)的可控硅串聯(lián)1個(gè)放電電阻后再并聯(lián)在勵(lì)磁繞組兩端，當(dāng)可控硅的觸發(fā)器電路檢測(cè)到轉(zhuǎn)子過(guò)電壓后，立即發(fā)出觸發(fā)脈沖使可控硅導(dǎo)通，利用放電電阻吸收過(guò)電壓能量[3]。

目前，在大型發(fā)電機(jī)組上，普遍使用的轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)裝置是跨接器(Crowbar)。對(duì)于Unitrol 6080勵(lì)磁系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)裝置主要由跨接器、觸發(fā)回路、轉(zhuǎn)子過(guò)電壓檢測(cè)元件轉(zhuǎn)折二極管(BOD)、電流繼電器及滅磁電阻等組成(見(jiàn)圖1)。當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)端出現(xiàn)如短路、非同期并列或異步運(yùn)行故障時(shí)，會(huì)在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上感應(yīng)出磁場(chǎng)電流并在轉(zhuǎn)子回路中產(chǎn)生過(guò)電壓，當(dāng)過(guò)電壓值達(dá)到BOD的動(dòng)作閾值時(shí)，該裝置檢測(cè)轉(zhuǎn)子回路中的正向和反向過(guò)電壓，觸發(fā)導(dǎo)通相應(yīng)的可控硅將滅磁電阻并聯(lián)到轉(zhuǎn)子兩端，同時(shí)通過(guò)電流檢測(cè)啟動(dòng)磁場(chǎng)開(kāi)關(guān)瞬時(shí)跳閘[4]。K1、K2、K3分別接入不同的跳閘信號(hào)(保護(hù)動(dòng)作、滅磁開(kāi)關(guān)跳閘、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器故障)，在跳閘信號(hào)動(dòng)作時(shí)導(dǎo)通V1、V2，將R02接入轉(zhuǎn)子兩端。正常運(yùn)行時(shí)，如果出現(xiàn)超過(guò)A02板定值的過(guò)電壓時(shí)，A02板將導(dǎo)通V1或V2，使R02接入轉(zhuǎn)子兩端[5]。

V1—正向可控硅；V2—反向可控硅；A02—轉(zhuǎn)子過(guò)壓感應(yīng)板；R02—非線性滅磁電阻。

2　故障情況

2016年1月23日，該機(jī)組正常運(yùn)行，發(fā)電機(jī)有功功率300 MW，無(wú)功功率160 MV·A，轉(zhuǎn)子電壓404 V，轉(zhuǎn)子電流2 030 A，主勵(lì)磁機(jī)定子電流105 A，副勵(lì)磁機(jī)定子電壓202 V，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器(AVR)輸出電壓(主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子電壓)49 V。

15：03：18， 分布式控制系統(tǒng)(DCS)報(bào)警信號(hào)發(fā)“故障錄波器啟動(dòng)”、“發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動(dòng)作”、“4A/4B快切裝置動(dòng)作”。

隨后發(fā)電機(jī)跳閘，汽輪機(jī)聯(lián)跳，鍋爐主燃料跳閘(MFT)； 6 kV廠用電切換正常。

15：39：00，機(jī)組轉(zhuǎn)速到零，盤車投入正常。

2.1 檢查發(fā)變組保護(hù)柜

故障錄波器記錄整理如下：

(1) 15：03：10.764外部電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生波動(dòng)，主變高壓側(cè)中性點(diǎn)零序電流增至0.21 kA，發(fā)電機(jī)C相電壓降低約5%，故障持續(xù)72.8 ms。

(2) 勵(lì)磁系統(tǒng)跟隨增勵(lì)磁，主勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子電流升高至1.67倍額定值(額定電流135 A)。

(3) 72.8 ms后，故障消失，電壓恢復(fù)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器快速減勵(lì)磁，快速減勵(lì)磁過(guò)程中主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作。

(4) 102 ms后，調(diào)節(jié)器發(fā)出“AVR內(nèi)部故障”信號(hào)，726 ms后勵(lì)磁調(diào)節(jié)器出口滅磁開(kāi)關(guān)Q02跳開(kāi)，4.537 s后發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動(dòng)作，5.062 s后發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)跳閘，機(jī)組停機(jī)。

調(diào)取發(fā)變組故障錄波圖(見(jiàn)圖2)，可以查到事故發(fā)生后500 ms，失磁保護(hù)1段動(dòng)作，定值和動(dòng)作時(shí)間均正確。但是，滅磁開(kāi)關(guān)分開(kāi)前，先是主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子上出現(xiàn)了反向電壓，隨后AVR裝置故障信號(hào)發(fā)出，故需要重點(diǎn)檢查勵(lì)磁系統(tǒng)相關(guān)回路。

圖2　發(fā)變組故障錄波圖

2.2 檢查勵(lì)磁調(diào)節(jié)柜

(1) 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器柜內(nèi)設(shè)備檢查，未發(fā)現(xiàn)二次接線有絕緣損壞、發(fā)熱、異味等現(xiàn)象。

(2) 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器跨接器接線和可控硅檢查未見(jiàn)異常。

(3) 調(diào)閱并整理勵(lì)磁調(diào)節(jié)器事件記錄見(jiàn)表2。

表2　勵(lì)磁調(diào)節(jié)器事件記錄

由表2可見(jiàn)跳閘的直接原因是Crowbar過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作。重點(diǎn)檢查Crowbar過(guò)電壓保護(hù)回路。

2.3 檢查轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)回路

(1) BOD元件檢測(cè)。動(dòng)作電壓2 605.5 V，BOD元件功能正常。

(2) 電流互感器(T02)元件檢測(cè)。節(jié)點(diǎn)1、2動(dòng)作值69 A，節(jié)點(diǎn)3、4動(dòng)作值73 A，誤差屬于正常范圍，未發(fā)現(xiàn)異常。

(3) 跨接器硅堆元件檢測(cè)。 對(duì)跨接器硅堆中兩個(gè)可控硅施加600 V耐壓時(shí)的漏電流均為0.14 mA，屬于正常范圍，未發(fā)現(xiàn)異常。

(4) 跨接器K1、K2繼電器檢查。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器正常運(yùn)行時(shí)，K1繼電器不動(dòng)作，狀態(tài)正常；K2繼電器在動(dòng)作位置，狀態(tài)不正常。

(5) 滅磁開(kāi)關(guān)輔助觸點(diǎn)檢查。拆開(kāi)設(shè)備上的輔助觸點(diǎn)觀察，發(fā)現(xiàn)觸點(diǎn)31、32、34有過(guò)流燒壞的跡象(見(jiàn)圖3)。觸點(diǎn)31為公共點(diǎn)，正常情況下觸點(diǎn)31、32為常閉點(diǎn)，觸點(diǎn)31、34為常開(kāi)點(diǎn)。燒壞后無(wú)論滅磁開(kāi)關(guān)處于合或分狀態(tài)，觸點(diǎn)31、32一直是閉合狀態(tài)，觸點(diǎn)31、34一直是常開(kāi)狀態(tài)，不會(huì)有任何變化。初步判斷：滅磁開(kāi)關(guān)輔助接點(diǎn)沒(méi)能正常切換是造成K2繼電器動(dòng)作的原因。

圖3　損壞的滅磁開(kāi)關(guān)輔助觸點(diǎn)照片

3　原因分析

3.1 轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)邏輯

與轉(zhuǎn)子過(guò)電壓裝置硬件回路對(duì)應(yīng)有轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)軟件邏輯，其邏輯框圖見(jiàn)圖4。

圖4　過(guò)電壓保護(hù)邏輯框圖

信號(hào)Rel Rotor Slip可選擇跨接器是否能再觸發(fā)，現(xiàn)場(chǎng)AVR裝置參數(shù)該信號(hào)沒(méi)有選擇，即于邏輯中為0。當(dāng)機(jī)組在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)(Field Breaker is Closed)，若由于某些原因使得跨接器硅堆中的可控硅觸發(fā)導(dǎo)通(例如主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子電壓因故障升高至AVR裝置過(guò)電壓保護(hù)定值，BOD元件會(huì)被轉(zhuǎn)折使跨接器硅堆中的可控硅V1導(dǎo)通)，此時(shí)主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子、跨接器可控硅、滅磁電阻會(huì)形成一個(gè)回路，主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子上的電流通過(guò)該回路續(xù)流。電流繼電器檢測(cè)到跨接器回路上的電流大于保護(hù)定值后，其觸點(diǎn)1、2會(huì)吸合，使正向負(fù)向電流過(guò)大(Positive or Negative Current Flow)信號(hào)發(fā)出，若100 ms之后該信號(hào)仍存在，即主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子電壓仍大于過(guò)電壓保護(hù)定值，且沒(méi)有外部跳閘信號(hào)(External Trip)，就會(huì)產(chǎn)生“過(guò)電壓故障”信號(hào)，AVR裝置會(huì)發(fā)一個(gè)跳閘指令，使滅磁開(kāi)關(guān)跳開(kāi)并進(jìn)行滅磁指令。

3.2 滅磁開(kāi)關(guān)輔助觸點(diǎn)分析

滅磁開(kāi)關(guān)Q02輔助觸點(diǎn)的型號(hào)為AUX-C 3Q1SY-Cable 250VAC/DCT4/6，其容量為0.3 A(110 V)，常開(kāi)常閉共用公共端。滅磁開(kāi)關(guān)正常閉合時(shí)，觸點(diǎn)31、32由閉合變?yōu)閿嚅_(kāi)，觸點(diǎn)31、34由斷開(kāi)變?yōu)殚]合。當(dāng)AVR裝置發(fā)出分滅磁開(kāi)關(guān)指令(繼電器K280吸合)時(shí)，由于二跳線圈的阻值只有140 Ω左右且是一個(gè)純電感元件，回路電壓110 V，輔助觸點(diǎn)在斷開(kāi)的一瞬間會(huì)產(chǎn)生很大的過(guò)電壓，燒壞該對(duì)觸點(diǎn)，導(dǎo)致觸點(diǎn)31、32貼合后無(wú)法斷開(kāi)，不能正確動(dòng)作(見(jiàn)圖5中虛線)。

圖5　觸發(fā)K2繼電器導(dǎo)通的滅磁開(kāi)關(guān)輔助接點(diǎn)

3.3 電流繼電器的觸點(diǎn)分析

AVR裝置的電流繼電器T02型號(hào)是1.1/4 kV/2 kV，有1、2和3、4共兩對(duì)常開(kāi)觸點(diǎn)，動(dòng)作定值為40 A。機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，若電流繼電器檢測(cè)到跨接器回路中有大于40 A的電流存在，其觸點(diǎn)1、2及觸點(diǎn)3、4會(huì)同時(shí)吸合。觸點(diǎn)1、2吸合后，若經(jīng)過(guò)100 ms該觸點(diǎn)仍處于吸合狀態(tài)，AVR裝置就會(huì)發(fā)出“過(guò)電壓故障”；但同時(shí)一旦觸點(diǎn)3、4吸合，不會(huì)有任何時(shí)間的延遲，圖5中的分閘繼電器K200就會(huì)動(dòng)作去分滅磁開(kāi)關(guān)，并發(fā)出AVR裝置內(nèi)部故障信號(hào)。此硬件回路設(shè)計(jì)與第3.1節(jié)中所述的軟件邏輯設(shè)計(jì)存在不一致的問(wèn)題。而事實(shí)上，在雙通道勵(lì)磁系統(tǒng)中，并不需要設(shè)計(jì)此硬件回路。圖6給出了故障發(fā)生時(shí)滅磁開(kāi)關(guān)分閘動(dòng)作時(shí)序，滅磁開(kāi)關(guān)分開(kāi)前，先是主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子上出現(xiàn)了反向電壓，隨后T02的3、4觸點(diǎn)動(dòng)作，分閘繼電器K200動(dòng)作分滅磁開(kāi)關(guān)，并發(fā)出AVR裝置內(nèi)部故障信號(hào)。

圖6　滅磁開(kāi)關(guān)分閘動(dòng)作時(shí)序

3.4 綜合分析

跨接器過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作的原因是Q02開(kāi)關(guān)輔助接點(diǎn)沒(méi)能正常切換，造成跨接器滅磁用K2繼電器一直處在動(dòng)作狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的可控硅門極一直接受到觸發(fā)信號(hào)，一旦給該可控硅施加正向電壓，上負(fù)下正V2就會(huì)導(dǎo)通，使得主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子、跨接器可控硅、滅磁電阻形成了一個(gè)回路。

當(dāng)外部電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生波動(dòng)，勵(lì)磁系統(tǒng)跟隨增勵(lì)磁，系統(tǒng)故障消失后，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器快速減磁時(shí)產(chǎn)生反向電壓，V2導(dǎo)通引起跨接器T02繼電器動(dòng)作，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器“AVR內(nèi)部故障”，Q02開(kāi)關(guān)跳閘，發(fā)電機(jī)失磁。

Q02開(kāi)關(guān)跳閘2回路采用的輔助接點(diǎn)容量不夠。由于調(diào)試和試驗(yàn)過(guò)程Q02開(kāi)關(guān)跳閘2回路會(huì)多次接通，流過(guò)輔助接點(diǎn)電流引起輔助接點(diǎn)動(dòng)觸頭變形，造成Q02開(kāi)關(guān)跳閘2用輔助接點(diǎn)不能夠正常切換。

綜合以上分析，該機(jī)組跳機(jī)的直接原因是轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作，根本原因是滅磁開(kāi)關(guān)輔助接點(diǎn)過(guò)流黏合，轉(zhuǎn)子過(guò)電壓硬件回路存在設(shè)計(jì)缺陷問(wèn)題。

4　改進(jìn)措施

針對(duì)此跳機(jī)事件，提出以下改進(jìn)措施及建議：

(1) 將電流繼電器T02的觸點(diǎn)3、4接線解除，暫不參與跳閘，保留觸點(diǎn)1、2參與過(guò)電壓故障報(bào)警。

(2) 更換滅磁開(kāi)關(guān)輔助接點(diǎn)，鑒于該繼電器參與跳閘邏輯且存在常開(kāi)常閉共用公共端的現(xiàn)象，建議將繼電器改用獨(dú)立的輔助接點(diǎn)，確保分合閘回路的可靠性。

(3) 在機(jī)組大修期間對(duì)跨接器進(jìn)行檢測(cè)，包括觸發(fā)板、BOD、電流互感器等，并對(duì)滅磁開(kāi)關(guān)輔助觸點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)測(cè)試。

(4) 制定備件儲(chǔ)備定額，定額數(shù)量宜不少于10%，包括但不限于滅磁電阻及轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)組件[6]。

(5) 加強(qiáng)運(yùn)行巡檢與設(shè)備點(diǎn)檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)與控制事故隱患。

(6) 對(duì)繼電保護(hù)與勵(lì)磁系統(tǒng)間的配合關(guān)系進(jìn)行認(rèn)真梳理，對(duì)不合理的部分及時(shí)修改，確保機(jī)組安全運(yùn)行。

5　結(jié)語(yǔ)

轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)是對(duì)發(fā)電機(jī)設(shè)備的重要保護(hù)措施，關(guān)系到機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，但在系統(tǒng)投運(yùn)后發(fā)電企業(yè)對(duì)該保護(hù)硬件回路及軟件邏輯的關(guān)注度不高。筆者針對(duì)此次跳機(jī)事件以Unitrol 6080勵(lì)磁系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子過(guò)電壓裝置為例進(jìn)行了分析，并提出了防范措施與建議，以期對(duì)于采用同類型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的發(fā)電企業(yè)防止類似事件發(fā)生起到一定的借鑒作用。

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