紀虎軍 趙俊杰 張 灝 楊 昭

一起燃機誤上電保護動作案例分析

紀虎軍1趙俊杰2張 灝2楊 昭2

（1. 東莞深能源樟洋電力有限公司，廣東 東莞 523637； 2. 西安熱工研究院有限公司，西安 710054）

南方某電廠6號機組在整套起動過程中發(fā)生“誤上電”保護動作。本文通過對其保護動作數(shù)據(jù)、動作過程、故障波形進行分析，得出故障及動作原因，對該機組的電氣控制系統(tǒng)如何避免“誤上電”誤動作提出改進措施，并驗證了改進措施的有效性。

燃機；誤上電；誤動作；同期

0 引言

在發(fā)電機處于靜止狀態(tài)或已起動但未同步并網(wǎng)時，如果并網(wǎng)斷路器不受控突然合閘，會導致發(fā)電機遭受非常嚴重的損壞。此時的發(fā)電機如同一臺異步電動機，在轉(zhuǎn)差很大的情況下起動，會在轉(zhuǎn)子回路中感應出超出允許值的大電流，最終可能導致轉(zhuǎn)子損壞，甚至破壞電力系統(tǒng)穩(wěn)定。

1 事故前概況

某電廠6號機組為9F級燃機，該機組為日起停調(diào)峰機組。機組以發(fā)電機-變壓器組接線接入220kV升壓站，設(shè)置發(fā)電機出口開關(guān)（generator circuit breaker, GCB）和主變高壓開關(guān)（high voltage circuit breaker, HVCB）兩個同期點。事故發(fā)生前機組已經(jīng)通過GCB完成了首次并網(wǎng)。根據(jù)電網(wǎng)下發(fā)的起動方案，機組運行穩(wěn)定后，需要拉開HVCB，對HVCB同期點進行假同期試驗以驗證同期回路的正確性。最后機組經(jīng)HVCB與電網(wǎng)第二次并列。執(zhí)行時在拉開HVCB后，機組因高壓管道法蘭漏氣停機，發(fā)電機解列，燃機控制系統(tǒng)（turbine control system, TCS）順控停機分GCB，主變失電。

2 事故過程

搶修結(jié)束后，計劃先通過同期裝置的雙側(cè)無壓合閘功能合GCB，然后發(fā)電機帶主變零起升壓，再對HVCB進行假同期試驗。過程中在合上GCB后，發(fā)現(xiàn)勵磁系統(tǒng)閉鎖，機組無法起勵。經(jīng)與勵磁廠家溝通，確認GCB已合閘，勵磁系統(tǒng)將閉鎖起勵。分析邏輯后，決定在機組起勵后通過同期裝置的單側(cè)無壓合閘功能給主變反充電，再對HVCB進行假同期試驗。

在通過同期裝置單側(cè)無壓合閘功能合GCB對主變反充電時，發(fā)電機“誤上電”保護動作，跳GCB、跳靜止變頻裝置（static frequency converter, SFC）、跳滅磁開關(guān)、停燃機。

3 事故處理及分析過程

3.1 誤上電保護動作分析

事故發(fā)生后，檢查發(fā)電機保護裝置、GCB本體、發(fā)電機本體、機組勵磁系統(tǒng)、發(fā)變組故障錄波系統(tǒng)，調(diào)取錄波、保護動作記錄。

發(fā)電機保護裝置定值，發(fā)電機誤上電保護定值見表1。

表1 發(fā)電機誤上電保護定值

經(jīng)查看保護裝置報文及錄波，初步判斷發(fā)電機保護中的誤上電動作正確。本機組裝置采用南瑞繼保PCS—985BG發(fā)電機保護裝置，版本3.0，發(fā)電機誤上電保護邏輯如圖1所示。

圖1 發(fā)電機誤上電保護邏輯

如圖1所示，誤上電保護可認為是一個主判據(jù)加三個輔助判據(jù)。這四個判據(jù)組合對應發(fā)電機各種誤上電工況[1]。特別地，本版本中斷路器位置輔助判據(jù)加發(fā)電機過電流判據(jù)可以應對非同期工況[2-3]。各種誤上電工況及動作邏輯在各文獻及廠家說明書里已經(jīng)有比較詳細的說明及分析[4]，在此不再復述。

事故發(fā)生后，調(diào)取發(fā)電機保護A柜裝置錄波記錄，保護動作時序如下：

10:51:22.4467，發(fā)電機出口斷路器分位消失。

10:51:22.4750，發(fā)電機誤上電保護啟動。

10:51:22.4900，發(fā)電機負序過負荷保護啟動。

10:51:22.6750，發(fā)電機誤上電保護動作。

10:51:22.6997，發(fā)電機保護動作開入。

10:51:22.7523，發(fā)電機出口斷路器分閘位置。

10:51:23.1158，發(fā)電機負序過負荷返回。

發(fā)電機保護B柜保護裝置波形記錄與發(fā)電機保護A柜保護裝置波形時間記錄基本一致。發(fā)電機保護A柜保護錄波波形如圖2所示。

圖2 發(fā)電機保護A柜保護錄波波形

發(fā)電機保護A柜保護裝置所錄波形顯示誤上電保護啟動時，發(fā)電機定子A相電流為1.39A，B相電流為1.48A，C相電流為0.4A，其中A、B相電流大于誤上電保護動作電流值op，發(fā)電機誤上電保護啟動。誤上電保護經(jīng)0.2s延時后動作出口，此時發(fā)電機定子A相電流為1.29A，B相電流為1.38A，C相電流為0.39A，其中A、B相電流仍大于誤上電保護動作電流定值op，保護動作正確。

調(diào)取發(fā)變組故障錄波波形，對事故發(fā)生時發(fā)電機機端電流、發(fā)電機中性點電流、主變低壓側(cè)電流、廠變高、低壓側(cè)電流進行檢查分析。波形顯示誤上電保護啟動時發(fā)電機定子中正序電流0.81A、負序電流0.77A、主變低壓側(cè)電流0.80A、廠變高壓側(cè)電流0.18A。發(fā)電機負序過負荷保護定值為0.57A，這解釋了發(fā)電機負序過負荷保護啟動的原因。各處電流均未超過額定值。經(jīng)檢查一次設(shè)備確認，此次保護動作未對設(shè)備造成傷害。

3.2 動作原因分析

對故障錄波系統(tǒng)中發(fā)電機中性點及機端電流波形進行分析，發(fā)現(xiàn)機端及中性點電流波形均偏向時間軸一側(cè)，且有間斷角，初步認定此電流為勵磁涌流[5]。

為進一步確認此電流是否為勵磁涌流，對誤上電保護動作時的發(fā)電機機端電流諧波含量進行分析，發(fā)電機機端各次諧波含量對比如圖3所示，發(fā)電機機端電流諧波含量見表2。

圖3 發(fā)電機機端各次諧波含量對比

表2 發(fā)電機機端電流諧波含量

由圖3與表2可見，故障錄波波形顯示，在發(fā)電機出口斷路器合上之后，機端電流諧波主要表現(xiàn)為2次諧波，A相2次諧波在保護啟動至出口期間一直在55%～60%之間，B相2次諧波在保護啟動未出口期間一直在47%～51%之間。

以上幾點符合勵磁涌流波形的特征，為典型的勵磁涌流波形[6]。變壓器勵磁涌流的產(chǎn)生機理是基于電感線圈遵循磁鏈守恒原理，即與電感線圈交鏈的磁通不能突變。波形顯示發(fā)電機機端及中性點二次電流峰值為4.47A，為主變低壓側(cè)二次額定峰值電流的0.76倍。勵磁涌流與電源電壓大小、合閘初相位、系統(tǒng)等值阻抗、剩磁大小和方向等因素有關(guān)[7]。

同期裝置單側(cè)無壓合閘功能只能判斷主變側(cè)無壓狀態(tài)，并不能通過控制合閘角度來減小主變空載合閘時的勵磁涌流。在GCB合閘時，涌流超過了誤上電保護動作定值，導致此次誤上電保護動作。

4 改進措施的分析及驗證

事故處理完成后，對發(fā)電機保護定值、勵磁啟動邏輯、TCS起勵邏輯等進行梳理分析。

4.1 發(fā)電機保護定值

PCS—985BG誤上電保護采用低頻低電壓過電流原理。相關(guān)規(guī)程中關(guān)于此原理規(guī)定為：以誤上電時應可靠啟動為條件，動作電流應為誤上電最小電流的50%，一般可整定為（0.3～0.8）n[8-9]。根據(jù)各廠運行經(jīng)驗此動作電流定值一般設(shè)為0.5n。

對發(fā)電機反充主變進行簡單仿真，仿真模型如圖4所示。

圖4 簡單的發(fā)電機反充主變仿真模型

圖4的仿真模型設(shè)置主變、廠高變鐵心剩磁為0.9倍額定磁鏈。發(fā)電機反充主變仿真結(jié)果如圖5所示，涌流峰值最大可接近9kA。

圖5 發(fā)電機反充主變仿真結(jié)果

主變反充電時，勵磁涌流會在發(fā)電機定子中產(chǎn)生很大的負序電流，可能會對發(fā)電機轉(zhuǎn)子造成損傷。故不采取發(fā)電機反充主變方式并網(wǎng)，也應避免發(fā)電機反充主變。

另考慮到誤上電啟動電流需躲過同期裝置最大電壓差并網(wǎng)時的沖擊電流，故調(diào)整誤上電啟動電流至0.5n。該定值滿足規(guī)程對誤上電保護定值的規(guī)定[8-9]。

4.2 抑制涌流措施

為盡可能地減小主變沖擊時勵磁涌流的幅值，應在主變預試后對主變進行退磁或者其他抑制涌流的處理[10-11]。用GCB作為同期點時，主變由220kV母線倒送，主變高壓側(cè)采用SID—3YL涌流抑制器來抑制涌流，表3為五次主變沖擊時涌流倍數(shù)，可以看出該裝置的涌流抑制效果較好。用HVCB作為同期點時，經(jīng)對勵磁起勵邏輯進行修改，發(fā)電機可帶主變零起升壓后與電網(wǎng)并列，故發(fā)電機低壓側(cè)不需要抑制涌流的措施。

表3 主變沖擊時涌流倍數(shù)

4.3 勵磁系統(tǒng)邏輯

該電廠設(shè)置機端斷路器GCB和主變高壓側(cè)HVCB兩個同期點，各控制系統(tǒng)應滿足任一開關(guān)作為同期點進行并網(wǎng)。勵磁系統(tǒng)雖然采樣HVCB和GCB的節(jié)點來判斷機組是否在并網(wǎng)狀態(tài)，但是其邏輯起勵的允許條件為GCB必須在分位，并未考慮發(fā)電機帶主變零起升壓通過HVCB并列的情況[12]。

經(jīng)與廠家討論，勵磁系統(tǒng)邏輯中增加發(fā)電機帶主變零起升壓工況，將勵磁系統(tǒng)起勵允許條件中的GCB分位條件改為HVCB或GCB在分位即可起勵，修改后的勵磁系統(tǒng)起勵邏輯如圖6所示。

圖6 修改后的勵磁系統(tǒng)起勵邏輯

4.4 燃機控制系統(tǒng)中的起勵邏輯

檢查TCS中有關(guān)勵磁系統(tǒng)起勵指令允許邏輯，該指令的允許條件中需GCB分位且HVCB合位。TCS起勵允許邏輯中同樣沒有考慮發(fā)電機帶主變零起升壓通過HVCB并列的情況。經(jīng)與設(shè)計院討論，在該邏輯中刪除GCB和HVCB位置條件。修改后的TCS起勵允許邏輯如圖7所示。

4.5 效果驗證

根據(jù)以上分析，對勵磁系統(tǒng)起勵邏輯及TCS中的允許起勵邏輯進行修改，另考慮到并網(wǎng)時的沖擊電流，調(diào)整誤上電保護的啟動電流值。修改邏輯后進行發(fā)電機帶主變零起升壓。11:15，發(fā)電機帶主變零起升壓波形如圖8所示。

圖7 修改后的TCS起勵允許邏輯

圖8 發(fā)電機帶主變零起升壓波形

在整個升壓過程中，發(fā)電機定子中涌流最大為0.05A，幾乎為零，其他參數(shù)無異常，表明機組帶主變零起升壓通過HVCB并列是安全可行的。

13:26，6號機組經(jīng)HVCB并網(wǎng)，沖擊電流為1 712.00A，并網(wǎng)后發(fā)電機有功功率為23.45MW，其他設(shè)備無異常。

5 結(jié)論

本文介紹了一起誤上電保護動作事故及其分析過程，提出了幾個預防措施及改進建議，對修改后的邏輯進行了驗證，實現(xiàn)了發(fā)電機帶主變零起升壓。修改后的機組可任選GCB和HVCB作為同期點進行并網(wǎng)，并網(wǎng)方式更加靈活，保證了機組的良性運行。

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Case analysis of a gas turbine inadvertent energization protection action

JI Hujun1ZHAO Junjie2ZHANG Hao2YANG Zhao2

(1. Dongguan Shenzhen Energy Zhangyang Power Co., Ltd, Dongguan, Guangdong 523637; 2. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd, Xi’an 710054)

The protection action of “inadvertent energization” occurred in the whole starting process of the No.6 unit of a power plant in South China. In this paper, through analyzing the data of its protection action, the process of action and the fault waveform, the fault and the cause of action are obtained. The improvement measures for the electrical control system of the unit and how to avoid the wrong operation of “inadvertent energization” are put forward, and the effectiveness of the improvement measures is verified.

gas turbine; inadvertent energization; false action; synchronization

2021-04-16

2021-04-28

紀虎軍（1983—），男，廣東深圳人，本科，工程師，主要從事發(fā)電廠電氣技術(shù)管理工作。