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        一起線路短路故障引起發(fā)電機(jī)組跳閘的事故分析及應(yīng)對措施

        2022-12-06 12:10:12那廣宇張?zhí)旆?/span>盧盛陽
        東北電力技術(shù) 2022年11期
        關(guān)鍵詞:發(fā)電機(jī)振動故障

        那廣宇,付 宇,張?zhí)旆?,?丹,盧盛陽

        (1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司,遼寧 沈陽 110006;2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院,遼寧 沈陽 110006)

        電力系統(tǒng)集發(fā)電、變電、輸配電和用電等各個環(huán)節(jié)為一體,電能的生產(chǎn)與消費(fèi)同時完成,各個方面緊密相聯(lián),任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都有可能造成其他生產(chǎn)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障,甚至造成局部電網(wǎng)事故擴(kuò)大化影響到整個大電網(wǎng)的安全生產(chǎn)運(yùn)行[1]。

        隨著國家“碳達(dá)峰、碳中和”的雙碳目標(biāo)的落實(shí),新能源裝機(jī)容量占比不斷提高,電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行難度不斷加大,對發(fā)電機(jī)組的網(wǎng)源協(xié)調(diào)水平提出了更高要求[2]。發(fā)電機(jī)組如何能夠更安全穩(wěn)定運(yùn)行,如何能夠?qū)﹄娋W(wǎng)安全起到更有效支撐成為越來越重要的課題[3]。

        本文詳細(xì)介紹了某220 kV 線路故障導(dǎo)致關(guān)聯(lián)發(fā)電機(jī)組跳閘事故的始末,從短路故障過程、勵磁系統(tǒng)動作情況、三機(jī)系統(tǒng)電磁功率變化、機(jī)組過載能力4個方面進(jìn)行分析,結(jié)合機(jī)組汽輪機(jī)振動數(shù)據(jù),得到此次事故的結(jié)論,并提出了解決辦法,為其他機(jī)組排除隱患,避免類似事故發(fā)生提供經(jīng)驗(yàn)。

        1 事故過程

        220 kV AC乙線跳閘,三相重合不良,D變電站220 kVⅠ母跳閘,母線保護(hù)動作發(fā)送遠(yuǎn)跳至BD線對側(cè);電廠2號、3號、4號主變壓器高壓側(cè)電流和2號、3號、4號發(fā)電機(jī)機(jī)端電流出現(xiàn)負(fù)序分量;2號、3號、4號主變壓器高壓側(cè)電流和2號、3號、4號發(fā)電機(jī)機(jī)端電流呈現(xiàn)三相短路特性變化;電廠220 kV BD線第1套、第2套保護(hù)裝置均收到遠(yuǎn)方其他保護(hù)動作命令,保護(hù)裝置遠(yuǎn)方跳閘保護(hù)動作電廠220 kV BD線開關(guān)跳閘;故障切除電廠2號機(jī)組7瓦振動突增,汽輪機(jī)跳閘動作2號機(jī)組主汽門關(guān)閉完成;廠用電自動切換2號機(jī)組程序逆功率保護(hù)跳閘。

        事故期間,受系統(tǒng)擾動影響,2號、3號、4號機(jī)組部分400 V輔機(jī)設(shè)備跳閘。區(qū)域系統(tǒng)接線如圖1所示。

        圖1 系統(tǒng)接線

        2 原因分析

        2.1 短路故障過程分析

        02:16:04,220 kV AC乙線發(fā)生單相接地故障。02:16:04.275,B電廠2號、3號、4號發(fā)電機(jī)定子繞組均出現(xiàn)負(fù)序電流,數(shù)據(jù)如表1所示。

        表1 單相接地故障機(jī)組負(fù)序電流數(shù)據(jù)

        02:16:07,B電廠2號、3號、4號機(jī)組轉(zhuǎn)子軸系出現(xiàn)小幅振動。02:16:44,D變電站220 kV母聯(lián)Ⅰ母隔離開關(guān)發(fā)生短路故障。根據(jù)B電廠提供錄波文件,發(fā)現(xiàn)該短路故障由AC相間短路轉(zhuǎn)為三相短路。

        02:16:44.133,B電廠2號、3號、4號發(fā)電機(jī)定子繞組均出現(xiàn)負(fù)序電流,數(shù)據(jù)如表2所示。

        表2 相間短路轉(zhuǎn)三相短路故障機(jī)組負(fù)序電流數(shù)據(jù)

        02:16:44.156,B電廠2號、3號、4號發(fā)電機(jī)機(jī)端呈現(xiàn)三相短路電流,數(shù)據(jù)如表3所示。

        表3 相間短路轉(zhuǎn)三相短路故障機(jī)端三相短路電流數(shù)據(jù)

        02:16:46,B電廠2號、3號、4號機(jī)組轉(zhuǎn)子軸系出現(xiàn)大幅振動,2號機(jī)組轉(zhuǎn)子軸系7號軸瓦振動突增,滿足汽輪機(jī)跳閘條件(200 μm 3取2),振動數(shù)據(jù)如圖2所示。

        圖2 2號機(jī)組振動曲線

        負(fù)序電流在發(fā)電機(jī)氣隙中產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)磁場,相對于轉(zhuǎn)子為2倍的同步轉(zhuǎn)速,因此在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出100 Hz的倍頻電流。同時,轉(zhuǎn)子正序氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與定子負(fù)序電流之間也產(chǎn)生100 Hz的交變電磁力矩,這2種力矩將同時作用于轉(zhuǎn)子大軸引發(fā)軸系振動。

        發(fā)電機(jī)三相短路時,定子電流會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場和直流磁場,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)睾惚黄茐摹^D(zhuǎn)子勵磁回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流以建立抵消上述磁場對轉(zhuǎn)子繞組形成的磁鏈,上述磁鏈暫態(tài)過程變化將進(jìn)一步引發(fā)轉(zhuǎn)子軸系振動。

        綜上所述,負(fù)序電流和三相短路電流都會對機(jī)組轉(zhuǎn)子軸系振動產(chǎn)生影響。

        2.2 勵磁系統(tǒng)動作情況分析

        勵磁系統(tǒng)是供給同步發(fā)電機(jī)勵磁電流的電源及其附屬設(shè)備。當(dāng)電力系統(tǒng)短路、負(fù)荷突然增減時對發(fā)電機(jī)進(jìn)行強(qiáng)行增磁減磁以提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。隨著勵磁電流變化,造成磁場不平衡,易導(dǎo)致汽輪發(fā)電機(jī)振動數(shù)值增大。

        根據(jù)3臺機(jī)組故障錄波波形可知,發(fā)生故障時,機(jī)組勵磁電流增加,勵磁系統(tǒng)進(jìn)行增磁動作。發(fā)生三相短路故障時,較比單相短路故障,母線電壓降幅更大,增磁幅度更大。對比分析3臺機(jī)組在事故前后勵磁電流變化與振動趨勢可知,機(jī)組增磁時,磁場中安培力變大,發(fā)電機(jī)和勵磁機(jī)振動增大。

        2.3 三機(jī)系統(tǒng)電磁功率變化分析

        發(fā)生單相接地時,機(jī)端電壓降低至80%額定值,汽輪機(jī)輸出功率不變,發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率ΔP下降較小,發(fā)電機(jī)與汽輪機(jī)之間的對輪傳遞功率降低,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速上升較小,從2997.839 r/min上升至2998.825 r/min。而勵磁電壓、勵磁電流的上升需要勵磁機(jī)輸出的電磁功率ΔP增大,因此勵磁機(jī)功率增大導(dǎo)致發(fā)電機(jī)與勵磁機(jī)對輪傳遞功率上升,進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動上升。

        發(fā)生三相短路時,機(jī)端電壓降低至60%額定值,相較于接地短路,發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率ΔP下降更大,發(fā)電機(jī)與汽輪機(jī)之間的對輪傳遞功率降低更多,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速上升較大,從2998.188 r/min上升至3002.245 r/min。同時,勵磁機(jī)需要輸出的電磁功率ΔP上升更大,發(fā)電機(jī)與勵磁機(jī)對輪傳遞功率上升更大,轉(zhuǎn)子振動也就更大。

        2.4 機(jī)組過載能力分析

        發(fā)電機(jī)過載能力體現(xiàn)發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定性,具備較小同步電抗的發(fā)電機(jī),具有更大的過載能力[4]。同步發(fā)電機(jī)額定功率為

        (1)

        式中:δΝ為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓與空載電動勢的夾角;U為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓;E0為發(fā)電機(jī)空載電動勢;xd為發(fā)電機(jī)同步電抗。

        同步發(fā)電機(jī)的最大功率為

        (2)

        最大功率與額定功率之比稱為過載能力,用Km表示為

        (3)

        由式(3)可知,δN越小,Km越大。在一定負(fù)載情況下,減小δN必須要減小同步電抗xd。因?yàn)槎搪繁扰c直軸同步電抗xd互為倒數(shù),所以具有較大短路比的電機(jī)也具有較大的過載能力。

        B電廠2號、3號、4號機(jī)組的發(fā)電機(jī)電抗參數(shù)如表4所示。由表4可知,2號發(fā)電機(jī)的各項電抗參數(shù)均大于3號、4號發(fā)電機(jī),因此3號、4號發(fā)電機(jī)具備更好的穩(wěn)定性,過載能力更強(qiáng),受故障電流影響小。

        表4 發(fā)電機(jī)電抗參數(shù)

        3 應(yīng)對措施

        a.為保障機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行,建議在軸承振動保護(hù)中增加1 s延時,避免振動突變造成機(jī)組跳閘事故。

        b.調(diào)整PSS功能自動投退值定值,指導(dǎo)機(jī)組在深度調(diào)峰等工況下PSS正確投入,確保為系統(tǒng)提供阻尼。

        c.開展勵磁系統(tǒng)現(xiàn)場試驗(yàn)工作,定量分析發(fā)電機(jī)振動與勵磁系統(tǒng)增減磁動作相關(guān)性。

        d.改造400 V輔機(jī)設(shè)備交流接觸器,進(jìn)行適配性分析,防止母線電壓降低,出現(xiàn)交流接觸器無法保持吸合的情況。

        e.開展電廠重要輔機(jī)低電壓穿越測試,保證電廠對瞬時故障造成母線低電壓的抗干擾能力[5-10]。

        4 結(jié)論

        a.短路故障過程中,負(fù)序電流和三相短路電流產(chǎn)生的交變電磁場均會引起機(jī)組轉(zhuǎn)子軸系振動。

        b.B廠發(fā)電機(jī)均采用三機(jī)無刷勵磁方式,轉(zhuǎn)子軸系較長。勵磁系統(tǒng)增磁時產(chǎn)生的安培力疊加發(fā)電機(jī)定子故障電流產(chǎn)生的交變電磁力矩,易引發(fā)轉(zhuǎn)子軸系末端振動。

        c.三相短路時勵磁機(jī)需要輸出更大電磁功率,發(fā)電機(jī)與勵磁機(jī)對輪傳遞功率更多,對輪承受的耦合力更大。

        d.由于3號、4號發(fā)電機(jī)過載能力強(qiáng)于2號發(fā)電機(jī),導(dǎo)致2號發(fā)電機(jī)受故障電流影響更大。

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