一起勵磁系統(tǒng)故障引起的發(fā)電機組跳閘事故分析

徐鵬煜，陳 強

(河南電力試驗研究院，河南 鄭州 450052)

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，提高和維護同步發(fā)電機運行的穩(wěn)定性，是保證電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟運行的基本條件之一。在眾多改善同步發(fā)電機穩(wěn)定運行的措施中，運用現(xiàn)代控制理論，提高勵磁系統(tǒng)的控制性能是公認的經(jīng)濟有效的手段之一。因此，對勵磁調(diào)節(jié)器來說，功能先進且全面的設(shè)計原理和優(yōu)秀的設(shè)備制造工藝是保證機組安全可靠運行的必備條件。

現(xiàn)通過對某2×210MW電廠發(fā)生的一起發(fā)電機跳閘事故的分析，來說明勵磁系統(tǒng)對發(fā)電機組安全穩(wěn)定運行的重要作用。

1 事故過程

某日08:45，電廠1號發(fā)電機AVC裝置正在進行增磁操作過程中，轉(zhuǎn)子電壓突然大幅降低，轉(zhuǎn)子電流隨之減小，無功降低，使發(fā)電機運行至進相狀態(tài)；約2 s后，勵磁調(diào)節(jié)器突變?yōu)閺妱顮顟B(tài)；約5 s后，發(fā)變組“勵磁繞組過負荷”保護動作，將機組解列滅磁，“過激磁反時限”、“主變差動”、“高廠變差動”、“勵磁變差動”同時動作，調(diào)節(jié)器報“欠勵限制”動作信號。

1號發(fā)電機勵磁系統(tǒng)為機端自并勵方式，采用國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的HWLT-4型微機勵磁調(diào)節(jié)器，事故發(fā)生時調(diào)節(jié)器運行在2通道。由于故障時發(fā)變組故障錄波器未啟動，各電氣量的變化情況只能從DCS和發(fā)變組保護獲得。

故障前，發(fā)電機有功110MW，無功86.4 Mvar，定子電壓15.76kV，轉(zhuǎn)子電壓274V，轉(zhuǎn)子電流1311 A。

故障過程中，發(fā)電機無功最低-73.6 Mvar，最高165 Mvar；定子電壓最低13.53kV，最高23.47kV；發(fā)電機轉(zhuǎn)子電壓最低-40V；轉(zhuǎn)子電流最低369 A，最高5208 A。

2 設(shè)備試驗檢查

2.1 定子電壓回路檢查

在調(diào)節(jié)器屏將2路PT輸入端子排并聯(lián)，外接三相48 V電壓，1通道正常顯示0.47 V；2通道顯示0.266V，是正常值的57 %左右。

在調(diào)節(jié)器測量板卡上測量電壓信號有短時中斷現(xiàn)象，檢查發(fā)現(xiàn)電壓回路相應的插口有松動，重新緊固后，兩通道電壓顯示均正常。

2.2 轉(zhuǎn)子電流回路檢查

轉(zhuǎn)子電流是通過勵磁變低壓側(cè)CT二次交流電流進行間接測量的，對應額定轉(zhuǎn)子電流1768 A時，測量電流值應為2.89 A。

實際在此CT二次側(cè)加入電流，調(diào)節(jié)器顯示的數(shù)據(jù)見表1。由表1可見轉(zhuǎn)子電流較大時顯示值失真，線性度非常不好。

進一步檢查發(fā)現(xiàn)，此測量回路電阻線性度有問題，更換電阻后再次檢查，調(diào)節(jié)器顯示正常。

表1 調(diào)節(jié)器測量到的轉(zhuǎn)子電流

2.3 PT斷線功能檢查

調(diào)節(jié)器2組PT回路分別外加電壓100V。

自動方式下解除運行通道PT回路的一相電壓，調(diào)節(jié)器報“機端電壓測量”報警信號；再解除一相，調(diào)節(jié)器由自動運行方式轉(zhuǎn)為手動運行方式。

先后解除2路PT回路各一相電壓，調(diào)節(jié)器亦由自動運行方式轉(zhuǎn)為手動運行方式。

采取降單相電壓的方式，在降至4 V左右時(對應調(diào)節(jié)器顯示的發(fā)電機電壓為11.22kV)調(diào)節(jié)器報“機端電壓測量”報警信號。

2通道自動方式運行時，突降PT回路單相電壓10 %，30 %，50 %，70 %，轉(zhuǎn)子電流均明顯上升；突降PT回路單相電壓80 %以上，轉(zhuǎn)子電流無波動，報“機端電壓測量故障”。

從以上PT回路試驗情況來看，在PT回路發(fā)生不完全斷線或電壓測量回路出現(xiàn)異常時調(diào)節(jié)器不能可靠閉鎖強勵功能。

2.4 干擾試驗

用干擾源(對講機等)接近調(diào)節(jié)器，其整流波形、顯示數(shù)據(jù)均正常。

2.5 調(diào)節(jié)器靜態(tài)試驗

按調(diào)試大綱對調(diào)節(jié)器進行了全面檢查和試驗，靜態(tài)試驗中低勵限制動作正常。

2.6 調(diào)節(jié)器動態(tài)試驗

靜態(tài)試驗全部完成并檢查無誤后，啟動機組進行勵磁調(diào)節(jié)器動態(tài)試驗。發(fā)電機空載額定電壓時調(diào)節(jié)器運行通道PT斷線試驗錄波如圖1所示。圖中Uab為發(fā)電機電壓，Uf為發(fā)電機轉(zhuǎn)子電壓。

圖1 發(fā)電機空載PT斷線試驗錄波圖

前半段為運行通道PT單相斷線試驗的波形，顯示發(fā)電機電壓、轉(zhuǎn)子電壓均有明顯振蕩，在發(fā)電機電壓下降至0.92倍額定值后緩慢回升。

后半段為模擬運行通道PT單相接觸不良的試驗波形，顯示轉(zhuǎn)子電壓多次出現(xiàn)先強勵再減磁的情況，幅值最高為2.3倍、最低為-1.6倍額定值，發(fā)電機電壓最低到0.85倍額定值。

試驗表明，該調(diào)節(jié)器PT斷線功能存在較大隱患，不能有效閉鎖電壓測量回路的接觸不良狀態(tài)，亟待改善。

3 事故分析

3.1 發(fā)電機突然進相的原因

發(fā)電機正常運行時，若轉(zhuǎn)子電流減小到一定程度，會使機組進入進相運行狀態(tài)。造成轉(zhuǎn)子電流減小的原因大致有：

(1) 勵磁系統(tǒng)主回路開路或短路，造成發(fā)電機失磁。本次事故未出現(xiàn)此情況。

(2) 手動減磁或外部進行了勵磁退出操作。本次事故前AVC正在進行增磁操作，且正常的減磁操作步長較短，無功變化很??；勵磁退出操作伴隨著跳滅磁開關(guān)，且在發(fā)電機并網(wǎng)時被閉鎖。本次事故未出現(xiàn)此2種情況。

(3) 機端電壓突然升高。從DCS的記錄曲線來看，事故前機端電壓是正常的。但試驗已證明調(diào)節(jié)器電壓測量回路存在的異常會造成電壓測量值偏低。

(4) 勵磁系統(tǒng)同步信號回路或脈沖形成及放大回路存在問題，造成脈沖跳變或丟失。調(diào)節(jié)器靜態(tài)檢查中脈沖回路正常，事故時也未發(fā)出脈沖丟失的報警信號。

(5) 在靜態(tài)假負載狀態(tài)和發(fā)電機空載額定電壓時進行PT斷線試驗，當一相PT回路或測量板電壓回路插頭出現(xiàn)接觸不良時，調(diào)節(jié)器輸出波形出現(xiàn)先強勵再減磁的波動情況。

綜合來看，事故時機組的進相現(xiàn)象應該是第(5)種原因造成的。

3.2 進相時低勵限制動作但未能限制進相的原因

事故前發(fā)電機有功為110MW，對應低勵限制定值為無功進相17 Mvar。

事故中低勵限制雖已報動作信號，但發(fā)電機進相無功達到73 Mvar，而沒被限制在17 Mvar。分析認為，事故發(fā)生時調(diào)節(jié)器電壓測量回路因接觸不良而造成無功測量不正常，亦即發(fā)電機實際進相73 Mvar時，調(diào)節(jié)器的無功測量值為進相17 Mvar。

3.3 發(fā)電機的強勵原因分析

從電壓回路檢查情況可知，事故時運行的2通道存在測量電壓偏低情況。機組失磁進相后，機端電壓降至13.53kV，達到強勵條件，機端電壓最高上升到23.47kV，此時調(diào)節(jié)器運行的2通道測量電壓值只相當于13.37kV，故調(diào)節(jié)器仍應處于強勵狀態(tài)而不會返回。

3.4 強勵倍數(shù)過高而強勵限制未動的原因

該調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)子電流的強勵限制定值為2倍額定轉(zhuǎn)子電流，即轉(zhuǎn)子電流不應超過3536 A。

靜態(tài)試驗中，當調(diào)節(jié)器顯示的轉(zhuǎn)子電流達到該定值時，轉(zhuǎn)子電流限制可以正常動作。但通過之前的檢查可知，由于采樣回路失真，此時CT二次電流已經(jīng)達到8.5 A，相當于直流側(cè)為5208 A；而當輸入相當于2倍額定轉(zhuǎn)子電流的二次電流5.8 A時，調(diào)節(jié)器顯示的轉(zhuǎn)子電流只有1850 A，遠低于限制器動作定值，因此事故發(fā)生時調(diào)節(jié)器因采樣偏差導致強勵限制并未動作。

更換測量回路電阻后，調(diào)節(jié)器采樣正常。

3.5 綜合分析

根據(jù)前面幾項分析可初步認定事故發(fā)生過程：機組勵磁調(diào)節(jié)器運行在2通道，因調(diào)節(jié)器PT斷線，不能有效閉鎖PT回路出現(xiàn)的接觸不良，造成發(fā)電機進相運行；由于2通道電壓測量回路有插口松動，電壓測量值為正常值的57 %，導致無功計算偏小，低勵限制未能阻止發(fā)電機深度進相；發(fā)電機進相73 Mvar時，發(fā)電機實際電壓降至13.53kV，達到強勵條件，勵磁調(diào)節(jié)器強勵運行；由于勵磁調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)子電流測量失真，轉(zhuǎn)子電流限制器未能限制轉(zhuǎn)子電流的上升；強勵后，勵磁電流、發(fā)電機電壓大幅升高，發(fā)變組“勵磁繞組過負荷”保護達到定值后動作。

4 解決措施

(1) 全面檢查處理并重新校準轉(zhuǎn)子電流測量回路，使測量及限制功能正常。

(2) 對同步信號回路和脈沖形成及放大回路進行了詳細檢查，無接線松動、損壞、插接不良的情況。

(3) 從PT根部到調(diào)節(jié)器屏內(nèi)電壓測量板，對電壓回路進行了詳細檢查，排除接觸不良、電纜損壞、寄生回路等情況，絕緣檢查合格，PT二次電壓波形及幅值光滑、正確。

(4) 按調(diào)試大綱要求對調(diào)節(jié)器進行了全面檢查和試驗；按新調(diào)節(jié)器投運試驗要求完成各項動態(tài)試驗，試驗合格。

(5) 采取下列臨時措施，以防止發(fā)電機在機組并網(wǎng)運行中出現(xiàn)異常后緊急停機，使事故擴大。

① 將強勵時間由20s改為10s。

② PT斷線功能有待廠家完善，在電壓回路出現(xiàn)異常時應可靠避免誤強勵。在PT斷線保護功能完善以前，將發(fā)電機過電壓保護定值由目前的1.3倍額定電壓、延時0.5 s出口跳機，改為1.2倍額定電壓、延時0.15 s出口跳機，使事故時發(fā)電機能盡快與系統(tǒng)解列，避免對系統(tǒng)穩(wěn)定造成不利影響。

③ 運行維護人員應加強對勵磁系統(tǒng)的巡視，檢查調(diào)節(jié)器的測量顯示值及報警信號是否正常。

④ 在機組運行出現(xiàn)異常的大幅波動時，運行人員應盡快將機組解列。

5 結(jié)束語

本次事故暴露出的問題，如調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)子電流測量值偏差嚴重，發(fā)變組故障錄波器不能正常工作等，顯示設(shè)備運行維護工作不到位。

本次事故前幾天，1號機已發(fā)生了PT異常情況，卻在沒有完全查明原因的情況下維持機組運行且未采取任何措施，忽視了設(shè)備本身存在問題的可能，表明事故預想工作不夠到位。

調(diào)節(jié)器的設(shè)計缺陷是造成本次事故擴大的主要原因，建議聯(lián)系廠家盡快實現(xiàn)軟件升級，消除缺陷，或更換為功能完善的產(chǎn)品。

具有同類型調(diào)節(jié)器的電廠應從此次事故中吸取教訓，及時采取有效措施(如利用勵磁變過流的方法抑制誤強勵)，避免類似情況的發(fā)生。

1 李基成. 現(xiàn)代同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)設(shè)計及應用[M]. 北京：中國電力出版社，2009.

2 龍俊平. 發(fā)電機勵磁誤強勵原因探討[J]. 繼電器，2006，34(19):71～74.