水輪發(fā)電機(jī)組不平衡電流過大的原因分析及處理方法

丁 凱

(國電大渡河深溪溝水電有限公司，四川漢源 625300)

1 電站概況

深溪溝水電站位于四川省漢源縣，為大渡河干流規(guī)劃的第十八級(jí)電站，其上一梯級(jí)為瀑布溝水電站，下一級(jí)為規(guī)劃中的枕頭壩電站。深溪溝水電站為河床式布置，主要任務(wù)為發(fā)電。電站裝設(shè)4臺(tái)165 MW軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量660 MW。發(fā)電機(jī)額定電壓為15.75 kV，電站發(fā)電機(jī)與主變壓器組成兩組擴(kuò)大單元接線，發(fā)電機(jī)通過離相封閉母線引出與主變壓器低壓側(cè)連接，主變壓器高壓側(cè)直接與500 kV SF6管道母線(GIS管道母線)連接，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)接地變壓器接地，500 kV側(cè)為四角形接線，電站按無人值班(少人值守)原則設(shè)計(jì)。深溪溝水電站4F機(jī)組于2011年6月成功投產(chǎn)。

深溪溝水電站發(fā)電機(jī)定子繞組為分?jǐn)?shù)槽波繞組，共585槽，每相3分支，每分支65個(gè)線圈。發(fā)電機(jī)機(jī)端設(shè)有斷路器，升壓變及系統(tǒng)等值電抗(折合到發(fā)電機(jī)額定容量)約為0.2 p.u。根據(jù)設(shè)計(jì)文件，深溪溝水電站機(jī)組不完全裂相橫差保護(hù)為發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路主保護(hù)，并配置了A、B兩套發(fā)電機(jī)不完全裂相橫差保護(hù)(87GU－A/B)，該保護(hù)為三相式橫差保護(hù)，保護(hù)采集發(fā)電機(jī)繞組中性點(diǎn)每相分支1電流和分支3電流，能反應(yīng)發(fā)電機(jī)定子繞組相間短路故障、定子匝間短路故障及分支斷線故障。

深溪溝水電站發(fā)電機(jī)每相的第i分支接在一起，形成中性點(diǎn) Oi(i=1，2，3)，然后在O1－O3、O2－O3之間接兩個(gè)電流互感器TA01和TA02，構(gòu)成零序電流型橫差保護(hù)1(TA01)和零序電流型正橫差保護(hù)2(TA02);并在每相的第1和第3分支上裝設(shè)分支電流互感器TA1～TA6，且有機(jī)端相電流互感器TA7～TA9，構(gòu)成不完全縱差保護(hù)1、不完全縱差保護(hù)3和不完全裂相橫差2(圖1)。

圖1 發(fā)電機(jī)差流保護(hù)配置圖

2 故障情況

常情況下，發(fā)電機(jī)不完全裂相橫差保護(hù)差流采樣值在0.01～0.02 Ie左右，但在深溪溝水電站4號(hào)機(jī)組進(jìn)行并網(wǎng)運(yùn)行試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在發(fā)電機(jī)空載試驗(yàn)和負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，不完全裂相橫差保護(hù)差流采樣值均偏大，最大為B相0.12，超過報(bào)警整定值，其次是C相、A相，橫差電流2最大已達(dá)0.25，在短路升流試驗(yàn)時(shí)，不平衡電流采樣正常。從采樣表中可以發(fā)現(xiàn)其具有明顯的規(guī)律，差流值大小與機(jī)組定子電流大小無關(guān)，只與發(fā)電機(jī)電壓大小有關(guān)，發(fā)電機(jī)建壓后即產(chǎn)生差流，且在額定電壓時(shí)達(dá)到最大。

3 原因分析及檢查處理過程

3.1 原因分析

在發(fā)現(xiàn)該問題后，我們對(duì)出現(xiàn)差流過大的原因做了以下初步分析:

(1)繼電保護(hù)裝置采樣誤差;

(2)負(fù)荷不平衡;

(3)電流互感器特性差異過大;

(4)定子繞組線棒接線設(shè)計(jì)缺陷或安裝接線錯(cuò)誤;

(5)定子繞組各相分支阻抗不平衡;

(6)定子和轉(zhuǎn)子不圓度超標(biāo)或定轉(zhuǎn)子偏心，定轉(zhuǎn)子空氣間隙不均勻。

3.2 檢查處理過程

由于該電站4號(hào)機(jī)組已投入商業(yè)運(yùn)行，考慮到查找和解決該問題的可操作性及工作難度，針對(duì)上述可能造成差流過大的原因，我們組織各參建單位對(duì)4號(hào)機(jī)組差流過大可能的6個(gè)原因進(jìn)行逐一排查，從排查順序上采取從易到難，先查二次設(shè)備、后查一次設(shè)備、機(jī)械設(shè)備，具體分析及檢查處理情況為:

(1)繼電保護(hù)裝置采樣誤差。

在4號(hào)機(jī)組運(yùn)行過程中出現(xiàn)差流時(shí)，用鉗形電流表檢測(cè)電流互感器引出線中轉(zhuǎn)端子箱處的實(shí)際電流值與繼電保護(hù)裝置采樣值一致;后又在停機(jī)時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)儀對(duì)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行再次校驗(yàn)，A、B兩套保護(hù)裝置測(cè)量、告警均正常，因此，可排除此項(xiàng)原因。

(2)發(fā)電機(jī)所帶負(fù)荷不平衡。

由此可見，今人眼中人工智能和人的不同，和時(shí)人眼中女性和男性的不同其實(shí)并無性質(zhì)上的差異：他們都被認(rèn)為具有本質(zhì)上的、根本能力上的差異，故所具有的法律人格自然也應(yīng)有所區(qū)別。但正如約翰·穆勒在那個(gè)年代便已意識(shí)到的一樣，這些被稱為女子氣質(zhì)的東西其實(shí)是人為制造出來的。[注][英]瑪格麗特·沃特斯：《女權(quán)主義簡(jiǎn)史》，第76—77頁。按此觀點(diǎn)，上述所謂本質(zhì)差異本身便是建構(gòu)出來的，建基于此的法律人格差別自然也是如此。女性的法律人格在日后的發(fā)展，也顯示出這一點(diǎn)：到了今天，我們至少在理論上承認(rèn)了女性和男性之間并無本質(zhì)不同，故也應(yīng)具有同等的法律人格。

由試驗(yàn)中繼電保護(hù)裝置采樣數(shù)據(jù)可見，不完全差動(dòng)差流、裂相差流以及橫差電流與所帶負(fù)荷以及定子繞組流過的電流值沒有關(guān)系，只與發(fā)電機(jī)的電壓值有關(guān)，因此，可排除此項(xiàng)原因。

(3)機(jī)組繼電保護(hù)用電流互感器特性差異過大。

可能的原因是電流互感器非同一個(gè)廠家、非同一個(gè)批次、非同一個(gè)型號(hào)，從而造成各電流互感器特性差異較大，或產(chǎn)品制造存在缺陷。經(jīng)過核查，差流用6只電流互感器均為沈陽互感器廠同一批次產(chǎn)品，型號(hào)均為LMZB9－20型雙繞組，變比4000/1，準(zhǔn)確級(jí)5PR30，額定輸出20 VA;電流互感器出廠試驗(yàn)報(bào)告中反映，絕緣電阻、伏安特性、誤差試驗(yàn)、繞組直流電阻等測(cè)試均滿足國標(biāo)。隨后又對(duì)4號(hào)機(jī)組差動(dòng)保護(hù)相關(guān)CT進(jìn)行了絕緣、變比、伏安特性等試驗(yàn)復(fù)查，也未發(fā)現(xiàn)異常。

為徹底排除從電流互感器本體至繼電保護(hù)裝置整個(gè)回路無異常，我們又對(duì)4號(hào)機(jī)組中性點(diǎn)各相裂相橫差CT做了一次通流試驗(yàn):試驗(yàn)時(shí)，采用了大電流發(fā)生器作為一次電流源，將一次電流同時(shí)同方向穿過發(fā)電機(jī)裂相橫差保護(hù)用的中性點(diǎn)CT，然后投入發(fā)電機(jī)裂相橫差保護(hù)，在保護(hù)裝置上記錄采樣和差流值(表1)。

表1 電流互感器一次通流試驗(yàn)采樣值表

經(jīng)對(duì)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，4號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)CT本體無故障，不存在造成機(jī)組運(yùn)行出現(xiàn)差流的因素。

(4)定子繞組線棒接線設(shè)計(jì)有缺陷或安裝過程中接線有錯(cuò)誤。

因深溪溝水電站4臺(tái)機(jī)組型號(hào)和生產(chǎn)廠家均相同，之前投運(yùn)的機(jī)組都沒有出現(xiàn)差流過大問題，故可排除接線設(shè)計(jì)的問題。因此，我們?cè)?號(hào)機(jī)組檢修期間，按照定子繞組接線圖紙對(duì)4號(hào)機(jī)組定子繞組接線進(jìn)行了逐一檢查，未發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤接線，故該原因亦可排除。

(5)定子繞組各相分支阻抗不平衡。

可能的原因有兩點(diǎn):一是由定子繞組線棒端接頭接觸電阻差異造成，與端接頭的焊接工藝有關(guān);二是定子線棒、定子鐵心、磁極鐵心形狀尺寸有差異。

深溪溝水電站發(fā)電機(jī)繞組采用銀銅焊接法。銀銅焊料允許通過的電流密度高，抗拉強(qiáng)度也高，但銀銅焊接溫度高，對(duì)焊接工藝要求也高。若焊接時(shí)工藝不合乎要求，其內(nèi)部都有可能存在焊接物不嚴(yán)實(shí)的情況，其不嚴(yán)實(shí)度將直接影響到接頭接觸電阻值的大小。若各接頭接觸電阻差異較大，可能會(huì)造成定子繞組三相各分支直流電阻不平衡，從而各分支間會(huì)產(chǎn)生差流。但從我們對(duì)4F定子繞組的分支直流電阻試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析看未見異常。

由于定子線圈、定子鐵心、磁極鐵心都是采用模具制作的，其形狀尺寸一致，因此，發(fā)電機(jī)每相及各支路間的電抗值應(yīng)是一致的。既使由于制造過程中的偏差引起電抗值的少許偏差，其引起的支路電流的偏差值最多就在百分之幾以下。

(6)定子和轉(zhuǎn)子間隙不均勻。

定轉(zhuǎn)子空氣間隙的不均勻。比如定轉(zhuǎn)子之間偏心、定轉(zhuǎn)子圓度不良，在相同的旋轉(zhuǎn)速度下會(huì)使氣隙磁密分布不均勻。由于線圈切割的磁場(chǎng)密度不均，而引起相間以及同相并聯(lián)支路之間感應(yīng)電壓(內(nèi)電勢(shì))不同，從而引起并聯(lián)支路間的不平衡電流(循環(huán)電流)。并聯(lián)支路間內(nèi)電勢(shì)之差和相關(guān)支路阻抗的大小，決定了該不平衡電流即裂相橫差電流的大小。

如果定轉(zhuǎn)子偏心的方向相對(duì)于各支路導(dǎo)體所在的位置不同，而各位置的氣隙大小不同、氣隙磁密不同、感應(yīng)的單體電勢(shì)不同，最終也會(huì)引起支路間總的感應(yīng)內(nèi)電勢(shì)不同。

通過上述分析，并結(jié)合4號(hào)發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子安裝記錄、空氣間隙監(jiān)測(cè)裝置的數(shù)據(jù)報(bào)告，得出4號(hào)發(fā)電機(jī)因?yàn)槎ㄞD(zhuǎn)子偏心或定轉(zhuǎn)子的圓度不良引起氣隙不均勻，進(jìn)而引起支路間感應(yīng)內(nèi)電勢(shì)的不同，并聯(lián)支路之間發(fā)生循環(huán)電流;感應(yīng)電勢(shì)大的支路在正常電流之外疊加循環(huán)電流，而感應(yīng)電勢(shì)小的支路在正常電流之外會(huì)減去循環(huán)電流，從而表現(xiàn)為裂相橫差的電流過大。

4 結(jié)論及處理結(jié)果

通過對(duì)各項(xiàng)原因進(jìn)行排查分析，我們得出了最終結(jié)論:深溪溝水電站4號(hào)發(fā)電機(jī)裂相橫差電流過大的主要原因是定轉(zhuǎn)子氣隙不均勻。因此，我們?cè)?號(hào)機(jī)組檢修期間，下決心對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)子圓度及機(jī)組軸線進(jìn)行了檢查和調(diào)整。

從4號(hào)機(jī)組檢修后啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)的機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中可以看出，定子、轉(zhuǎn)子的不圓度和同心度得到了很大的改善。在檢修后的機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)中，4號(hào)機(jī)組空載及負(fù)載各工況下的不完全裂相橫差電流及橫差差流均恢復(fù)到正常值范圍，4號(hào)發(fā)電機(jī)不平衡電流故障得到了成功的處理。

5 結(jié)語

通過對(duì)深溪溝水電站4號(hào)發(fā)電機(jī)不平衡電流故障的處理，我們總結(jié)出以下經(jīng)驗(yàn):在機(jī)組安裝調(diào)試過程中，一定要嚴(yán)格按照廠家作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行施工，必須對(duì)設(shè)備及關(guān)鍵材料進(jìn)行交接試驗(yàn)，并在滿足各項(xiàng)規(guī)程規(guī)范的同時(shí)，對(duì)發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子圓度及機(jī)組軸線的調(diào)整更應(yīng)精細(xì)，以保證定轉(zhuǎn)子圓度及機(jī)組軸線的數(shù)據(jù)優(yōu)良。

水輪發(fā)電機(jī)組的安裝調(diào)試是一項(xiàng)非常復(fù)雜繁瑣的工作，涉及到土建和機(jī)電安裝、設(shè)計(jì)、制造廠家等各參建單位的諸多協(xié)調(diào)和配合，并且在新電站建設(shè)期間，都存在工期緊張這一不可回避的現(xiàn)實(shí)問題。要做到“又好又快”的施工，需要組織各參建單位制定出科學(xué)有效的施工方案。作為建設(shè)管理單位，一定要協(xié)調(diào)好各參建單位及各個(gè)施工環(huán)節(jié)，要為重要的工序保證足夠的時(shí)間，不能因工期緊張而放低任何環(huán)節(jié)的技術(shù)指標(biāo)，否則就可能得不償失。希望通過筆者的介紹，能夠?qū)ζ渌娬竟こ痰氖┕ず皖愃乒收咸幚硖峁椭徒梃b。