發(fā)電機(jī)斷水保護(hù)動(dòng)作出口延時(shí)的探討

吳彥龍，肖尚浩，張尊華，陳基順

（1.廣東省粵電集團(tuán)有限公司珠海發(fā)電廠，廣東 珠海 519000；2.中國(guó)南方電網(wǎng)珠海分公司，廣東 珠海 519000）

發(fā)電機(jī)斷水保護(hù)動(dòng)作出口延時(shí)的探討

吳彥龍1，肖尚浩1，張尊華1，陳基順2

（1.廣東省粵電集團(tuán)有限公司珠海發(fā)電廠，廣東 珠海 519000；2.中國(guó)南方電網(wǎng)珠海分公司，廣東 珠海 519000）

針對(duì)2起定冷水泵跳閘導(dǎo)致發(fā)電機(jī)斷水保護(hù)動(dòng)作，直接造成發(fā)電機(jī)組跳閘事故，根據(jù)定冷水系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)置的參數(shù)以及發(fā)電機(jī)斷水保護(hù)動(dòng)作記錄，分析斷水保護(hù)動(dòng)作過程中定冷水量、定子繞組溫度、定子水出口溫度等變化情況，探討保護(hù)出口延時(shí)設(shè)置上存在的問題，提出發(fā)電機(jī)斷水保護(hù)應(yīng)加長(zhǎng)動(dòng)作出口延時(shí)的建議，并進(jìn)行了相關(guān)的論證。

定冷水系統(tǒng)；斷水保護(hù)；延時(shí)；保護(hù)動(dòng)作

0 引言

發(fā)電機(jī)定冷水系統(tǒng)是冷卻發(fā)電機(jī)定子載流部件的獨(dú)立系統(tǒng)，用來保證發(fā)電機(jī)運(yùn)行期間定子繞組溫度在規(guī)程規(guī)定限額內(nèi)運(yùn)行。

當(dāng)前，大型發(fā)電機(jī)大都采用水直接冷卻定子繞組運(yùn)行方式，大大改善了發(fā)電機(jī)的散熱性能，提高了發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量。因此，定冷水系統(tǒng)保護(hù)設(shè)置是否合理，運(yùn)行是否正常，將直接影響發(fā)電機(jī)的安全和運(yùn)行壽命。

1 定冷水系統(tǒng)概述

某電廠1，2號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)由美國(guó)西屋公司制造，額定功率746 MW，出口電壓22 kV，冷卻方式為水-氫-氫。

該發(fā)電機(jī)的定冷水系統(tǒng)設(shè)置2臺(tái)定冷泵，1臺(tái)泵可滿足機(jī)組滿負(fù)荷的冷卻水量，另1臺(tái)備用。定冷水箱的水由定冷泵升壓，通過母管再循環(huán)手動(dòng)閥將泵出口壓力調(diào)整在650 kPa左右。當(dāng)運(yùn)行泵進(jìn)、出口壓差低于141 kPa或定冷泵電氣故障時(shí)，備用泵自啟。

系統(tǒng)運(yùn)行中，定子水差壓（即定子線圈進(jìn)出口集水管壓差）約230 kPa。定冷水保護(hù)設(shè)置為：如果發(fā)電機(jī)電流大于3 750 A（15 %額定負(fù)荷），當(dāng)定子水差壓小于152 kPa（信號(hào)3取2）時(shí)，將觸發(fā)發(fā)電機(jī)斷水保護(hù)，經(jīng)2 s延時(shí)動(dòng)作跳發(fā)電機(jī)。

2 定冷水系統(tǒng)事故過程

2.1 事故1

2009-01-21T11：28：28，電廠1號(hào)機(jī)組發(fā)生廠用電400 V MCC 1B11母線失壓，1 A定冷泵電機(jī)開關(guān)欠壓脫扣保護(hù)動(dòng)作跳閘，定子水差壓小于152 kPa。

11：28：30，發(fā)電機(jī)斷水保護(hù)動(dòng)作，出口跳發(fā)電機(jī)，同時(shí)1B定冷泵啟動(dòng)成功。

11：28：32，定子水差壓大于152 kPa，定子水差壓低報(bào)警復(fù)位。

2.2 事故2

2014-02-15T17：55：50：53，220 kV系統(tǒng)故障，2號(hào)機(jī)組2B定冷泵跳閘。

17：55：50：78，定子水差壓小于152 kPa；T17：55：51：93，A，B定子冷卻水泵啟動(dòng)。

17：55：52：83，2號(hào)發(fā)電機(jī)跳閘。

17：55：52：91，定子水差壓小于152 kPa信號(hào)復(fù)位。

3 定冷水系統(tǒng)事故分析

這2起發(fā)電機(jī)斷水保護(hù)動(dòng)作出口，均是因電氣母線失壓（或低電壓）引發(fā)定冷泵跳閘造成的。

根據(jù)故障錄波器的錄波圖分析，事故2是因?yàn)殡娋W(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重的三相短路。220 kV系統(tǒng)電壓由220 kV降至110 kV左右，故障持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，失壓約520 ms，對(duì)發(fā)電機(jī)組廠用電系統(tǒng)造成很大影響。電廠400 V MCC負(fù)荷斷路器為空氣開關(guān)組合裝置，設(shè)置有低電壓保護(hù)。當(dāng)母線電壓降低至294 V（約70 % Ue）時(shí)，接觸器自動(dòng)脫扣；當(dāng)電壓回升至311 V（74 % Ue）時(shí)，接觸器自動(dòng)吸合，電機(jī)恢復(fù)啟動(dòng)。由于這次系統(tǒng)電壓降幅較大，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，因此400 V MCC母線上很多負(fù)荷開關(guān)自動(dòng)脫扣，造成設(shè)備短時(shí)間的停運(yùn)。

因母線電壓下降，備用定冷泵2A的聯(lián)動(dòng)也因此延緩，1.4 s后才和2B定冷泵同時(shí)啟動(dòng)，加之2臺(tái)泵并列運(yùn)行定冷水系統(tǒng)重新建立壓力需要1 s，因此從定冷泵跳閘后到系統(tǒng)建立壓力所需的時(shí)間為2.4 s。

當(dāng)定冷泵跳閘后，定子水差壓下降很快，約0.3 s后定子水差壓低報(bào)警，經(jīng)2 s延時(shí)觸發(fā)斷水保護(hù)出口，從泵跳閘到保護(hù)出口約有2.3 s。因該時(shí)間短于定冷泵啟動(dòng)后重新建立壓力的時(shí)間，故保護(hù)出口成功。但是，從泵跳閘后到發(fā)電機(jī)跳閘的整個(gè)過程中，沒有定冷泵進(jìn)出口差壓低于141 kPa的報(bào)警出現(xiàn)。

定冷泵2次跳閘，備用定冷泵均啟動(dòng)，定冷水系統(tǒng)很快恢復(fù)正常，因此定冷水并沒有真正意義上的斷水。在定子繞組不發(fā)生超溫情況下，更不應(yīng)該讓斷水保護(hù)動(dòng)作出口跳閘。但事實(shí)上2起斷水保護(hù)都先于定冷水系統(tǒng)恢復(fù)前動(dòng)作出口跳發(fā)電機(jī)，時(shí)間差在2次跳閘記錄中都不超過2 s。

4 增加定冷水?dāng)嗨Ｗo(hù)延時(shí)出口時(shí)間

經(jīng)過分析，2起事故都是發(fā)電機(jī)斷水保護(hù)的出口延時(shí)設(shè)置過短造成的。因此，有必要對(duì)在定冷水?dāng)嗨Ｗo(hù)出口增加延時(shí)的必要性、可行性和合理性進(jìn)行探討。

4.1 必要性

4.1.1 定冷泵進(jìn)出口差壓聯(lián)動(dòng)備用泵設(shè)定值過低且建立壓力需要時(shí)間

該廠發(fā)電機(jī)定冷水虹吸管與定冷泵的高度差約15 m。這說明在定冷泵跳閘停運(yùn)時(shí)泵進(jìn)出口差壓至少仍有150 kPa，因泵出口處有逆止閥，進(jìn)出口差壓下降靠母管的再循環(huán)管泄壓，故壓力下降偏慢。由事故報(bào)警記錄可以看出：運(yùn)行定冷泵跳閘后，到備用泵啟動(dòng)的2.5 s內(nèi)，定冷泵進(jìn)出口差壓小于141 kPa報(bào)警始終沒有出現(xiàn)，這說明定冷泵進(jìn)口差壓低聯(lián)動(dòng)備用泵的延時(shí)設(shè)定值明顯過低，不符合保護(hù)設(shè)計(jì)的原意。況且，當(dāng)一臺(tái)定冷泵發(fā)生故障時(shí)，在備用泵啟動(dòng)后，建壓至少需要2 s。

4.1.2 定子斷水保護(hù)動(dòng)作值與運(yùn)行值的差值很小

定子水差壓是根據(jù)發(fā)電機(jī)的氫/水差壓和保證通過定子線圈所需的冷卻水量來調(diào)整的。定冷水箱與大氣的相對(duì)差壓設(shè)定為15 kPa，發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣壓力為520 kPa，氫/水差壓規(guī)定大于35 kPa，算上發(fā)電機(jī)定冷水虹吸管與定冷泵的高度差，故定冷泵出口壓力設(shè)定為650 kPa。在額定負(fù)荷下，設(shè)定定子水差壓小于152 kPa時(shí)啟動(dòng)斷水保護(hù)，滿足定子線棒的必需冷卻水量。

為了防止在定冷泵并列運(yùn)行時(shí)定子水差壓超過發(fā)電機(jī)氫氣壓力，正常運(yùn)行時(shí)，定子水差壓的實(shí)際運(yùn)行值為220-230 kPa，與定子斷水保護(hù)的動(dòng)作值只有約80 kPa的差值，所以在定冷泵跳閘0.3 s后，就出現(xiàn)了定子水差壓低報(bào)警。這說明設(shè)置的運(yùn)行值與跳閘值兩者之間的差值過小。

由于備用泵啟動(dòng)后建立壓力需要時(shí)間，保護(hù)出口延時(shí)的時(shí)間又短，所以發(fā)生在斷水保護(hù)保護(hù)出口后，定冷水才建壓正常的情況。這就使定冷水的恢復(fù)已經(jīng)失去了原設(shè)計(jì)的意義，造成了嚴(yán)重的機(jī)組跳閘事故。

基于以上分析，認(rèn)為發(fā)電機(jī)斷水保護(hù)出口加長(zhǎng)延時(shí)是必要的。

4.2 可行性

從發(fā)電機(jī)銘牌得知，定子繞組為2個(gè)并聯(lián)Y型聯(lián)接，絕緣等級(jí)F級(jí)，定子繞組出水溫度保證值59 ℃；定子繞組出水溫度報(bào)警值80 ℃。該廠在規(guī)程上規(guī)定，當(dāng)發(fā)電機(jī)定子線圈頂部與底部溫差大于8 ℃或定子線圈出水溫度大于85 ℃，定子線棒溫度大于115 ℃時(shí)報(bào)警，應(yīng)降低機(jī)組負(fù)荷；當(dāng)定子線圈出水溫度大于90 ℃，發(fā)電機(jī)非電氣量保護(hù)啟動(dòng)跳閘；定子線棒溫度大于125 ℃，且聞到焦味應(yīng)緊急停機(jī)。

2014-02-15，2號(hào)發(fā)電機(jī)跳閘前，機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，當(dāng)時(shí)定子線棒溫度值為57.76 ℃，定子線圈出水溫度為51.5 ℃。這說明運(yùn)行溫度值和規(guī)定的限制值及保護(hù)動(dòng)作值有較大的溫升裕量。溫升是一個(gè)連續(xù)變量，不是突變量，溫度上升至限制值需要一定的時(shí)間，這為發(fā)電機(jī)斷水保護(hù)加長(zhǎng)延時(shí)提供了可行性依據(jù)。

4.3 合理性

定冷泵跳閘后，將直接影響集水環(huán)和并行環(huán)的流量變化，并進(jìn)一步影響定子線圈溫度和定子線圈出水溫度，相對(duì)應(yīng)的測(cè)量參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。

通過事故2所記錄的相關(guān)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)定冷泵在跳閘到重新啟動(dòng)恢復(fù)系統(tǒng)壓力正常的過程中，定冷水流量變化很小，集水環(huán)流量從1 928 L/min降至1 851 L/min，并行環(huán)流量從184 L/min降至179.8 L/min。查看發(fā)電機(jī)汽機(jī)端和勵(lì)磁端共18個(gè)定子線棒溫度測(cè)點(diǎn)、定子線圈頂部/底部共84個(gè)測(cè)點(diǎn)和定子線圈出水溫度，也沒有明顯變化。從集水環(huán)和并行環(huán)流量變化趨勢(shì)可得知，定冷泵停運(yùn)后，雖然造成壓力突降，但由于水流慣性，使流量呈現(xiàn)為漸降狀態(tài)，可判斷仍然有定冷水流過定子線圈。加上400 V MCC母線受干擾失壓后馬上恢復(fù)，2臺(tái)定冷泵很快啟動(dòng)，建立壓力時(shí)間很短，定冷水流量馬上恢復(fù)，故發(fā)電機(jī)各溫度測(cè)點(diǎn)并沒有明顯變化。這為定子斷水保護(hù)出口加長(zhǎng)延時(shí)提供了合理化依據(jù)。

從慎重和周全的角度考慮，定子斷水保護(hù)動(dòng)作出口前，應(yīng)給予一定時(shí)間以判斷定子水差壓能否重新恢復(fù)正常，原因有如下2點(diǎn)：

（1） 如果機(jī)組廠用電系統(tǒng)發(fā)生異常，備用泵電源也受到干擾延遲啟動(dòng)，或者泵存在機(jī)械方面的問題，也會(huì)發(fā)生建壓遲緩的情況；

（2） 定冷泵進(jìn)出口壓差和定子水壓差是2個(gè)不同區(qū)域的壓差配置，定子水差壓建立于定冷泵啟動(dòng)正常且建壓完成的基礎(chǔ)上，時(shí)間上也存在滯后。

綜上所述，適當(dāng)加長(zhǎng)斷水保護(hù)出口時(shí)間具有事實(shí)上的合理性。

5 定冷水系統(tǒng)保護(hù)裝置改進(jìn)建議

為了解決定冷水系統(tǒng)保護(hù)設(shè)置上存在的問題，建議從以下幾方面進(jìn)行改進(jìn)。

（1） 加長(zhǎng)定冷水?dāng)嗨Ｗo(hù)延時(shí)出口的時(shí)間。定冷水?dāng)嗨Ｗo(hù)加長(zhǎng)延時(shí)出口的時(shí)間有其必要性、可行性和合理性。結(jié)合國(guó)家有關(guān)發(fā)電機(jī)斷水保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間規(guī)定，建議將發(fā)電機(jī)斷水保護(hù)出口延時(shí)至5 s。如果考慮能提供操作員判斷和處理的時(shí)間，可以進(jìn)一步考證將發(fā)電機(jī)斷水保護(hù)動(dòng)作時(shí)間延長(zhǎng)至15 s的可行性，以降低發(fā)電機(jī)跳閘的幾率。

（2） 增加聯(lián)鎖備用定冷泵自啟條件。定子水差壓保護(hù)動(dòng)作值設(shè)置為152 kPa，是保證定子繞組滿負(fù)荷下的冷卻水量，以不造成局部高溫或線圈溫差過大。但當(dāng)發(fā)電機(jī)斷水保護(hù)啟動(dòng)時(shí)，只反應(yīng)定子水開始失壓，有斷水的危險(xiǎn)，并沒有考慮定冷泵的運(yùn)行情況。如果是定冷水系統(tǒng)發(fā)生異常，出現(xiàn)泵斷軸、泵出力下降等情況，導(dǎo)致定子水壓差降低，定冷泵可能由于邏輯設(shè)置上的原因無法反應(yīng)出定子水差壓下降狀況。因此，建議當(dāng)發(fā)電機(jī)斷水保護(hù)啟動(dòng)時(shí)，添加聯(lián)鎖定冷水備用泵啟動(dòng)的條件，以增加定冷水快速恢復(fù)運(yùn)行的可靠性，降低斷水保護(hù)動(dòng)作出口的幾率。

（3） 提高定冷泵進(jìn)出口差壓聯(lián)鎖啟動(dòng)備用泵的定值。系統(tǒng)設(shè)置定冷泵進(jìn)出口差壓小于141 kPa為備用定冷泵自啟條件，該設(shè)定值明顯偏低。從2起定冷泵跳閘引起發(fā)電機(jī)跳閘事故過程中看出，定冷泵進(jìn)出口壓差小于141 kPa的報(bào)警一直沒有出現(xiàn)過，這使該保護(hù)設(shè)置失去應(yīng)有的作用。定冷泵差壓測(cè)點(diǎn)就在定冷泵進(jìn)出口附近，當(dāng)泵進(jìn)出口差壓低于141 kPa時(shí)，意味著定子繞組已經(jīng)完全沒有水流通過，在帶負(fù)荷情況下，容易導(dǎo)致定子繞組溫度飆升。當(dāng)定冷水恢復(fù)后，繞組又迅速降溫，溫度的急劇變化容易導(dǎo)致金屬疲勞，使絕緣材料變脆，降低發(fā)電機(jī)使用壽命。同時(shí)由于定冷水壓降衰減較慢，備用泵啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)定冷水的恢復(fù)很不利，斷水保護(hù)也可能已經(jīng)提前啟動(dòng)出口，造成發(fā)電機(jī)跳閘事故。

因此應(yīng)提高備用泵自啟動(dòng)的進(jìn)出口差壓設(shè)定值，考慮定冷水虹吸管與定冷泵之間的高度差和管阻，將泵自啟值設(shè)置在380-400 kPa。該設(shè)定值不但能反映定冷泵因機(jī)械原因造成定冷水壓力下降的問題，也能靈敏地反映定子水差壓變化情況。

6 結(jié)束語(yǔ)

定冷水系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)的重要輔助系統(tǒng)，該廠近幾年發(fā)生的2起發(fā)電機(jī)斷水保護(hù)動(dòng)作事故，暴露了該廠定冷水系統(tǒng)存在較大的安全隱患。

事故2不能僅僅歸結(jié)于電網(wǎng)的電壓波動(dòng)的影響，還反映出定冷水系統(tǒng)存在的不合理配置問題。針對(duì)該問題提出的改進(jìn)方法，應(yīng)盡快落實(shí)改進(jìn)方案，以保障機(jī)組安全、可靠運(yùn)行。

2015-12-20；

2016-04-16。

吳彥龍（1974-），男，工程師，主要從事機(jī)組運(yùn)行管理，email：wuyanlong0233@sina.com。

肖尚浩（1977-），男，技師，主要從事機(jī)組集控運(yùn)行管理。

張尊華（1984-），男，助理工程師，主要從事機(jī)組附屬系統(tǒng)的監(jiān)控、操作與管理。

陳基順（1975-），男，工程師，主要從事變電站規(guī)劃與運(yùn)作、監(jiān)控管理、電機(jī)性能檢測(cè)工作。