大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁試驗(yàn)失磁事故保護(hù)拒動(dòng)分析

姬鵬程

（四川大唐國(guó)際甘孜水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 康定 626001）

大型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁試驗(yàn)失磁事故保護(hù)拒動(dòng)分析

姬鵬程

（四川大唐國(guó)際甘孜水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 康定 626001）

某水電站進(jìn)行機(jī)組網(wǎng)源參數(shù)整改試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中誤整定設(shè)定參數(shù)，導(dǎo)致機(jī)組非停、主變壓器高壓側(cè)斷路器開(kāi)關(guān)跳閘，暴露出失磁保護(hù)判據(jù)的不完善，本文主要簡(jiǎn)述失磁保護(hù)拒動(dòng)所帶來(lái)的影響。

網(wǎng)源參數(shù)整改試驗(yàn)；誤整定；失磁II段拒動(dòng)；絕對(duì)值

某水電站發(fā)變組采取的接線方式為：?jiǎn)卧泳€方式；母線采?。弘p母線分段接線方式，某日某發(fā)電機(jī)組發(fā)電態(tài)，其余發(fā)電機(jī)組備用態(tài)，1號(hào)至5號(hào)主變正常運(yùn)行，500kVⅠ母、Ⅱ母合環(huán)運(yùn)行，兩條出線正常運(yùn)行，某發(fā)電機(jī)所帶負(fù)荷為：P=252．539MW，Q= -5．339Mvar，主變負(fù)荷情況為：P=250．58MW，Q= -35．512Mvar，在進(jìn)行網(wǎng)源參數(shù)整改試驗(yàn)時(shí)引起機(jī)組跳閘非停。

1 事故簡(jiǎn)述

某院及某水電站相關(guān)技術(shù)人員在進(jìn)行機(jī)組網(wǎng)源參數(shù)整改試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)最大勵(lì)磁電流限制Ⅰ段定值進(jìn)行修改，某技術(shù)人員誤將定值由115%修改成了2．1%（本應(yīng)改為2．1PU），并立即啟用，而后發(fā)電機(jī)發(fā)出異響，9．5秒后，主變壓器高壓側(cè)斷路器開(kāi)關(guān)跳閘、發(fā)電機(jī)出口斷路器開(kāi)關(guān)跳閘、高廠變低壓側(cè)斷路器開(kāi)關(guān)跳閘、機(jī)組滅磁開(kāi)關(guān)跳閘、發(fā)電機(jī)組全停。

2 事故原因

某技術(shù)人員修改最大勵(lì)磁Ⅰ段限制值由試驗(yàn)參數(shù)值1．15倍（設(shè)置值115%）恢復(fù)至原參數(shù)值2．1倍（設(shè)置值210%）時(shí)，未經(jīng)其他試驗(yàn)人員復(fù)核確認(rèn)，誤將115%修改為2．1%并立即啟用，致使勵(lì)磁調(diào)節(jié)器很快調(diào)整到逆變區(qū)運(yùn)行，勵(lì)磁電流突降至426．2A，轉(zhuǎn)子電壓迅速轉(zhuǎn)為負(fù)電壓約-400V左右，發(fā)電機(jī)失磁，持續(xù)時(shí)間約3．1s，失磁保護(hù)II段未動(dòng)作，機(jī)組未能及時(shí)解列，進(jìn)入異步加速狀態(tài)，異步加速狀態(tài)持續(xù)約3．3s，機(jī)組進(jìn)入穩(wěn)定異步狀態(tài)，機(jī)組無(wú)功進(jìn)相最大至-506．056Mvar，機(jī)組定子繞組電流最大至30578A，主變復(fù)壓過(guò)流保護(hù)動(dòng)作、發(fā)電機(jī)復(fù)壓過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，啟動(dòng)事故停機(jī)流程。

3 失磁保護(hù)拒動(dòng)

3.1 失磁保護(hù)整定及動(dòng)作條件

失磁保護(hù)Ⅰ段：投信號(hào)；動(dòng)作條件：滿足阻抗判據(jù)，延時(shí)1．5s。失磁保護(hù)Ⅱ段：投跳閘（其出口方式為：發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)斷開(kāi)、跳滅磁開(kāi)關(guān)）；動(dòng)作條件：同時(shí)滿足阻抗定值、機(jī)端低電壓（85Vp-p）、轉(zhuǎn)子低電壓小于127．2V、無(wú)功反向判據(jù)，延時(shí)1秒。

3.2 失磁保護(hù)整定計(jì)算（圖1）

圖1

定子側(cè)判據(jù)：靜穩(wěn)極限阻抗圓+無(wú)功反向判據(jù)。

失磁保護(hù)邏輯簡(jiǎn)單的說(shuō)就是阻抗判據(jù)條件滿足，延時(shí)1．5秒，發(fā)信；阻抗判據(jù)及轉(zhuǎn)子低電壓條件都滿足，延時(shí)1．0秒，切機(jī)。

3.3 失磁保護(hù)據(jù)動(dòng)分析

當(dāng)時(shí)動(dòng)作情況為：發(fā)電機(jī)失磁Ⅰ段報(bào)警，失磁保護(hù)Ⅱ段未動(dòng)作。

查看故障錄波記錄可知，在誤整定并立即啟用勵(lì)磁定值后，發(fā)電機(jī)迅速失磁進(jìn)入逆變工況，轉(zhuǎn)子電壓在60ms內(nèi)從+180V快速下降。對(duì)發(fā)電機(jī)綜合量保護(hù)錄波及勵(lì)磁變電壓、電流導(dǎo)通角度關(guān)系進(jìn)行分析，此時(shí)轉(zhuǎn)子電壓約為-400V；故障錄波器采用4～20mA變送器，不能顯示負(fù)值電壓，均顯示為接近0V；此狀態(tài)從誤整定并立即啟用的0時(shí)刻起持續(xù)約3秒，在此期間發(fā)電機(jī)機(jī)端電流迅速增加，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓快速降低，在900毫秒時(shí)，滿足失磁保護(hù)中的阻抗判據(jù)和機(jī)端低電壓判據(jù)，經(jīng)過(guò)1．5秒失磁保護(hù)I段告警。

失磁保護(hù)II段受轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)約束，此時(shí)轉(zhuǎn)子低電壓為-400V左右，本應(yīng)滿足判據(jù)條件（即Uf＜-127．2V），但實(shí)際上并未動(dòng)作。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證（見(jiàn)表1）并會(huì)同所用保護(hù)裝置生產(chǎn)廠家進(jìn)一步核實(shí)確認(rèn)，發(fā)電機(jī)所采用的保護(hù)裝置中失磁保護(hù)II段，轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)取絕對(duì)值，并不區(qū)分正負(fù)關(guān)系，而逆變工況下的轉(zhuǎn)子電壓小于-127．2V，取絕對(duì)值后反而不滿足判據(jù)，導(dǎo)致失磁保護(hù)II段沒(méi)有及時(shí)動(dòng)作（拒動(dòng)），經(jīng)過(guò)3秒后，此時(shí)機(jī)組已進(jìn)入失步運(yùn)行狀態(tài)。轉(zhuǎn)子電壓在正負(fù)之間不斷翻轉(zhuǎn)，周期小于600ms，自此之后失磁保護(hù)II段不再動(dòng)作。

表1 轉(zhuǎn)子電壓取絕對(duì)值對(duì)失磁II段保護(hù)的影響

4 復(fù)壓過(guò)流保護(hù)動(dòng)作及動(dòng)作情況

4.1 發(fā)電機(jī)復(fù)壓過(guò)流保護(hù)整定

發(fā)電機(jī)復(fù)壓過(guò)流保護(hù)I段，投跳閘（其出口方式為：跳發(fā)電機(jī)的出口開(kāi)關(guān)、滅磁開(kāi)關(guān)、機(jī)組啟動(dòng)全停）；動(dòng)作條件：復(fù)壓解閉鎖判據(jù)（低電壓定值60Vp-p，負(fù)序電壓定值4．62V），機(jī)端電流大于1．11A（二次值），延時(shí)4．1秒。發(fā)電機(jī)復(fù)壓過(guò)流II段，投信號(hào)，動(dòng)作條件：經(jīng)復(fù)壓閉鎖，機(jī)端電流大于1．11A（二次值），延時(shí)4．3秒。

4.2 主變高壓側(cè)復(fù)壓過(guò)流保護(hù)整定

主變高壓側(cè)復(fù)壓過(guò)流保護(hù)I段，投跳閘（其出口方式為：跳主變壓器高壓側(cè)開(kāi)關(guān)、高廠變低壓側(cè)開(kāi)關(guān)）；動(dòng)作條件：復(fù)壓解閉鎖判據(jù)（低電壓定值60Vp-p，負(fù)序電壓定值4．62V，允許低壓側(cè)復(fù)壓解閉鎖）并滿足高壓側(cè)電流大于0．18A（二次值），延時(shí)3．8秒。

4.3 主變高壓側(cè)及發(fā)電機(jī)復(fù)壓過(guò)流保護(hù)動(dòng)作情況

失磁保護(hù)II段拒動(dòng)后，主變復(fù)壓過(guò)流保護(hù)啟動(dòng)、發(fā)電機(jī)復(fù)壓過(guò)流保護(hù)啟動(dòng)，3．8秒后主變復(fù)壓過(guò)流保護(hù)動(dòng)作出口，主變高壓側(cè)開(kāi)關(guān)跳閘、高廠用電開(kāi)關(guān)跳閘、發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)跳閘；從失磁保護(hù)II段拒動(dòng)時(shí)刻算起的4．1秒后，發(fā)電機(jī)復(fù)壓過(guò)流保護(hù)動(dòng)作出口，跳滅磁開(kāi)關(guān)停機(jī)滅磁、啟動(dòng)全停。

5 勵(lì)磁裝置動(dòng)作分析

勵(lì)磁裝置參數(shù)誤整定后，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器很快調(diào)整到逆變區(qū)運(yùn)行，觸發(fā)角度約為120°，勵(lì)磁電流快速下降，在1．1秒時(shí)已從1370A下降到560A左右，欠勵(lì)限制正確動(dòng)作，但由于最大勵(lì)磁電流限制的優(yōu)先級(jí)最高，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器將會(huì)以最大勵(lì)磁電流I段限制值輸出為準(zhǔn)。在此期間，受轉(zhuǎn)子電流快速下降影響，轉(zhuǎn)子電壓會(huì)出現(xiàn)較大負(fù)壓，因此轉(zhuǎn)子過(guò)壓保護(hù)發(fā)出報(bào)警。此后勵(lì)磁電流逐漸基本穩(wěn)定，機(jī)組進(jìn)入失步振蕩運(yùn)行狀態(tài)，機(jī)組轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子電壓在機(jī)組失步運(yùn)行狀態(tài)時(shí)受到定子側(cè)磁場(chǎng)影響，出現(xiàn)周期性波動(dòng)，不完全受勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制。

6 設(shè)備損壞情況

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)仔細(xì)檢查后發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子及定子均存在不同情況受損。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子上端部多個(gè)磁極阻尼環(huán)Ω形連接螺栓發(fā)熱熔斷，分別為1#-2#磁極連接、14#-15#磁極連接及33#-34#磁極連接，熔斷部分在機(jī)組旋轉(zhuǎn)離心力作用下局部甩出，同時(shí)有兩處斷裂，已經(jīng)檢查后取出（見(jiàn)圖2）。

發(fā)電機(jī)定子：由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子本體上的阻尼環(huán)甩出部件在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)刮擦，造成發(fā)電機(jī)定子繞組上端部普遍破損(俗稱(chēng)掃膛)，其中第496槽、512槽、557槽、558槽線棒以及449～458槽過(guò)橋主絕緣嚴(yán)重破損，已可見(jiàn)導(dǎo)體部分，同時(shí)多處線棒主絕緣有不同程度破損，發(fā)電機(jī)定子鐵芯無(wú)明顯受損現(xiàn)象（見(jiàn)圖3）。拆除發(fā)電機(jī)定子繞組出口的軟連接并隔離發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)，測(cè)量定子繞組的直流電阻并無(wú)異常，進(jìn)行直流耐壓并測(cè)量繞組直流泄漏電流，A相升壓至3．6kV時(shí)第557槽露導(dǎo)體處放電；C相升壓至17．3kV瞬間擊穿；B相升壓至額定18kV無(wú)異常。

圖2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子阻尼環(huán)熔斷受損

圖3 發(fā)電機(jī)定子繞組上端部刮擦

發(fā)電機(jī)吸收無(wú)功，定子電流上升所產(chǎn)生的磁場(chǎng)過(guò)大，直軸電流分量增加直接導(dǎo)致直軸磁動(dòng)勢(shì)增加，同時(shí)交軸電流分量同樣使交軸磁動(dòng)勢(shì)增加，引起磁力矩不平衡，導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)機(jī)組振動(dòng)開(kāi)始增大至GCB跳閘前，機(jī)組頻率在49．032～51．395Hz擺動(dòng)，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)已臨界失步階段，轉(zhuǎn)子阻尼繞組感應(yīng)負(fù)序電流造成轉(zhuǎn)子上端部磁極阻尼環(huán)Ω形軟連接螺栓發(fā)熱熔斷；燒損部件由于旋轉(zhuǎn)離心力被甩出，導(dǎo)致定子繞組上端部普遍刮擦破損。

7 措施及改進(jìn)

更換所有受損線棒，修復(fù)損壞的轉(zhuǎn)子磁極，更換已損傷的阻尼環(huán)，并采用測(cè)量直流電阻的方式對(duì)其他阻尼環(huán)進(jìn)行檢查，同時(shí)橫向比較測(cè)試數(shù)據(jù)分析。檢查轉(zhuǎn)子過(guò)壓保護(hù)及滅磁電阻、滅磁開(kāi)關(guān)，對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)檢修試驗(yàn)。完善發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置失磁II段保護(hù)的轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)，轉(zhuǎn)子電壓小于-127．2V應(yīng)修改為直接性判據(jù)，擴(kuò)大負(fù)向電壓判據(jù)區(qū)間，取消轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)中的絕對(duì)值限制條件；投入失磁保護(hù)III段并將其作為失磁保護(hù)的總后備。依據(jù)整定導(dǎo)則，發(fā)電機(jī)保護(hù)后備保護(hù)相間低電壓定值由60．00V修改為70．00V。

8 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)大型水輪電機(jī)組試驗(yàn)過(guò)程中誤修改試驗(yàn)參數(shù)造成失磁事故保護(hù)拒動(dòng)原因及影響進(jìn)行了闡述，并對(duì)目前部分水電站失磁保護(hù)判據(jù)是否完善提供參考。

[1]郭文宇．同步發(fā)電機(jī)的失磁過(guò)程分析與保護(hù)方法研究[D]．重慶大學(xué),2013．

[2]程懇,程小華．交、直流電機(jī)繞組磁動(dòng)勢(shì)求取方法之比較[J]．防爆電機(jī)，2016，（06）：1-3．

[3]戴志輝,王增平．繼電保護(hù)可靠性研究綜述[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，（15）：161-167．

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1671-0711（2017）08（下）-0042-03