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

那廣宇，付 宇，張?zhí)旆?，?丹，盧盛陽(yáng)

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

電力系統(tǒng)集發(fā)電、變電、輸配電和用電等各個(gè)環(huán)節(jié)為一體，電能的生產(chǎn)與消費(fèi)同時(shí)完成，各個(gè)方面緊密相聯(lián)，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)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(gè)大電網(wǎng)的安全生產(chǎn)運(yùn)行[1]。

隨著國(guó)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(duì)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(lái)越重要的課題[3]。

本文詳細(xì)介紹了某220 kV 線(xiàn)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(guò)程、勵(lì)磁系統(tǒng)動(dòng)作情況、三機(jī)系統(tǒng)電磁功率變化、機(jī)組過(guò)載能力4個(gè)方面進(jìn)行分析，結(jié)合機(jī)組汽輪機(jī)振動(dòng)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(lèi)似事故發(fā)生提供經(jīng)驗(yàn)。

1 事故過(guò)程

220 kV AC乙線(xiàn)跳閘，三相重合不良，D變電站220 kVⅠ母跳閘，母線(xiàn)保護(hù)動(dòng)作發(fā)送遠(yuǎn)跳至BD線(xiàn)對(duì)側(cè)；電廠2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)主變壓器高壓側(cè)電流和2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)發(fā)電機(jī)機(jī)端電流出現(xiàn)負(fù)序分量；2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)主變壓器高壓側(cè)電流和2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)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(xiàn)第1套、第2套保護(hù)裝置均收到遠(yuǎn)方其他保護(hù)動(dòng)作命令，保護(hù)裝置遠(yuǎn)方跳閘保護(hù)動(dòng)作電廠220 kV BD線(xiàn)開(kāi)關(guān)跳閘；故障切除電廠2號(hào)機(jī)組7瓦振動(dòng)突增，汽輪機(jī)跳閘動(dòng)作2號(hào)機(jī)組主汽門(mén)關(guān)閉完成；廠用電自動(dòng)切換2號(hào)機(jī)組程序逆功率保護(hù)跳閘。

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

圖1 系統(tǒng)接線(xiàn)

2 原因分析

2.1 短路故障過(guò)程分析

02:16:04，220 kV AC乙線(xiàn)發(fā)生單相接地故障。02:16:04.275，B電廠2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)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(hào)、3號(hào)、4號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)子軸系出現(xiàn)小幅振動(dòng)。02:16:44，D變電站220 kV母聯(lián)Ⅰ母隔離開(kāi)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(hào)、3號(hào)、4號(hào)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(hào)、3號(hào)、4號(hào)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(hào)、3號(hào)、4號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)子軸系出現(xiàn)大幅振動(dòng)，2號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)子軸系7號(hào)軸瓦振動(dòng)突增，滿(mǎn)足汽輪機(jī)跳閘條件(200 μm 3取2)，振動(dòng)數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 2號(hào)機(jī)組振動(dòng)曲線(xiàn)

負(fù)序電流在發(fā)電機(jī)氣隙中產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，相對(duì)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(shí)，轉(zhuǎn)子正序氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(shí)作用于轉(zhuǎn)子大軸引發(fā)軸系振動(dòng)。

發(fā)電機(jī)三相短路時(shí)，定子電流會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和直流磁場(chǎng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)睾惚黄茐?。轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流以建立抵消上述磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子繞組形成的磁鏈，上述磁鏈暫態(tài)過(guò)程變化將進(jìn)一步引發(fā)轉(zhuǎn)子軸系振動(dòng)。

綜上所述，負(fù)序電流和三相短路電流都會(huì)對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)子軸系振動(dòng)產(chǎn)生影響。

2.2 勵(lì)磁系統(tǒng)動(dòng)作情況分析

勵(lì)磁系統(tǒng)是供給同步發(fā)電機(jī)勵(lì)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(shí)對(duì)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(lì)磁電流變化，造成磁場(chǎng)不平衡，易導(dǎo)致汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)數(shù)值增大。

根據(jù)3臺(tái)機(jī)組故障錄波波形可知，發(fā)生故障時(shí)，機(jī)組勵(lì)磁電流增加，勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行增磁動(dòng)作。發(fā)生三相短路故障時(shí)，較比單相短路故障，母線(xiàn)電壓降幅更大，增磁幅度更大。對(duì)比分析3臺(tái)機(jī)組在事故前后勵(lì)磁電流變化與振動(dòng)趨勢(shì)可知，機(jī)組增磁時(shí)，磁場(chǎng)中安培力變大，發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)振動(dòng)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(shí)，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(duì)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(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流的上升需要?jiǎng)?lì)磁機(jī)輸出的電磁功率ΔP增大，因此勵(lì)磁機(jī)功率增大導(dǎo)致發(fā)電機(jī)與勵(lì)磁機(jī)對(duì)輪傳遞功率上升，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動(dòng)上升。

發(fā)生三相短路時(shí)，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(duì)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(shí)，勵(lì)磁機(jī)需要輸出的電磁功率ΔP上升更大，發(fā)電機(jī)與勵(lì)磁機(jī)對(duì)輪傳遞功率上升更大，轉(zhuǎn)子振動(dòng)也就更大。

2.4 機(jī)組過(guò)載能力分析

發(fā)電機(jī)過(guò)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(guò)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(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)；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(chēng)為過(guò)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(guò)載能力。

B電廠2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)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(hào)發(fā)電機(jī)的各項(xiàng)電抗參數(shù)均大于3號(hào)、4號(hào)發(fā)電機(jī)，因此3號(hào)、4號(hào)發(fā)電機(jī)具備更好的穩(wěn)定性，過(guò)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(duì)措施

a.為保障機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，建議在軸承振動(dòng)保護(hù)中增加1 s延時(shí)，避免振動(dòng)突變?cè)斐蓹C(jī)組跳閘事故。

b.調(diào)整PSS功能自動(dòng)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(kāi)展勵(lì)磁系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作，定量分析發(fā)電機(jī)振動(dòng)與勵(lì)磁系統(tǒng)增減磁動(dòng)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(xiàn)電壓降低，出現(xiàn)交流接觸器無(wú)法保持吸合的情況。

e.開(kāi)展電廠重要輔機(jī)低電壓穿越測(cè)試，保證電廠對(duì)瞬時(shí)故障造成母線(xiàn)低電壓的抗干擾能力[5-10]。

4 結(jié)論

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

b.B廠發(fā)電機(jī)均采用三機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁方式，轉(zhuǎn)子軸系較長(zhǎng)。勵(lì)磁系統(tǒng)增磁時(shí)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(dòng)。

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

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