一起勵磁系統故障引起的發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)

在現代電力系統中，提高和維護同步發電機運行的穩定性，是保證電力系統安全、經濟運行的基本條件之一。在眾多改善同步發電機穩定運行的措施中，運用現代控制理論，提高勵磁系統的控制性能是公認的經濟有效的手段之一。因此，對勵磁調節器來說，功能先進且全面的設計原理和優秀的設備制造工藝是保證機組安全可靠運行的必備條件。

現通過對某2×210MW電廠發生的一起發電機跳閘事故的分析，來說明勵磁系統對發電機組安全穩定運行的重要作用。

1 事故過程

某日08:45，電廠1號發電機AVC裝置正在進行增磁操作過程中，轉子電壓突然大幅降低，轉子電流隨之減小，無功降低，使發電機運行至進相狀態；約2 s后，勵磁調節器突變為強勵狀態；約5 s后，發變組“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，調節器報“欠勵限制”動作信號。

1號發電機勵磁系統為機端自并勵方式，采用國內某廠家生產的HWLT-4型微機勵磁調節器，事故發生時調節器運行在2通道。由于故障時發變組故障錄波器未啟動，各電氣量的變化情況只能從DCS和發變組保護獲得。

故障前，發電機有功110MW，無功86.4 Mvar，定子電壓15.76kV，轉子電壓274V，轉子電流1311 A。

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

2 設備試驗檢查

2.1 定子電壓回路檢查

在調節器屏將2路PT輸入端子排并聯，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。

在調節器測量板卡上測量電壓信號有短時中斷現象，檢查發現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 轉子電流回路檢查

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

實際在此CT二次側加入電流，調節器顯示的數據見表1。由表1可見轉子電流較大時顯示值失真，線性度非常不好。

進一步檢查發現，此測量回路電阻線性度有問題，更換電阻后再次檢查，調節器顯示正常。

表1 調節器測量到的轉子電流

2.3 PT斷線功能檢查

調節器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，調節器報“機端電壓測量”報警信號；再解除一相，調節器由自動運行方式轉為手動運行方式。

先后解除2路PT回路各一相電壓，調節器亦由自動運行方式轉為手動運行方式。

采取降單相電壓的方式，在降至4 V左右時(對應調節器顯示的發電機電壓為11.22kV)調節器報“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 %，轉子電流均明顯上升；突降PT回路單相電壓80 %以上，轉子電流無波動，報“機端電壓測量故障”。

從以上PT回路試驗情況來看，在PT回路發生不完全斷線或電壓測量回路出現異常時調節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)接近調節器，其整流波形、顯示數據均正常。

2.5 調節器靜態試驗

按調試大綱對調節器進行了全面檢查和試驗，靜態試驗中低勵限制動作正常。

2.6 調節器動態試驗

靜態試驗全部完成并檢查無誤后，啟動機組進行勵磁調節器動態試驗。發電機空載額定電壓時調節器運行通道PT斷線試驗錄波如圖1所示。圖中Uab為發電機電壓，Uf為發電機轉子電壓。

圖1 發電機空載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，顯示發電機電壓、轉子電壓均有明顯振蕩，在發電機電壓下降至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，顯示轉子電壓多次出現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，發電機電壓最低到0.85倍額定值。

試驗表明，該調節器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，亟待改善。

3 事故分析

3.1 發電機突然進相的原因

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

(1) 勵磁系統主回路開路或短路，造成發電機失磁。本次事故未出現此情況。

(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，無功變化很小；勵磁退出操作伴隨著跳滅磁開關，且在發電機并網時被閉鎖。本次事故未出現此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。但試驗已證明調節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。調節器靜態檢查中脈沖回路正常，事故時也未發出脈沖丟失的報警信號。

(5) 在靜態假負載狀態和發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接觸不良時，調節器輸出波形出現先強勵再減磁的波動情況。

綜合來看，事故時機組的進相現象應該是第(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，事故發生時調節器電壓測量回路因接觸不良而造成無功測量不正常，亦即發電機實際進相73 Mvar時，調節器的無功測量值為進相17 Mvar。

3.3 發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，此時調節器運行的2通道測量電壓值只相當于13.37kV，故調節器仍應處于強勵狀態而不會返回。

3.4 強勵倍數過高而強勵限制未動的原因

該調節器的轉子電流的強勵限制定值為2倍額定轉子電流，即轉子電流不應超過3536 A。

靜態試驗中，當調節器顯示的轉子電流達到該定值時，轉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二次電流已經達到8.5 A，相當于直流側為5208 A；而當輸入相當于2倍額定轉子電流的二次電流5.8 A時，調節器顯示的轉子電流只有1850 A，遠低于限制器動作定值，因此事故發生時調節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，調節器采樣正常。

3.5 綜合分析

根據前面幾項分析可初步認定事故發生過程：機組勵磁調節器運行在2通道，因調節器PT斷線，不能有效閉鎖PT回路出現的接觸不良，造成發電機進相運行；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電機深度進相；發電機進相73 Mvar時，發電機實際電壓降至13.53kV，達到強勵條件，勵磁調節器強勵運行；由于勵磁調節器轉子電流測量失真，轉子電流限制器未能限制轉子電流的上升；強勵后，勵磁電流、發電機電壓大幅升高，發變組“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根部到調節器屏內電壓測量板，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) 按調試大綱要求對調節器進行了全面檢查和試驗；按新調節器投運試驗要求完成各項動態試驗，試驗合格。

(5) 采取下列臨時措施，以防止發電機在機組并網運行中出現異常后緊急停機，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，使事故時發電機能盡快與系統解列，避免對系統穩定造成不利影響。

③ 運行維護人員應加強對勵磁系統的巡視，檢查調節器的測量顯示值及報警信號是否正常。

④ 在機組運行出現異常的大幅波動時，運行人員應盡快將機組解列。

5 結束語

本次事故暴露出的問題，如調節器轉子電流測量值偏差嚴重，發變組故障錄波器不能正常工作等，顯示設備運行維護工作不到位。

本次事故前幾天，1號機已發生了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，忽視了設備本身存在問題的可能，表明事故預想工作不夠到位。

調節器的設計缺陷是造成本次事故擴大的主要原因，建議聯系廠家盡快實現軟件升級，消除缺陷，或更換為功能完善的產品。

具有同類型調節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)，避免類似情況的發生。

1 李基成. 現代同步發電機勵磁系統設計及應用[M]. 北京：中國電力出版社，2009.

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