蓄能機組背靠背啟動時被拖動機“轉子過電壓”“低頻過流”動作原因探討

汪軍元

(華東桐柏抽水蓄能發電有限責任公司，浙江天臺317200)

1 問題提出

2011年1月25 日，某抽水蓄能電廠做定期1號機拖2號機背靠背試驗時，在拖動機(2號機)、被拖動機(1號機)勵磁電流開放1s內，1號機“勵磁轉子過電壓保護動作”事故停機，上位機顯示1號機轉子電壓最大值約為140V，遠沒有達到轉子過電壓動作值(1500V)。保護動作原因不明。

2011年3月8 日，3號機C修復役試驗時，4號機拖3號機時，也出現“轉子過電壓”保護動作事故停機，和上次不同的是本次從勵磁運行到保護動作，隔了30s，因滑環處有人監視，監視到3號機在開始拖動時曾反轉。

2010年1月3 日和5月25日，某抽水蓄能電廠在3號機拖4號機背靠背試驗時，被拖動機4號機均“低頻過流保護”動作，從而事故停機拖動不成功。原因一直未明。

其它電廠也出現過相類似情況，原因不明。

2 原因分析

機組背靠背啟動時電氣回路圖見圖1。

2.1 被拖動機“轉子過電壓”動作原因分析

被拖動機“轉子過電壓”動作，因為多次發生，說明誤發的可能性不大；且都發生在背靠背啟動時的被拖動機身上，說明和背靠背啟動及被拖動機有關。

機組轉子電壓過高，原因可能在勵磁系統身上，比如勵磁變二次側交流電壓太高，某種干擾致使勵磁調節器發出的脈沖角度不準使整流橋輸出偏大，或者可控硅性能不好，突然導通和開斷時，di/dt大，而產生過電壓；或是其它某個不為我們所知的地方的突變也可能產生過電壓。這種可能性總是存在的，但是如果是這種原因造成轉子過電壓，在發電開機、發電運行、抽水運行、背靠背時的拖動機也會出現，非背靠背時的被拖動機才會出現。或許該廠出現的兩次是“恰巧”在背靠背時的被拖動機，因為只有兩次，這種“恰巧”也說得過去。不過，上述原因(突變除外)產生的過電壓數值在監控上應觀察得到，這和事實不符。

圖1 機組背靠背啟動時電氣回路圖

本人認為，問題可能出在轉子身上，準確的說，是背靠背時被拖動機的轉子身上，其實轉子本身并沒有問題，而是和這個工況有關。2011年3月8日，4號機拖3號機時，3號機在開始拖動時曾出現過反轉，這使我們想到拖動機和被拖動機轉速差還是很大的，可能有5%(機械保護中雖有“被拖動機1%轉速超時”和“拖動機與被拖動機轉速相差2%”而事故停機，但前者有6s延時，后者有2s延時，這6s和2s拖動機轉速有可能上升到一個較高數值，這里取5%)，為了便于分析，我們假定這時拖動機有5%的額定轉速，而被拖動機轉速為0。100%轉速在定子上對應100%的額定電壓(18kV),那么5%的額定轉速對應5%的額定電壓(900V)，拖動機定子上900V電壓傳到被拖動機上也是900V，由于被拖動機靜止(若是不是靜止，有轉速差效果也一樣)，這時被除拖動機定子、轉子相當于一個變壓器，轉子上將會感應出交流電壓。同于定子匝數少而轉子匝數多，還是個升壓變壓器，所以感應的電壓有可能達1000V以上。感應到轉子上的交流電壓疊加上勵磁直流電壓，很有可能讓直接接在勵磁回路上轉子過電壓繼電器動作(動作值1500V)。而監控上之所以觀察不到轉子電壓增大，是因為:轉子電壓經過轉子電壓變送器，送到勵磁調節器，勵磁調節器的I/O模塊輸出到監控系統，由于轉子電壓變送器是直流電壓變送器，不能反映交流電壓分量，所以監控上看不到轉子電壓升高。轉子過電壓繼電器會動作，是因為過電壓繼電器直接接在勵磁回路，不經過電壓變送器。這和事實相符。

由于背靠背時，各臺機性能不一樣，被拖動機出現反轉也是隨機的，所以背靠背轉速差不一，因此背靠背啟動時被拖動機“轉子過電壓”動作也有不確定性，這也是為什么該廠運行四、五年來背靠背啟動時被拖動機“轉子過電壓”最近才動作原因之一。說是“之一”，可能還有其它原因。

2.2 被拖動機“低頻過流”動作原因分析

機組低頻過電流保護(51GL-B)保護在機組電動工況起動過程中作為發電/電動機、起動母線相間短路故障的保護。在機組電動啟動轉速較低時，機組差動等保護不能可靠動作，故專門設置了該保護。低頻過流保護在機組開關合上后退出運行。考慮到保護處理的特殊要求，此保護采用了單獨的保護裝置，動作后直接出口。3號機拖4號機“低頻過流”動作，原因可能有兩方面:

(1)3號、4號機之間的電氣軸包括3號機定子、3號機拖動刀、啟動母線、4號機被拖動刀存在短路或接地，在2010年1月3日和5月25日兩次“低頻過流”動作時，均測過3號機定子、3號機拖動刀、啟動母線、4號機被拖動刀的絕緣電阻，結果合格，所以排除了這種可能性。

(2)作為電源的拖動機(3號機)的電壓與作為負荷的被拖動機(4號機)的電壓差太大。在排除了原因1的情況下，原因2可能性很大。造成拖動機(3號機)與被拖動機(4號機)電壓差大，又可能有下列幾個原因:

1)拖動時，拖動機(3號機)勵磁電流大，被拖動機(4號機)勵磁電流小，實際察看兩臺機勵磁電流大致相等，不存在這種情況；

2)拖動機(3號機)與被拖動機(4號機)轉速差較大。由于兩次拖動時，都是機組剛開始轉動，轉速不易觀察到，實際數據難以取得。不過，本人認為這種情況存在的可能性很大。

造成拖動機(3號機)與被拖動機(4號機)轉速差較大的原因可能有:a)被拖動機4號機阻力大；b)拖動機3號機自身機械阻力較小；c)拖動機3號機導葉開啟過快；d)在拖動時，被拖動機4號機轉子位置不好，造成被拖動機4號機出現反轉，致使兩臺機轉速差增大。

對于a)被拖動機4號機阻力大,雖目前停留在猜測層面上，但有下述跡象表明這種猜測有一定可能:①被拖動機4號球閥工作密封存在漏水，停機時，4號機蝸殼層漏水聲音(包括導水葉漏水)比其它機組大。球閥工作密封、導葉漏水對機組抽水方向轉動是個阻力；②4號機導葉空載開度比其它機組大(這個待觀察)，這表明4號機自身機械阻力大。至于造成被拖動機4號機阻力大的原因，除了4號機球閥工作密封、導葉漏水大外；還可能是4號機高壓注油泵油壓、油量存在問題或是4號機高壓注油在推力軸承里面油路不暢；或是4號機推力軸承本身問題；此外，若是4號機振動、擺度大，也可能造成4號機阻力大；機組總重也是一個可能的原因，但是這個可能性不大。

對于b)拖動機3號機自身機械阻力較小，目前尚無證據支持，不過可以通過觀察導葉空載開度等方法進行確證。

對于c)拖動機3號機導葉開啟過快，目前4臺機導葉開啟規律一樣，非獨3號機一個樣，可以排除，但是背靠背時導葉開啟規律，尤其是第一階段開啟規律如何優化，確實是一個值得探討的問題。

對于d)在拖動時，被拖動機4號機轉子位置不好，造成被拖動機4號機出現反轉，致使兩臺機轉速差增大，這種情況，以前常被我們忽視，2011年3月8日，在4號機拖3號機時觀察到3號機在剛開始被拖動時出現反轉的現象，這一因素應引起我們的重視。被拖動機在剛開始被拖動時出現反轉，或先正轉再略微反轉再正轉，而此時拖動機導葉“義無返顧”在開，勢必造成兩臺機轉速差增大。機械保護中雖有“被拖動機1%轉速超時”和“拖動機與被拖動機轉速相差2%”而事故停機，但前者有6s延時，后者有2s延時，這6s和2s拖動機轉速有可能上升到一個較高數值，而被拖動機未轉或反轉，這么高的轉速差極可能使電壓差大，“低頻過流動作”。

3 結語

上述分析僅是一家之言，正確與否有待進一步探討和驗證。由于多個抽水蓄能電廠也曾發生過類似情況，且原因不明，沒有定論，在此提出個人看法，僅供大家參考，以找到真正的原因。

對于低頻過流保護動作原因，為了最終確定3號機拖4號機“低頻過流”動作的原因，建議做以下工作:

(1)多做背靠背試驗，尤其是3號機拖4號機，觀察被拖動機反轉情況。當然這有隨機性。

(2)記錄、比較4臺機導葉空載開度、4臺機振動、擺度，從一個側面確定4臺機(尤其是4號機、3號機)啟動時阻力情況。

(3)優化4臺機(尤其是3號機)背靠背時導葉開啟規律。

(4)跟蹤4號機球閥工作密封、導葉漏水量、高壓注油泵、推力軸承情況。