發(fā)電機(jī)組保護(hù)動(dòng)作跳閘原因分析及處理

唐建惠，寧 濤

(1.河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021；2.河北華電石家莊熱電有限公司，石家莊 050041)

1 概述

某電廠一期工程建設(shè)2臺(tái)1 000 MW超超臨界發(fā)電機(jī)組，汽輪機(jī)為N1000-26.25/600/600型一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機(jī)，發(fā)電機(jī)為THDF 125/67型水氫氫冷汽輪發(fā)電機(jī)，自并勵(lì)靜止勵(lì)磁。機(jī)組首次沖轉(zhuǎn)定速3 000 r/min后，按照調(diào)試規(guī)范要求，完成發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前的各項(xiàng)電氣試驗(yàn)。

2號(hào)機(jī)組于2011年1月26日凌晨05:45實(shí)現(xiàn)首次并網(wǎng)，帶初始負(fù)荷200 MW左右暖機(jī)，并逐漸帶負(fù)荷至25%～30%，各系統(tǒng)運(yùn)行正常，參數(shù)穩(wěn)定。

08:16左右，負(fù)荷271.36 MW，主蒸汽壓力8.0 MPa、溫度526 ℃，氫氣壓力0.470 MPa，定子冷卻水流量127 t/h，定子冷卻水壓力560.587 kPa，定子冷卻水液位無(wú)液位低報(bào)警，密封油泵出口壓力1.33 MPa，氫油差壓維持在130 kPa。

08:16:27，發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，跳發(fā)電機(jī)，聯(lián)跳汽輪機(jī)，因負(fù)荷低于30%，鍋爐未聯(lián)動(dòng)MFT。08:16:30，2A定子冷卻水跳閉式冷卻水泵。08:16:33，轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)動(dòng)作。08:16:38，定子冷卻水箱水位低報(bào)警，2B定子冷卻水泵由于水位低報(bào)未聯(lián)啟。08:16:40，發(fā)電機(jī)斷水保護(hù)，定冷水壓力緩慢下降，氫壓迅速下降至0.50 MPa，而后緩慢下降，下降速率為0.004 MPa/min，打開定冷水箱排氣時(shí)發(fā)現(xiàn)，氫氣純度達(dá)99%，緊急置換氫氣。08:17:06，發(fā)電機(jī)氫氣溫度49.724 ℃，壓力0.49 MPa。08:17:23，發(fā)電機(jī)勵(lì)端液位高報(bào)警。08:17:41，鍋爐手動(dòng)MFT。08:29:31，發(fā)電機(jī)出線盒底部液位三高報(bào)警。08:29:35，發(fā)電機(jī)出現(xiàn)盒底部液位二高報(bào)警。08:29:39，發(fā)電機(jī)出現(xiàn)盒底部液位一高報(bào)警，就地排水，水量較大。08:16:35，氫氣干燥器入口氫氣濕度由5.76%升至27.52%。

2 發(fā)電機(jī)組跳閘原因分析

根據(jù)保護(hù)及故障錄波裝置的相關(guān)數(shù)據(jù)，并對(duì)比故障現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，判斷保護(hù)裝置、錄波裝置等均正確動(dòng)作。從保護(hù)動(dòng)作及錄波的分析結(jié)果來(lái)看，短路故障首先在U、V兩相之間發(fā)生相間短路，進(jìn)而發(fā)展為U、V、W三相短路故障。發(fā)生前的定子電流為5 650 A，故障發(fā)生時(shí)，U、V、W三相定子電流分別達(dá)到了224 938 A、211 813 A、210 000 A(正常時(shí)的額定電流為23 778 A)。轉(zhuǎn)子發(fā)生接地故障時(shí)，也觸發(fā)了轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置正確動(dòng)作。

2.1 故障錄波波形分析

2號(hào)發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置故障錄波波形見(jiàn)圖1。

由圖1可以看出以下幾種情況。

a. 發(fā)電機(jī)出口TA的U、V、W相電流幅值與中性點(diǎn)TA的U、V、W相電流幅值大小一樣，相位相差180°。

b. 故障從0 s算起，初期的20 ms內(nèi)為U、V相間短路，W相也有短路放電現(xiàn)象，20 ms后發(fā)展為完全的三相短路。

圖1 2號(hào)發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置故障錄波波形

c. 發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)在30 ms處動(dòng)作出口，到60 ms的時(shí)候，發(fā)電機(jī)出口斷路器跳閘，切除故障，主蒸汽門在100 ms時(shí)關(guān)閉。

d. 發(fā)電機(jī)定子零序電流在10～20 ms處略有起伏，幅值很小，判斷為定子U、V相短路時(shí)產(chǎn)生的對(duì)地電容電流。

e. 三相短路的持續(xù)時(shí)間約為70 ms。

故障瞬時(shí)最大電流幅值見(jiàn)表1。

表1 故障瞬時(shí)最大電流

項(xiàng)目一次電流/A二次電流/A額定電流倍數(shù)故障前5 6501.00.24額定電流23 7784.251故障后U相224 93840.29.46故障后V相211 81337.88.90故障后W相210 00037.58.82

從圖1的2號(hào)發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置波形可見(jiàn)，第4行負(fù)序電流波形和左邊第4行顯示的數(shù)值可以看出，故障時(shí)在定子繞組出現(xiàn)的最大負(fù)序電流為76.125 kA，持續(xù)時(shí)間約為10 ms，出現(xiàn)負(fù)序電流的持續(xù)時(shí)間為50～60 ms。負(fù)序電流在發(fā)電機(jī)定子內(nèi)會(huì)出現(xiàn)負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁通，以同步速度與轉(zhuǎn)子相反方向旋轉(zhuǎn)，在勵(lì)磁繞組、阻尼繞組及轉(zhuǎn)子本體中感應(yīng)出2倍工頻的電流，從而引起這些部位的附加損耗而發(fā)熱。由于這個(gè)2倍工頻感應(yīng)電流頻率較高，集膚效應(yīng)較大，且只在轉(zhuǎn)子表面的薄層中流過(guò)，感應(yīng)電流流過(guò)轉(zhuǎn)子槽契齒，并流過(guò)槽齒與護(hù)環(huán)的許多接觸。而這些地方電阻較高，發(fā)熱尤為嚴(yán)重，當(dāng)流過(guò)76 kA的負(fù)序電流時(shí)，已在轉(zhuǎn)子出現(xiàn)瞬時(shí)的局部高溫，破壞了轉(zhuǎn)子部件的機(jī)械繞組絕緣，電氣人員對(duì)轉(zhuǎn)子繞組與地測(cè)絕緣的結(jié)果為零。

2.2 保護(hù)動(dòng)作分析

差動(dòng)保護(hù)(圖1中U、V、W開關(guān)量)動(dòng)作正確，機(jī)組全停。

發(fā)電機(jī)匝間保護(hù)縱向零序過(guò)壓3U0(輔助過(guò)電壓3U0，圖1開關(guān)量曲線第4行)動(dòng)作；負(fù)序方向過(guò)流動(dòng)作(圖1開關(guān)量曲線第5行)。整定值：3U0啟動(dòng)為0.03 p.u.，2 V；I2為0.05 p.u.，0.25 A，正向85°，指向發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障點(diǎn)；動(dòng)作時(shí)間為0.2 s。保護(hù)啟動(dòng)正確，由于在60 ms時(shí)發(fā)電機(jī)出口開關(guān)跳閘，故障電流消失，保護(hù)自動(dòng)返回，不出口跳閘。

轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)整定值高值報(bào)警(40 kΩ)；低值(15 kΩ)出口，延時(shí)6 s動(dòng)作。轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)高低值均動(dòng)作正確。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)情況檢查

打開發(fā)電機(jī)的出線端人孔門，檢查發(fā)現(xiàn)出線小室內(nèi)的部件嚴(yán)重?fù)p毀，主要情況如下：室內(nèi)的絕緣隔板全部損壞、斷裂、移位、或掉落；U相出線風(fēng)管脫落，其它5根風(fēng)管的上端也全部損壞；U、V、W三相的軟連接前、后部位均有電弧燒融現(xiàn)象；U相中性點(diǎn)的軟連接后部有電弧融化現(xiàn)象，但V、W兩相的中性點(diǎn)軟連接完好無(wú)損。鄰近U、V、W三相套管的小室內(nèi)壁上(靠人孔門側(cè))，有大量電弧燒融的銅水凝固物；出線小室內(nèi)的6根套管全部損毀；V相出線的環(huán)形引線、W相出線的環(huán)形引線及W相中性點(diǎn)環(huán)形引線，其絕緣因受到下方絕緣隔板的撞擊，表面有深度撞痕，絕緣損壞；定子勵(lì)端的繞組受到電弧產(chǎn)生的大量煙氣及粉塵吹拂，絕緣受損；少數(shù)測(cè)溫元件的引線灼傷；5根絕緣引水管損壞，勵(lì)端的匯水管也因受到絕緣隔板的撞擊發(fā)生輕微的變形，個(gè)別部位出現(xiàn)凹坑；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在接地故障，外部可視部分未見(jiàn)損傷，但覆蓋有大量黑色的煙氣粉塵。

在檢查現(xiàn)場(chǎng)的殘余物品時(shí)，發(fā)現(xiàn)有少量花線，經(jīng)分析判斷是基建安裝過(guò)程中遺留的。根據(jù)出線小室內(nèi)部電弧造成的銅水熔渣噴濺的痕跡判斷，短路故障點(diǎn)在三相出線套管上方的軟連接處。當(dāng)短路故障發(fā)生時(shí)，電弧將軟連接上的銅片瞬間燒融，并噴濺到小室內(nèi)壁上，將事故擴(kuò)大導(dǎo)致三相短路故障。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路有待通過(guò)試驗(yàn)判定。

2.4 試驗(yàn)分析

發(fā)電機(jī)短路故障后應(yīng)做的電氣試驗(yàn)項(xiàng)目和機(jī)務(wù)方面應(yīng)檢查的內(nèi)容主要包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在膛內(nèi)、膛外的交流阻抗、功率損耗、絕緣電阻，發(fā)電機(jī)定子繞組的直流電阻、直流耐壓試驗(yàn)、定子氣密試驗(yàn)等。[1]在汽輪機(jī)溫度達(dá)到可以停盤車的條件時(shí)，立即停盤車進(jìn)行發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在膛內(nèi)的交流阻抗、功率損耗、直流電阻和絕緣電阻的測(cè)試工作。將測(cè)試后的數(shù)據(jù)與故障前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)表2)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)交流阻抗變小、功率損耗增加的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)子直流電阻出廠測(cè)試為0.074 Ω，故障后現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試僅為0.05 Ω，使用500 V兆歐表測(cè)量轉(zhuǎn)子絕緣電阻，數(shù)據(jù)顯示為絕緣電阻接近零，這些異常數(shù)據(jù)提示有轉(zhuǎn)子繞組匝間短路。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較

測(cè)試時(shí)間測(cè)試部位電壓/V電流/A交流功耗/W交流阻抗/Ω故障前膛內(nèi)220.539.58 709.85.58膛外22042.49 3285.18故障后膛內(nèi)220.145.710 058.54.82膛外220.647.510 4784.64

3 處理措施及效果

經(jīng)過(guò)廠家裝配人員的進(jìn)一步確認(rèn)可知轉(zhuǎn)子回路上有殘存銅皮。在斷定轉(zhuǎn)子匝間短路的位置后,經(jīng)制造廠人員進(jìn)行絕緣處理，將轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)用熱處理法進(jìn)行了復(fù)位。復(fù)位后對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行交流阻抗測(cè)試，膛外電壓為220.1 V、電流43.2 A、交流功率9 508.3 W，交流阻抗5.09 Ω，結(jié)果正常。

對(duì)故障部位進(jìn)行修復(fù)后，為檢查發(fā)電機(jī)定子的絕緣情況，必須通過(guò)交、直流耐壓試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。完成發(fā)電機(jī)定子冷卻水管路的8 h氣密性試驗(yàn)后，進(jìn)行定子冷卻水的循環(huán)工作，使發(fā)電機(jī)定子冷卻水水質(zhì)導(dǎo)電度合格后再進(jìn)行發(fā)電機(jī)的耐壓試驗(yàn)。交、直流耐壓試驗(yàn)結(jié)果合格，交流耐壓試驗(yàn)電壓為2倍的發(fā)電機(jī)額定電壓(發(fā)電機(jī)額定電壓為27 kV)，時(shí)間為1 min，未發(fā)生擊穿。直流耐壓的最高試驗(yàn)電壓為2倍額定電壓,試驗(yàn)時(shí)分別在0.5 UN、1.0 UN、1.5 UN及2.0 UN處持續(xù)1 min，均未發(fā)生擊穿。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，大型發(fā)電機(jī)發(fā)生單相對(duì)地短路故障是比較常見(jiàn)的，但發(fā)生相間短路故障、尤其是三相短路故障則是非常罕見(jiàn)的。此次事故主要是發(fā)電機(jī)出線小室的異物引起，先是兩相短路，繼而發(fā)展為三相短路事故。這類異物雖然數(shù)量極小，但危害很大，經(jīng)分析這些異物是在基建安裝過(guò)程中遺留的。事故發(fā)生時(shí)，電氣保護(hù)動(dòng)作正確，三相短路現(xiàn)象明顯，判斷故障點(diǎn)在發(fā)電機(jī)出線盒處，修復(fù)后完成了相關(guān)電氣試驗(yàn)，機(jī)組再次正常投運(yùn)。此次事故也提示建設(shè)單位在基建過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)全過(guò)程質(zhì)量控制，避免此類風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 龔春波.600 MW發(fā)電機(jī)短路故障后的檢查及試驗(yàn)[J].發(fā)電設(shè)備,2006(4)：292-294.

[2] 李建明,朱 康.高壓電氣設(shè)備試驗(yàn)方法[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005.