水輪發電機失磁保護動作的故障分析

牟 明

(吉林松江河水力發電有限責任公司，吉林 白山 134500)

水輪發電機失磁保護動作的故障分析

牟 明

(吉林松江河水力發電有限責任公司，吉林 白山 134500)

介紹了一起機組失磁保護動作的事故，從故障現象入手，對保護裝置和勵磁系統2個方面進行了分析，找出了事故最終原因為機組勵磁調節器CPU故障，最后強調了勵磁限制和失磁保護的配合關系對保證機組安全穩定運行的重要性。

勵磁調節器；勵磁限制；失磁保護；CPU故障

某水電站裝有2臺單機容量為80 MW的水輪發電機組，發變組配置了雙套WFB-800系列微機保護裝置。勵磁調節器型號為GEC-300，采用雙套配置。運行時，1套主用，另1套備用，2套并列運行，完全獨立。當主用發生故障時，勵磁調節器自動切換為備用。

1 故障現象

19：00，網調令2號機開機，有功功率80 MW，無功功率6 Mvar。

19：03，2號機出口開關6412與系統并列。

19：38，中控室故障警鈴響，模擬屏上2號機“電氣事故”、“機械事故”、“機械故障”光字牌亮；上位機先后出現如下報警信息：“2號機發變組保護故障”、“2號機勵磁調節器退出(PLC令)”、“2號機停機聯跳斷路器6412”、“2號機冗余機電源消失”、“2號機電調故障”、“2號機勵磁過壓”、“2號機調速器故障”、“2號機緊急停機動作”、“2號機啟動緊急停機電磁閥”及“2號機115 %Ne”報警。

19：39，運行人員就地檢查發現2號機旁發變組保護屏上有“低勵失磁保護t1動作”、“低勵失磁保護t2動作”報警；常規機械保護屏JP9上“機組電氣事故信號繼電器42XJ”掉牌；2號機電調屏JP2有“冗余機大故障”、“冗余機小故障”及“調速器故障” 報警；勵磁調節器屏LP1有“欠勵”報警、“欠勵限制”報警；2號機滅磁開關屏LP5有“過電壓動作”報警；機調柜內緊急停機電磁閥動作。

19：41，監視2號機停機過程，待機組轉速降至20 %Ne時，手動投風閘將機組停至穩態。

19：50，對2號機發變組一次電氣部分進行全面檢查，未發現有短路接地痕跡；對2號機勵磁調節器及出口PT(電壓互感器)，CT(電流互感器)的一、二次部分也進行了全面檢查，未發現異常現象。

2 原因分析

通過查看系統故障錄波電壓，發現當時系統電壓沒有突變，與調度人員溝通后了解到當時電網穩定無故障。因此，可以排除由系統原因導致2號機勵磁調節器欠勵引起失磁保護動作。下面從保護裝置和勵磁系統2個方面進行分析。

2.1 失磁保護動作報告分析

在此次事故之前，2號機組發變組故障錄波因故障退出運行，無法讀取事故時的相關數據。下面從保護裝置的失磁保護邏輯原理進行分析，如圖1所示。

圖1 失磁保護邏輯原理

該保護采用的動作判據有靜穩扇形Z元件和定子過電流元件、勵磁低電壓Ufd元件以及系統三相低電壓Ut元件。靜穩扇形Z元件和定子過電流元件用于判別失磁后的發電機機端測量阻抗是否越過其阻抗平面上的靜穩極限；引入勵磁低電壓Ufd元件用于判斷在發電機失磁時其勵磁電壓及勵磁電流是否下降；引入系統三相低電壓Ut元件用于防止當發電機失磁后系統電壓嚴重低于允許值，避免系統失去穩定。

發電機低勵失磁保護定值如表1所示。由2套WFB-800裝置的第1套及第2套保護動作報告可知(見表2，3)：當失磁保護動作時，機端線電壓約為80 V，定子線電流約為7.7 A，電壓及電流三相平衡，相位正確，且電流超前電壓39°，系統電壓約為104 V。而2號機正常帶額定負荷運行時，保護裝置采集到的相關參數數值(見表4)顯示：機端線電壓約為96 V，定子線電流約為5 A，且電壓超前電流為3°。由此可見：在失磁保護動作時刻，機組處于進相39°運行狀態，且機端線電壓由正常運行時的96 V降至80 V，定子線電流約由正常運行時的5 A增至7.7 A，系統電壓約由105 V降至104 V，此時機組處于失磁運行狀態，機端測量阻抗為10.4∠-39° Ω，位于靜穩定阻抗圓內，機端電壓低于閉鎖值，開放閉鎖條件，滿足失磁保護動作出口條件。

表1 發電機低勵失磁保護定值

表2 第1套發電機失磁保護動作報告數據

綜合上述情況分析，可以得出：該保護裝置檢測到2號機處于失磁運行狀態，并且動作切除運行，為失磁保護正確動作。

表3 第2套發電機失磁保護動作報告數據

表4 2號機帶負載時低勵失磁保護實時數據

2.2 勵磁系統低勵限制動作原因分析

工作人員通過后臺數據分析發現，在失磁保護動作的前2 s內，機組無功功率從正常的6 Mvar先突變至16 Mvar，最高值為32 Mvar，又在1 s內下降至-56 Mvar，屬于嚴重進相。對勵磁調節器檢查后，工作人員發現故障原因為A套CPU故障，這是由于勵磁調節裝置運行時不斷向脈沖發生裝置內寫入脈沖觸發角度。事故時，作為主用的A套勵磁調節器的CPU瞬時故障，程序運行死機。在程序死機時，向脈沖發生裝置輸出一個很小角度或者觸發角度為0°的信息。由于程序已死機，不再向脈沖發生裝置輸入觸發角度，因此脈沖發生裝置保存的觸發角度一直是程序死機前輸入的很小角度，所以A套可控硅整流橋一直處于全開放狀態，導致發電機電壓持續上升。

B套調節裝置按照電壓閉環計算，隨著電壓上升，向脈沖發生器輸出的觸發角度也不斷增大。由于可控硅整流橋在0°～90°是整流狀態，大于90°后開始進入逆變狀態。在整流階段，勵磁電流不斷增加，無功功率從正常的6 Mvar先突變至16 Mvar，最高值為32 Mvar；進入逆變階段后，勵磁電流不斷減小，調節系統開始減磁，無功功率一直下降到-56 Mvar，調節器裝置開始出現“欠勵報警”、“欠勵限制”報警，發電機阻抗進入到失磁保護動作阻抗圓內，經1 s后，滿足失磁保護動作停機的條件。

3 結束語

發電機組失磁是極為嚴重的故障，因此勵磁系統均配有備用通道、故障監測及自動切換系統等保護措施。在正常情況下，一般不會造成發電機失磁的事故。一旦出現失磁現象，說明勵磁系統已發生較嚴重的故障，多個通道或檢測系統均已不能正常工作。另外，要充分考慮機組運行時最大的進相深度，合理設置機組勵磁限制與相關保護的整定參數，確保機組低勵限制應先于失磁保護動作，只有在低勵限制失效的情況下，機組失磁保護才動作。

1 葛元寶.發電機失磁保護和勵磁調節器低勵限制之間的配合問題[J].安徽電力，2006(9).

2 陽春華.更換主勵刷誤碰正負兩極導致失磁保護動作停機[J].電力安全技術，2011(11).

2014-01-14。

牟 明(1983-)，男，助理工程師，主要從事水電廠運行工作，email：mumingmm@163.com。