發電機斷水保護動作出口延時的探討

吳彥龍，肖尚浩，張尊華，陳基順

（1.廣東省粵電集團有限公司珠海發電廠，廣東 珠海 519000；2.中國南方電網珠海分公司，廣東 珠海 519000）

發電機斷水保護動作出口延時的探討

吳彥龍1，肖尚浩1，張尊華1，陳基順2

（1.廣東省粵電集團有限公司珠海發電廠，廣東 珠海 519000；2.中國南方電網珠海分公司，廣東 珠海 519000）

針對2起定冷水泵跳閘導致發電機斷水保護動作，直接造成發電機組跳閘事故，根據定冷水系統運行設置的參數以及發電機斷水保護動作記錄，分析斷水保護動作過程中定冷水量、定子繞組溫度、定子水出口溫度等變化情況，探討保護出口延時設置上存在的問題，提出發電機斷水保護應加長動作出口延時的建議，并進行了相關的論證。

定冷水系統；斷水保護；延時；保護動作

0 引言

發電機定冷水系統是冷卻發電機定子載流部件的獨立系統，用來保證發電機運行期間定子繞組溫度在規程規定限額內運行。

當前，大型發電機大都采用水直接冷卻定子繞組運行方式，大大改善了發電機的散熱性能，提高了發電機的單機容量。因此，定冷水系統保護設置是否合理，運行是否正常，將直接影響發電機的安全和運行壽命。

1 定冷水系統概述

某電廠1，2號機組發電機由美國西屋公司制造，額定功率746 MW，出口電壓22 kV，冷卻方式為水-氫-氫。

該發電機的定冷水系統設置2臺定冷泵，1臺泵可滿足機組滿負荷的冷卻水量，另1臺備用。定冷水箱的水由定冷泵升壓，通過母管再循環手動閥將泵出口壓力調整在650 kPa左右。當運行泵進、出口壓差低于141 kPa或定冷泵電氣故障時，備用泵自啟。

系統運行中，定子水差壓（即定子線圈進出口集水管壓差）約230 kPa。定冷水保護設置為：如果發電機電流大于3 750 A（15 %額定負荷），當定子水差壓小于152 kPa（信號3取2）時，將觸發發電機斷水保護，經2 s延時動作跳發電機。

2 定冷水系統事故過程

2.1 事故1

2009-01-21T11：28：28，電廠1號機組發生廠用電400 V MCC 1B11母線失壓，1 A定冷泵電機開關欠壓脫扣保護動作跳閘，定子水差壓小于152 kPa。

11：28：30，發電機斷水保護動作，出口跳發電機，同時1B定冷泵啟動成功。

11：28：32，定子水差壓大于152 kPa，定子水差壓低報警復位。

2.2 事故2

2014-02-15T17：55：50：53，220 kV系統故障，2號機組2B定冷泵跳閘。

17：55：50：78，定子水差壓小于152 kPa；T17：55：51：93，A，B定子冷卻水泵啟動。

17：55：52：83，2號發電機跳閘。

17：55：52：91，定子水差壓小于152 kPa信號復位。

3 定冷水系統事故分析

這2起發電機斷水保護動作出口，均是因電氣母線失壓（或低電壓）引發定冷泵跳閘造成的。

根據故障錄波器的錄波圖分析，事故2是因為電網系統發生嚴重的三相短路。220 kV系統電壓由220 kV降至110 kV左右，故障持續時間長，失壓約520 ms，對發電機組廠用電系統造成很大影響。電廠400 V MCC負荷斷路器為空氣開關組合裝置，設置有低電壓保護。當母線電壓降低至294 V（約70 % Ue）時，接觸器自動脫扣；當電壓回升至311 V（74 % Ue）時，接觸器自動吸合，電機恢復啟動。由于這次系統電壓降幅較大，持續時間較長，因此400 V MCC母線上很多負荷開關自動脫扣，造成設備短時間的停運。

因母線電壓下降，備用定冷泵2A的聯動也因此延緩，1.4 s后才和2B定冷泵同時啟動，加之2臺泵并列運行定冷水系統重新建立壓力需要1 s，因此從定冷泵跳閘后到系統建立壓力所需的時間為2.4 s。

當定冷泵跳閘后，定子水差壓下降很快，約0.3 s后定子水差壓低報警，經2 s延時觸發斷水保護出口，從泵跳閘到保護出口約有2.3 s。因該時間短于定冷泵啟動后重新建立壓力的時間，故保護出口成功。但是，從泵跳閘后到發電機跳閘的整個過程中，沒有定冷泵進出口差壓低于141 kPa的報警出現。

定冷泵2次跳閘，備用定冷泵均啟動，定冷水系統很快恢復正常，因此定冷水并沒有真正意義上的斷水。在定子繞組不發生超溫情況下，更不應該讓斷水保護動作出口跳閘。但事實上2起斷水保護都先于定冷水系統恢復前動作出口跳發電機，時間差在2次跳閘記錄中都不超過2 s。

4 增加定冷水斷水保護延時出口時間

經過分析，2起事故都是發電機斷水保護的出口延時設置過短造成的。因此，有必要對在定冷水斷水保護出口增加延時的必要性、可行性和合理性進行探討。

4.1 必要性

4.1.1 定冷泵進出口差壓聯動備用泵設定值過低且建立壓力需要時間

該廠發電機定冷水虹吸管與定冷泵的高度差約15 m。這說明在定冷泵跳閘停運時泵進出口差壓至少仍有150 kPa，因泵出口處有逆止閥，進出口差壓下降靠母管的再循環管泄壓，故壓力下降偏慢。由事故報警記錄可以看出：運行定冷泵跳閘后，到備用泵啟動的2.5 s內，定冷泵進出口差壓小于141 kPa報警始終沒有出現，這說明定冷泵進口差壓低聯動備用泵的延時設定值明顯過低，不符合保護設計的原意。況且，當一臺定冷泵發生故障時，在備用泵啟動后，建壓至少需要2 s。

4.1.2 定子斷水保護動作值與運行值的差值很小

定子水差壓是根據發電機的氫/水差壓和保證通過定子線圈所需的冷卻水量來調整的。定冷水箱與大氣的相對差壓設定為15 kPa，發電機內氫氣壓力為520 kPa，氫/水差壓規定大于35 kPa，算上發電機定冷水虹吸管與定冷泵的高度差，故定冷泵出口壓力設定為650 kPa。在額定負荷下，設定定子水差壓小于152 kPa時啟動斷水保護，滿足定子線棒的必需冷卻水量。

為了防止在定冷泵并列運行時定子水差壓超過發電機氫氣壓力，正常運行時，定子水差壓的實際運行值為220-230 kPa，與定子斷水保護的動作值只有約80 kPa的差值，所以在定冷泵跳閘0.3 s后，就出現了定子水差壓低報警。這說明設置的運行值與跳閘值兩者之間的差值過小。

由于備用泵啟動后建立壓力需要時間，保護出口延時的時間又短，所以發生在斷水保護保護出口后，定冷水才建壓正常的情況。這就使定冷水的恢復已經失去了原設計的意義，造成了嚴重的機組跳閘事故。

基于以上分析，認為發電機斷水保護出口加長延時是必要的。

4.2 可行性

從發電機銘牌得知，定子繞組為2個并聯Y型聯接，絕緣等級F級，定子繞組出水溫度保證值59 ℃；定子繞組出水溫度報警值80 ℃。該廠在規程上規定，當發電機定子線圈頂部與底部溫差大于8 ℃或定子線圈出水溫度大于85 ℃，定子線棒溫度大于115 ℃時報警，應降低機組負荷；當定子線圈出水溫度大于90 ℃，發電機非電氣量保護啟動跳閘；定子線棒溫度大于125 ℃，且聞到焦味應緊急停機。

2014-02-15，2號發電機跳閘前，機組滿負荷運行，當時定子線棒溫度值為57.76 ℃，定子線圈出水溫度為51.5 ℃。這說明運行溫度值和規定的限制值及保護動作值有較大的溫升裕量。溫升是一個連續變量，不是突變量，溫度上升至限制值需要一定的時間，這為發電機斷水保護加長延時提供了可行性依據。

4.3 合理性

定冷泵跳閘后，將直接影響集水環和并行環的流量變化，并進一步影響定子線圈溫度和定子線圈出水溫度，相對應的測量參數也會發生變化。

通過事故2所記錄的相關參數，發現定冷泵在跳閘到重新啟動恢復系統壓力正常的過程中，定冷水流量變化很小，集水環流量從1 928 L/min降至1 851 L/min，并行環流量從184 L/min降至179.8 L/min。查看發電機汽機端和勵磁端共18個定子線棒溫度測點、定子線圈頂部/底部共84個測點和定子線圈出水溫度，也沒有明顯變化。從集水環和并行環流量變化趨勢可得知，定冷泵停運后，雖然造成壓力突降，但由于水流慣性，使流量呈現為漸降狀態，可判斷仍然有定冷水流過定子線圈。加上400 V MCC母線受干擾失壓后馬上恢復，2臺定冷泵很快啟動，建立壓力時間很短，定冷水流量馬上恢復，故發電機各溫度測點并沒有明顯變化。這為定子斷水保護出口加長延時提供了合理化依據。

從慎重和周全的角度考慮，定子斷水保護動作出口前，應給予一定時間以判斷定子水差壓能否重新恢復正常，原因有如下2點：

（1） 如果機組廠用電系統發生異常，備用泵電源也受到干擾延遲啟動，或者泵存在機械方面的問題，也會發生建壓遲緩的情況；

（2） 定冷泵進出口壓差和定子水壓差是2個不同區域的壓差配置，定子水差壓建立于定冷泵啟動正常且建壓完成的基礎上，時間上也存在滯后。

綜上所述，適當加長斷水保護出口時間具有事實上的合理性。

5 定冷水系統保護裝置改進建議

為了解決定冷水系統保護設置上存在的問題，建議從以下幾方面進行改進。

（1） 加長定冷水斷水保護延時出口的時間。定冷水斷水保護加長延時出口的時間有其必要性、可行性和合理性。結合國家有關發電機斷水保護的動作時間規定，建議將發電機斷水保護出口延時至5 s。如果考慮能提供操作員判斷和處理的時間，可以進一步考證將發電機斷水保護動作時間延長至15 s的可行性，以降低發電機跳閘的幾率。

（2） 增加聯鎖備用定冷泵自啟條件。定子水差壓保護動作值設置為152 kPa，是保證定子繞組滿負荷下的冷卻水量，以不造成局部高溫或線圈溫差過大。但當發電機斷水保護啟動時，只反應定子水開始失壓，有斷水的危險，并沒有考慮定冷泵的運行情況。如果是定冷水系統發生異常，出現泵斷軸、泵出力下降等情況，導致定子水壓差降低，定冷泵可能由于邏輯設置上的原因無法反應出定子水差壓下降狀況。因此，建議當發電機斷水保護啟動時，添加聯鎖定冷水備用泵啟動的條件，以增加定冷水快速恢復運行的可靠性，降低斷水保護動作出口的幾率。

（3） 提高定冷泵進出口差壓聯鎖啟動備用泵的定值。系統設置定冷泵進出口差壓小于141 kPa為備用定冷泵自啟條件，該設定值明顯偏低。從2起定冷泵跳閘引起發電機跳閘事故過程中看出，定冷泵進出口壓差小于141 kPa的報警一直沒有出現過，這使該保護設置失去應有的作用。定冷泵差壓測點就在定冷泵進出口附近，當泵進出口差壓低于141 kPa時，意味著定子繞組已經完全沒有水流通過，在帶負荷情況下，容易導致定子繞組溫度飆升。當定冷水恢復后，繞組又迅速降溫，溫度的急劇變化容易導致金屬疲勞，使絕緣材料變脆，降低發電機使用壽命。同時由于定冷水壓降衰減較慢，備用泵啟動時間長，對定冷水的恢復很不利，斷水保護也可能已經提前啟動出口，造成發電機跳閘事故。

因此應提高備用泵自啟動的進出口差壓設定值，考慮定冷水虹吸管與定冷泵之間的高度差和管阻，將泵自啟值設置在380-400 kPa。該設定值不但能反映定冷泵因機械原因造成定冷水壓力下降的問題，也能靈敏地反映定子水差壓變化情況。

6 結束語

定冷水系統是發電機的重要輔助系統，該廠近幾年發生的2起發電機斷水保護動作事故，暴露了該廠定冷水系統存在較大的安全隱患。

事故2不能僅僅歸結于電網的電壓波動的影響，還反映出定冷水系統存在的不合理配置問題。針對該問題提出的改進方法，應盡快落實改進方案，以保障機組安全、可靠運行。

2015-12-20；

2016-04-16。

吳彥龍（1974-），男，工程師，主要從事機組運行管理，email：wuyanlong0233@sina.com。

肖尚浩（1977-），男，技師，主要從事機組集控運行管理。

張尊華（1984-），男，助理工程師，主要從事機組附屬系統的監控、操作與管理。

陳基順（1975-），男，工程師，主要從事變電站規劃與運作、監控管理、電機性能檢測工作。