ABB UNITROL 5000勵磁系統滅磁開關誤動原因分析及改進措施

華能沁北發電有限責任公司 王銀明 魯英林 路平 吳偉

ABB UNITROL 5000勵磁系統滅磁開關誤動原因分析及改進措施

華能沁北發電有限責任公司 王銀明 魯英林 路平 吳偉

文中詳細論述了沁北電廠ABB UNITROL 5000勵磁系統在交流220V電壓串入機組控制直流系統時導致機組跳閘的分析處理過程，對滅磁開關的偷跳原因進行分析和試驗驗證,并實施了改進措施，該改進措施簡單易行、成本低廉、效果明顯，對同類型勵磁系統的安全運行和事故處理有較大的借鑒意義。

ABB UNITROL5000；勵磁系統；交直流串電；失磁保護；開關偷跳

引言

華能沁北電廠500kV開關場采用一個半斷路器全接線方式運行，發電機組為國產600MW超臨界燃煤發電機組，發電機出口設置有出口斷路器，機組勵磁系統采用瑞士ABB公司生產的Q5S-0/U251-S6000自并勵系統，UNITROL5000型勵磁調節器。

沁北電廠1號發電機由于交串入直流系統時滅磁開關偷跳造成失磁保護動作機組跳閘，該廠通過分析定位故障原因，快速恢復機組的運行，事后對該次事故深層次的原因進行分析和試驗驗證，提出了簡單易行的改進措施，對同型號勵磁系統的安全運行和事故處理有較大的借鑒意義。

1 事故前系統運行方式

沁北電廠1號、2號機組為國產600MW超臨界燃煤發電機組。鍋爐型號DG1900/25.4-Ⅱ型直流鍋爐，最大連續蒸發量為1900t/h；汽輪機型號CLN600-24.2/566/566型凝汽式汽輪機，額定出力為600MW；發電機型號QFSN-600-2YHG型三相同步發電機，額定功率為600MW，勵磁系統采用瑞士ABB有限公司生產的Q5S-0/ U251-S6000自并勵系統，額定輸出電流為4541A，頂值輸出電壓為1049V，勵磁電源取自機端三臺單相勵磁變壓器，容量為6000kVA,整流柜輸入電壓為893V；發電機出口裝設瑞士ABB生產的HEC7型斷路器，發電機出口電壓20kV，發電機出口斷路器額定電流24000A；設1臺容量為720MVA三相主變壓器，1臺50MVA分裂變作為高廠變、全廠共設1臺220kV/31.5MVA雙卷高壓事故備用停機變，廠內500kV配電裝置采用一個半斷路器接線，500kV使用北京ABB高壓開關設備有限公司的HPL500B2型斷路器， 500kV設出線2回。

沁北電廠發電機出線接線方式為發電機出口裝設出口斷路器，這種設置有很多優點：第一，利于變壓器和發電機保護單獨安裝調試；第二，簡化了繼電保護接線，發電機并網點設在發電機出口斷路器，發電機出口斷路器為三相機械聯動，不會發生非全相并網問題；第三，避免了由于汽機、鍋爐、發電機一些瞬時性問題和誤操作造成主變跳閘問題，事故后可以快速恢復機組運行；第四，在汽機、鍋爐、發電機故障時可以斷開出口斷路器而不用解列廠用電，避免了廠用電的切換過程和操作風險；第五，發電機組啟動過程廠用電由主變倒送電而來，減少了備用變容量和臺數。缺點是發電機出口斷路器投資較大，并且增加了一定的檢修工作量和故障概率。

表1 交流電線和直流電壓記錄

2 事故發生過程

2007年03月15日19時52分，沁北電廠1號發電機（國產600MW汽輪發電機組）跳閘，1號主變及廠用電系統運行正常（發電機出口有斷路器，在發電機跳閘后，主變依然可以帶廠用電繼續運行），繼電保護保護人員立即到電子設備間檢查發變組保護動作情況，保護裝置顯示發電機失磁保護Ⅱ段動作；檢查機組SOE記錄，滅磁開關先動作，然后發電機失磁保護動作；檢查發電機勵磁系統，就地控制屏有“091 FCB EXTERNAL OFF 143”（ 勵磁系統外部跳閘）信號，勵磁系統沒有別的異常記錄及信號；檢查1號機組故障錄波器，顯示滅磁開關先動作，然后失磁保護II段動作，機組跳閘。

3 檢查處理過程

根據以上信號判斷，發電機滅磁開關動作在先，失磁保護動作在后，繼電保護裝置動作正確。仔細檢查運行DCS畫面，發現110V直流系統絕緣檢測裝置有“直流接地”、“直流系統過壓”報警，就地直流檢測裝置有相應信號。對機組勵磁小室對勵磁系統進行檢查，聽到勵磁調節柜內有繼電器的振動聲，目視發現滅磁開關外部跳閘出口繼電器K03勵磁，指示燈常亮（表明收到外部送來的滅磁開關跳閘指令），滅磁開關外部跳閘出口繼電器K04間歇性（指示燈閃亮），用萬用表測量滅磁開關第一組控制回路正電源101、控制回路負電源102、跳閘回路133對地均有交流220V電壓；用萬用表測量第一組控制回路正電源101及跳閘回路133之間有直流110V電壓，表明滅磁開關沒有收到外部跳閘指令而自行跳閘。對直流系統進行檢查，發現有交流電源220V串入直流110V系統，對直流110V系統進行檢查，拉路尋找交流電源注入點，發現該交流220V信號來自輸煤直流分屏，逐步檢查在輸煤6kV系統＃7B皮帶機就地操作箱內轉換開關上找到短路點（該操作箱內有直流的事故按鈕回路及交流的拉繩、跑偏繼電器回路），由于該就地遠方操作轉換把手上有交流220V電源和直流110V電源，環境粉塵及潮濕影響，該把手已嚴重受潮有短路灼痕。將直流回路從其端子上解下，110V直流系統絕緣正常已無交流電壓，且正負極電壓平衡，直流系統恢復正常后，檢查勵磁系統繼電器K03（KO4）恢復正常，測試滅磁開關跳閘回路對地絕緣正常，測試滅磁開關跳閘回路之間絕緣正常，確認滅磁開關回路沒有其他問題。當交流220V串入直流110V系統，絕緣監測裝置會發“直流接地”、“直流系統過壓”報警。

表2 K03動作結果及端電壓記錄

4 機組事故跳閘原因分析

確認由于交流220V串入機組直流系統造成滅磁開關跳閘，發電機失磁保護動作，機組跳閘。滅磁開關跳閘回路并接電纜較多，其中發變組保護和控制臺急停按鈕跳滅磁開關。電纜比較長，分布電容達到一定程度，如果K03（4）繼電器動作功率不夠大，當直流正極（負極）串入220V交流電源時，因直流系統回路過大的電容影響，導致K03（4）繼電器動作，滅磁開關跳閘。

5 采取臨時防范措施

對輸煤系統所有皮帶機、碎煤機以及就地操作箱內直流回路全部拆除，取消就地操作回路。處理正常后申請調度同意，1號機組于03月15日23：10分并網運行。

6 機組臨停檢修期間驗證試驗

為了驗證分析原因的正確性和取得試驗數據，在1號機組臨停檢修期間對1號機勵磁調節器（ABB UNITROL 5000型數字勵磁調節器）滅磁開關跳閘回路做相應試驗，驗證控制電纜屏蔽層接地、跳閘回路二次電纜數量、繼電器動作功率對試驗記錄如下：

6.1 K03（K04）繼電器動作電壓及功率試驗。

拆除現場K03（K04）繼電器進行試驗室試驗，測得繼電器動作電壓：交流為134V，直流為60V。計算可得該繼電器直流動作功率為0.4W，交流動作功率為1.9W。

試驗結論：K03（第二組跳閘回線圈路為K04）繼電器動作功率小。

6.2 跳閘回路加入交流220V電源試驗。

用交流火線(AC220V)加至101Ⅰ(第一組跳閘正電源)，零線接地；依次拆掉跳閘線外回路二次電纜，K03(第一組跳閘繼電器)動作結果及繼電器線圈兩端測得的交流電壓和直流電壓記錄如表1。

試驗結論：跳閘回路接入電纜的數量越多，電纜越長，在交流(AC220V)串入直流系統情況下K03（K04）繼電器越容易動作。

6.3 滅磁開關跳閘回路二次電纜絕緣測試和屏蔽層接地后試驗。

滅磁開關8組跳閘回路電纜屏蔽層檢查（滅磁開關8組跳閘回路分別為：發變組保護A柜至勵磁調節柜2組，保護B柜至勵磁調節柜2組，保護E柜至勵磁調節柜2組，操作臺急停按鈕至勵磁調節柜2組）：其中6組發變組保護柜到勵磁系統跳閘回路電纜屏蔽層均已接地，另2組操作臺急停按鈕至勵磁調節柜電纜屏蔽層沒有接地，跳閘回路絕緣測試均大于20MΩ。

將試驗操作臺急停按鈕至勵磁調節柜2組跳閘線電纜屏蔽層全部接地后，用交流火線(AC220V)加至101Ⅰ(第一組跳閘正電源)，測得K03（第二組跳閘回線圈路為K04）繼電器動作電壓與以前測試值沒有多大變化。

試驗結論：部分二次電纜屏蔽層接地與否對在交流(AC220V)串入直流系統情況下K03（K04）繼電器動作情況影響很小。

6.4 繼電器K03線圈兩端并聯不同阻值的電阻，用交流火線(AC220V)加至101Ⅰ(第一組跳閘正電源)，零線接地；外回路完全恢復，K03動作結果及端電壓記錄如表2。

試驗結論：在交流220V電壓串入直流系統時：K03繼電器線圈兩端并聯電阻阻值越小 （電阻容量越大），繼電器線圈兩端的電壓越低，繼電器越不容易誤動作。當在繼電器兩端并聯電阻為500Ω時，在繼電器線圈兩端測得的電壓僅為交流2.8V ，直流電壓2.2V，繼電器不會動作。

綜合以上得出滅磁開關跳閘的真正原因：在交流220V電壓串入110V直流系統時，造成通過K03（K04）繼電器線圈和跳閘回路二次電纜對地電容的電流過大造成繼電器動作（抖動），接點接通，滅磁開關跳閘。

7 回路改造方案

鑒于現場情況：發變組保護屏柜與跳閘回路電纜長度及數量無法更改，二次電纜屏蔽層是否接地對交流串入直流系統使繼電器動作行為的影響有限。所以，計劃更換繼電器（或者對原繼電器改造以提高繼電器的動作功率）來消除回路對抗交直流回路串電對勵磁系統的影響。

由于對勵磁系統與外圍回路接口沒有明確要求，參照“《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》（試行）繼電保護專業重點實施要求”：變壓器與發變組保護，變壓器本體的氣體、壓力釋放、壓力突變、溫度和冷卻器全停等非電量保護，跳閘時宜采用就地跳閘方式，即通過安裝在開關場的、啟動功率不小于5W的中間繼電器的兩付接點，分別直接接入變壓器各側斷路器的跳閘回路，并將動作信號接至控制室；將滅磁開關跳閘繼電器K03（K04）回路動作功率增大，提高滅磁開關操作回路抗干擾性能。

根據ABB UNITROL5000勵磁系統調節柜內部實際情況和ABB廠家進行溝通，上海ABB工程有限公司不同意更換繼電器，且沒有提出有針對性的措施來防范交流串入直流滅磁開關跳閘的措施；該廠決定自行對勵磁系統滅磁開關跳閘回路K03（K04）繼電器線圈兩端并聯電阻進行增大功率改造。

繼電器K03(K04)線圈并接電阻的選擇：考慮保證抗干擾能力和保護跳閘繼電器接點斷弧能力，根據試驗結果，最終選取50W 1kΩ電阻（為保證可靠起見，使用兩只25W 2kΩ瓷管電阻并聯，當其中一只電阻斷線時，另一只電阻也可以滿足回路抗干擾要求），電阻可靠性高，不容易損壞，回路實施簡單。

K03（K04）繼電器線圈并接電阻對繼電器本身的動作電壓沒有影響，當外部交流電壓（電流）干擾較大時，通過并接的電阻分流，減少通過K03（4）繼電器線圈的交流電流，從而提高回路的動作功率，提高回路抗干擾能力。

回路改造完成后，依次分別在第一、第二組控制直流中加入交流220V電壓，K03（K04）繼電器沒有發生動作或抖動現象，測試K03（K04）繼電器線圈兩端電壓感應約為交流5.8V，距能夠造成繼電器抖動的電壓交流50.3V相去甚遠，驗證了改造的實際效果。為減少交流串入直流系統的風險，2008年對外圍設備增加一套單獨的直流系統（輸煤系統、脫硫系統控制電源原取自機組直流系統），將其與主機直流系統完全隔離。在#2機組檢修時，對#2機組勵磁系統滅磁開關兩組跳閘回路進行了相同的改進，運行多年來，一直運行正常。

8 結論

8.1 對于ABB UNITROL5000勵磁系統，在交流220V電壓串入直流110V系統時，滅磁開關會無外部跳閘命而跳閘，造成機組非計劃停運。

8.2 對于ABB UNITROL5000勵磁系統，在滅磁開關跳閘回路繼電器K03（K04）線圈兩端并接電阻（50W 1KΩ），可以有效避免交流220V電壓串入直流110V系統時時機組非停事故。

[1]王君亮.《同步發電機勵磁系統原理及維護》[M].北京：中國水利水電出版社,2010.

[2]竺士章.《發電機勵磁系統試驗》[M].北京：中國電力出版社,2005.

[3]劉取.《電力系統穩定性及發電機勵磁控制》[M].北京：中國電力出版社，2007.