發電機啟勵過程中出現定子電流的原因分析

姜春鵑　樊國強

摘 要：發電機定速至3000r/min，運行人員在DCS將進行合滅磁開關、啟勵升壓操作，在此過程中，應密切監視發電機定子電壓、定子電流、空載轉子電壓、空載轉子電流，注意與平時啟動時的差值應非常小，如大于10%則一定要進行分析，并找出發生異常的原因。在河曲電廠2017年4月2日1號機組在啟勵過程中通過監視，發現發電機定子電流異常增大，聯系電氣一次專業，了解到在機組檢修期間，進行了主變壓器繞組直流電阻試驗后，未去磁或去磁不徹底，導致變壓器鐵芯存在比較嚴重的剩磁。文中介紹了因剩磁的存在，引起發電機過激磁保護動作，出現定子電流異常增大并產生畸變波形。最后，提出了消除剩磁的方法和注意事項。

關鍵詞：啟勵；大容量變壓器剩磁；發電機過激磁；定子電流

中圖分類號：TM31 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）22-0132-03

隨著電力系統的不斷發展和單機容量的逐漸增大，在大機組的投運過程中，未免會出現一些新的問題。河曲電廠2017年4月2日1號機組在啟勵過程中定子電流異常增大現象。本文對這一問題進行分析，并提出解決方法。

1 神華國神河曲電廠發電機、主變壓器、勵磁系統概況

發電機采用東方電機股份有限公司生產的型號為QFSN–600–2–22B汽輪機直接拖動的隱極式、二極、三相同步發電機，水氫氫冷卻方式，發電機定子鐵芯是用相互絕緣的扇形片疊裝壓緊制成，扇形片采用高導磁低損耗的冷軋硅鋼片沖制而成。

勵磁采用ABB Unitrol 5000系統，勵磁調節器為靜止可控硅，機端自并勵勵磁方式。

發變組保護采用GE公司生產的G60發電機保護裝置和T35變壓器保護裝置，配置一套武漢中元華電科技公司的ZH-3B故障錄波裝置。

主變壓器采用保定天威電氣有限公司生產的型號為DFP-240000*3/500的戶外、雙繞組、強油風冷單相油浸電力變壓器。

發電機定子出線采用分相封閉母線與主變、高廠變、勵磁變相連，中間不設斷路器。

發電機技術參數

型式：全封閉、自通風、強制潤滑、水/氫氫冷卻、圓筒形轉子、同步交流隱極發電機

型號：QFSN-600-2-22B額定功率：600MW

額定容量：667MVA 額定端電壓：22kV

額定電流：17495A 功率因數：0.90滯后

短路比（保證值）：不小于0.58額定氫壓/最高氫壓：0.414 Mpa/0.45Mpa

效率（保證值）≥98.95%（在600MW、 0.9滯后功率因數時）

極數：2相數3 額定轉速：3000r/min

額定頻率：50Hz

冷卻方式：定子繞組：直接水冷；定、轉子鐵芯及轉子繞組：直接氫冷

絕緣等級定子繞組：F級；轉子繞組：F級

不平衡負載能力：8%（持續） I22·t（最大暫態值）：10

定子冷卻水進水溫度：45℃ 定子冷卻水出水溫度：≤85℃

冷卻后氫氣溫度：46℃

冷卻器進水溫度：對于氫冷器及定子水冷器均為最高33℃

定子繞組溫度極限：≤120℃層間溫差（最高值-平均值）：≤12℃

轉子繞組溫度極限：≤115℃定子端部結構件溫度極限：≤120℃

定子鐵芯溫度極限：≤120℃ 集電環溫度極限：≤120℃

氫氣純度：≥98% 氫氣消耗量：≤12m3/天

氫冷器容量：停用一只氫冷器時，發電機能在至少80%額定工況下運行而不過熱

定子外殼類型：雙層外殼轉子額定電壓：400.1V

轉子額定電流：4387.34A 轉子空載電壓：145V

轉子空載電流：1949A 勵磁方式：靜止可控硅機端自并勵

允許強勵時間：10s發電機噪音水平：離發電機外殼1米處≤90dB （絕對）

制造：東方電機股份有限公司

主變壓器技術參數

型式：戶外、雙繞組、強油風冷單相油浸變壓器

型號：DPF-240000/500 容量：3*240 MVA

額定電流：755.8/18896/√3 額定頻率：50Hz

效率：99.78% 負載損耗：413.3kW

空載損耗：Po≤110kW 空載電流：0.21%

調壓方式：無激磁調壓 中性點運行方式：直接死接地

調壓位置：外高壓繞組的末端 冷卻方式：ODAF

變比：550/√3-4×2.5%/22 kV 短路電壓：13.9%

聯接組別：Y，d11 制造廠：保定天威保變電氣股份有限公司

勵磁系統技術參數

型式：三相全控橋式可控硅自并勵靜止勵磁系統

型號：ABB UNITROL5000 Q5S-O/U251-S6000

自動通道調壓范圍：20%UG～110%UG 手動通道調壓范圍：10～110% 額定勵磁電流

調整偏差（精度）：0.5% AVR配置（通道）：2

頂值電壓倍數/強勵時間：2/10s 頂值電流倍數：2

響應時間：0.18s 整流方式：三相全控橋式

可控硅整流柜型式：密閉，強迫風冷 滅磁開關型式：直流側單斷口

滅磁開關型號：賽雪龍Secheron公司HPB60 UN4023a.VAR.523

滅磁開關額定電流：6000A 滅磁開關額定電壓：1800VDC

生產廠家：瑞士 ABBendprint

2 事件經過

2017年4月2日22：10：57，1號發電機啟動、合滅磁開關升壓過程中發電機定子電流較先前異常增大，在勵磁投入瞬間定子電流達到最大值，分別為A相電流6561A，B相電流8985A，C相電流7262A。同時，發變組保護A、D屏發電機G60保護裝置“發電機過激磁”保護報警，就地裝置面板報警燈亮，DCS報警，發變組故障錄波器啟動。隨即，檢修人員至就地進行檢查，查看故障錄波，調取保護裝置事件記錄，并分析確認保護裝置為正確動作。但是，調取歷次機組啟動時DCS錄波的數據看出，在正常方式啟動情況下，1號機組定子電流均在35A左右，從未出現發電機定子電流異常增大現象。

根據武漢中元廠家ZH-3B軟件對故障錄波圖進行分析，自動通過DFT修正法（即密度泛函方法）計算出發電機頻率，從而得出發電機過激磁曲線及倍數。從計算出的曲線可以很直觀的看出，發電機A相過激磁倍數為1.066倍，B相過激磁倍數為1.016倍，C相過激磁倍數為2.038倍，故障錄波器顯示為保護動作開關量啟動。

過激磁保護用于防止發電機、變壓器因過激磁而引起的危害。

對發電機而言，大容量發電機無論在設計和用材方面裕度都比較小，其工作磁密很接近飽和磁密。當由于調壓器故障或手動調壓時甩負荷或頻率下降等原因，使發電機產生過勵磁時，其后果非常嚴重，有可能造成發電機金屬部分的嚴重過熱，在極端情況下，能使局部矽鋼片很快熔化。

對變壓器而言，變壓器的過勵磁就是當變壓器在電壓升高或頻率降低時將造成工作磁通密度增加，使變壓器的鐵芯飽和。其產生的主要原因有：當電網因故解列后造成部分電網剛甩負荷而過電壓、鐵磁諧振過電壓、變壓器分接頭連接調整不當、長線路末端帶空載變壓器或其他誤操作等，這些情況都可能產生較高的電壓而引起變壓器過勵磁。其危害主要表現在：當變壓器運行電壓超過額定電壓的10%時，就會使變壓器鐵芯飽和，因飽和產生的漏磁將使箱殼等金屬構件渦流損耗增加，鐵損增大，造成鐵芯溫度升高，同時還會使漏磁通增強，使靠近鐵芯的繞組導線、油箱壁和其他金屬構件產生渦流損耗，使變壓器過熱，絕緣老化，影響變壓器壽命，嚴重時造成局部變形和損傷周圍的絕緣介質，有時甚至燒毀變壓器。一般避免變壓器過勵磁的方法主要有：（1）防止變壓器運行電壓過高，一般電壓越高，變壓器過勵磁情況越嚴重，允許運行的時間也就越短。（2）加裝過勵磁保護，根據變壓器特性曲線和不同的允許過勵磁倍數發出告警信號或切除變壓器。

查閱1號機發電機過激磁保護定值單，包括定時限過激磁保護和反時限過激磁保護。定時限保護設置一段，定值為1.06倍，3s，動作于信號；反時限保護按照既定的動作曲線動作于全停。根據DL/T 684-2012《大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則》中4.8.1規定，“發電機或變壓器過勵磁運行時，鐵芯發熱，漏磁增加，電流波形畸變，嚴重損壞發電機或變壓器安全。對于大容量機組，必須裝設過勵磁保護，整定值按發電機或變壓器過勵磁能力較低的要求整定。當發電機與主變壓器之間有斷路器時，應分別為發電機和變壓器配置過勵磁保護?！焙忧姀S1號機組容量600MW，為發-變組單元制接線，將選取發電機、變壓器過激磁能力低者來配置過激磁保護，并查閱發電機、變壓器制造廠提供的允許過勵磁曲線，發電機允許的過勵磁能力低于變壓器允許的過勵磁能力，定值將按照發電機允許的過勵磁能力進行整定。

查閱一期繼電保護定值整定計算書，定值整定原則正確，定值整定正確。在啟勵升壓過程中，發電機過激磁定時限保護動作報警燈亮，調取發電機G60保護裝置事件記錄，從SOE追憶中看出，發電機過激磁保護于22：11：14.24起動，22：11：17.24動作，22：11：17.40返回，與定值完全一致，保護動作正確。

3 原因分析及結論

從故障錄波圖中分析看出，在發電機啟勵過程中，發電機定子電壓三相幅值和波形正常，發電機定子電流異常增大，持續時間為17s，同時波形嚴重畸變并逐漸減小，且具有電流波形出現間斷、含有大量的高次諧波分量、含有很大成分的非周期分量，波形偏于時間軸一側等特點，與變壓器勵磁涌流波形特點一致，因此，從發電機定子電流波形特點不難判斷，受變壓器剩磁的影響，產生勵磁涌流，導致定子電流較平時異常增大。

同時，經與電氣高壓試驗人員了解得知，由于本次停機檢修時對1號機主變進行了絕緣電阻、直流泄漏電流、繞組及套管介質損耗、繞組直流電阻試驗，此試驗的目的是檢查繞組回路是否有短路、開路或接錯線，檢查繞組導線焊接點、引線套管及分接開關有無接觸不良。另外，還可核對繞組所用導線的規格是否符合設計要求。試驗過程中，選擇的電流值稍大、環境溫度較低、試驗完畢后不久就進行機組啟動，不利于變壓器剩磁的自衰減。并且，在變壓器做直流電阻測試后未去磁或去磁不徹底.主變壓器內有嚴重剩磁，而剩磁不會自動消失，導致合閘瞬間磁路飽和、勵磁涌流顯著增加，發電機過激磁定時限保護動作。

變壓器鐵芯為電感元件，由于剩磁的存在，使鐵芯更易飽和。變壓器繞組中的勵磁電流和磁通的關系由磁化特性所決定，鐵芯越飽和，產生一定的磁通所需的勵磁電流就越大。變壓器在最不利的合閘瞬間，鐵芯中的磁通密度可達最大值2Φm，這時鐵芯的飽和情況將非常嚴重，因而勵磁電流的數值大增，勵磁涌流比變壓器的空載電流大100倍左右，在不考慮繞組電阻的情況下，電流的峰值出現在合閘后半周的瞬間。但是，由于繞組具有電阻，這個電流是要隨時間衰減的。對于容量小的變壓器衰減得快，約幾個周波即達到穩定，大型變壓器衰減得慢，全部衰減持續時間可達幾十秒。

4 變壓器剩磁的消除方法、危害和啟機過程中注意事項

剩磁，它存在在發電機（定子、轉子）、變壓器的鐵芯里，這是由鐵磁材料的特性決定的，即鐵芯在充磁后，當外部磁場消失，鐵芯中仍會保留一部分磁通，這就是剩磁。一方面是變壓器在運行過程中，其內部會產生穩態磁通，當變壓器斷電切除時，由于回路磁通守恒，穩態磁通不會立即消失，而會保留一個與最末時刻穩態磁通大小相等、極性相同的剩磁；另一方面，由于鐵磁材料固有的磁滯現象，在對電力變壓器進行電壓變比、直流電阻測量等操作后同樣會在鐵芯中殘留剩磁。endprint

從理論上講，要對磁化了的鐵磁物質進行去磁，有兩種方法，一種是交流法，即應在線圈中通以逐漸衰減的交變電流。可以采用直接空載合閘、發變組零起升壓、外加交流空載消磁等方法，幾種方法各有利弊，河曲電廠曾在四臺機組主變分接頭調整完成，進行繞組直流電阻試驗后，采用發變組零起升壓方式進行過剩磁的消除，并將發電機空載去磁曲線與空載試驗曲線進行比較，可以看出，在兩次試驗，上升與回調曲線的幅值相差較大，去磁效果明顯。另一種是直流法，即反向沖擊法，在變壓器高壓繞組兩端正向、反向分別通入直流電流，并不斷減小，以縮小鐵心的磁滯回環，從而達到消除剩磁的目的。

大容量變壓器內剩磁無法進行現場測量，主要取決于變壓器繞組通過的直流電流強度和時間，特別是做直流電阻試驗，由于變壓器繞組容量大，充電時間長，電流大，剩磁較多，會對設備的安全穩定運行帶來一定的危害，主要表現在：（1）對繼電保護裝置的影響，主要是對變壓器瓦斯保護和差動保護的影響。a.空載充電時因為剩磁的原因導致勵磁涌流過大，產生較大的電動力，引起主變線圈、器身振動形成油流涌動，致使變壓器油液面波動大，可能導致重瓦斯保護動作，引起發變組非電量跳閘。b.受剩磁的影響，變壓器鐵芯飽和，變壓器空載投入時可能產生數值較大、二次諧波含量較低的勵磁涌流，甚至導致差動保護二次諧波制動閉鎖失效，變壓器差動保護誤動出口。（2）對一次設備的影響，變壓器漏磁增加、鐵芯發熱，同時，很大的勵磁涌流會導致變壓器及斷路器因電動力過大受損，誘發操作過電壓，損壞電氣設備，造成重大經濟損失。還會使發電機定子電流中含有大量的負序分量，在發電機氣隙中產生反向旋轉磁場，相對于轉子來說為兩倍的同步轉速，在轉子中會感應出100Hz的電流，導致轉子灼傷和振動。（3）對電網的影響，勵磁涌流中的大量諧波和非周期分量對電網電能質量造成嚴重的污染，造成電網電壓驟升或驟降，影響其他電氣設備正常運行。

在啟機過程中密切監視發電機參數，出現異常，可手動跳開滅磁開關，防止事故擴大。同時加強檢修人員技術培訓，認識到變壓器剩磁的危害性，進行電氣試驗前后一定要進行充分放電，來避免對設備造成損壞。

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