勵磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)子過電壓檢測回路引起的故障分析

李誠帥， 浦曉君， 吳方元， 羅海冰

(1. 河南恩湃高科集團(tuán)有限公司， 鄭州 450002；2. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240)

勵磁系統(tǒng)與電力系統(tǒng)穩(wěn)定有著密切的關(guān)系，在維持發(fā)電機電壓、系統(tǒng)故障時電壓快速恢復(fù)、提高電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性等方面發(fā)揮重要作用[1-2]。勵磁系統(tǒng)中設(shè)置轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)裝置，用于保護(hù)運行中的發(fā)電機和相連設(shè)備免遭非允許的過電壓危害。在過電壓倍數(shù)很高的情況下，保護(hù)的跳閘命令可以快速切除相關(guān)設(shè)備；在過電壓倍數(shù)不高的情況下，保護(hù)的跳閘命令延時較長，讓電壓自動裝置有機會將電壓調(diào)整到正常運行水平。過電壓產(chǎn)生的因素很多，可能由于手工誤操作勵磁系統(tǒng)、電壓自動調(diào)節(jié)裝置的誤動作、發(fā)電機甩負(fù)荷及將發(fā)電機從電網(wǎng)中解列而產(chǎn)生，也可能在發(fā)電機脫離電網(wǎng)單獨運行時產(chǎn)生。轉(zhuǎn)子過電壓檢測回路用于判斷識別過電壓因素及過電壓情況的嚴(yán)重程度，檢測回路工作正常是轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)裝置動作正確的前提。一旦發(fā)生轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)誤動，可能造成機組強迫停運或電力供應(yīng)中斷，給發(fā)電企業(yè)的正常運行帶來較大影響。筆者采用理論研究和現(xiàn)場驗證的方法，分析了一起機組出線單相接地故障恢復(fù)過程中勵磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)回路存在一定問題導(dǎo)致的非正常停機事故案例，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施及建議。

1　機組參數(shù)及轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)

1.1 機組參數(shù)

某電廠300 MW火電機組發(fā)電機型號為QFSN-300-2-20，勵磁系統(tǒng)采用帶有主勵磁機和副勵磁機的三機方式，勵磁調(diào)節(jié)器型號為Unitrol 6080，相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1　發(fā)電機及勵磁機技術(shù)參數(shù)

1.2 轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)原理

轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)的基本電路及原理是1組正反向并聯(lián)的可控硅串聯(lián)1個放電電阻后再并聯(lián)在勵磁繞組兩端，當(dāng)可控硅的觸發(fā)器電路檢測到轉(zhuǎn)子過電壓后，立即發(fā)出觸發(fā)脈沖使可控硅導(dǎo)通，利用放電電阻吸收過電壓能量[3]。

目前，在大型發(fā)電機組上，普遍使用的轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)裝置是跨接器(Crowbar)。對于Unitrol 6080勵磁系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)裝置主要由跨接器、觸發(fā)回路、轉(zhuǎn)子過電壓檢測元件轉(zhuǎn)折二極管(BOD)、電流繼電器及滅磁電阻等組成(見圖1)。當(dāng)發(fā)電機機端出現(xiàn)如短路、非同期并列或異步運行故障時，會在發(fā)電機轉(zhuǎn)子上感應(yīng)出磁場電流并在轉(zhuǎn)子回路中產(chǎn)生過電壓，當(dāng)過電壓值達(dá)到BOD的動作閾值時，該裝置檢測轉(zhuǎn)子回路中的正向和反向過電壓，觸發(fā)導(dǎo)通相應(yīng)的可控硅將滅磁電阻并聯(lián)到轉(zhuǎn)子兩端，同時通過電流檢測啟動磁場開關(guān)瞬時跳閘[4]。K1、K2、K3分別接入不同的跳閘信號(保護(hù)動作、滅磁開關(guān)跳閘、勵磁調(diào)節(jié)器故障)，在跳閘信號動作時導(dǎo)通V1、V2，將R02接入轉(zhuǎn)子兩端。正常運行時，如果出現(xiàn)超過A02板定值的過電壓時，A02板將導(dǎo)通V1或V2，使R02接入轉(zhuǎn)子兩端[5]。

V1—正向可控硅；V2—反向可控硅；A02—轉(zhuǎn)子過壓感應(yīng)板；R02—非線性滅磁電阻。

2　故障情況

2016年1月23日，該機組正常運行，發(fā)電機有功功率300 MW，無功功率160 MV·A，轉(zhuǎn)子電壓404 V，轉(zhuǎn)子電流2 030 A，主勵磁機定子電流105 A，副勵磁機定子電壓202 V，勵磁調(diào)節(jié)器(AVR)輸出電壓(主勵磁機轉(zhuǎn)子電壓)49 V。

15：03：18， 分布式控制系統(tǒng)(DCS)報警信號發(fā)“故障錄波器啟動”、“發(fā)電機失磁保護(hù)動作”、“4A/4B快切裝置動作”。

隨后發(fā)電機跳閘，汽輪機聯(lián)跳，鍋爐主燃料跳閘(MFT)； 6 kV廠用電切換正常。

15：39：00，機組轉(zhuǎn)速到零，盤車投入正常。

2.1 檢查發(fā)變組保護(hù)柜

故障錄波器記錄整理如下：

(1) 15：03：10.764外部電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生波動，主變高壓側(cè)中性點零序電流增至0.21 kA，發(fā)電機C相電壓降低約5%，故障持續(xù)72.8 ms。

(2) 勵磁系統(tǒng)跟隨增勵磁，主勵磁機的轉(zhuǎn)子電流升高至1.67倍額定值(額定電流135 A)。

(3) 72.8 ms后，故障消失，電壓恢復(fù)，勵磁調(diào)節(jié)器快速減勵磁，快速減勵磁過程中主勵磁機轉(zhuǎn)子過壓保護(hù)動作。

(4) 102 ms后，調(diào)節(jié)器發(fā)出“AVR內(nèi)部故障”信號，726 ms后勵磁調(diào)節(jié)器出口滅磁開關(guān)Q02跳開，4.537 s后發(fā)電機失磁保護(hù)動作，5.062 s后發(fā)電機主開關(guān)跳閘，機組停機。

調(diào)取發(fā)變組故障錄波圖(見圖2)，可以查到事故發(fā)生后500 ms，失磁保護(hù)1段動作，定值和動作時間均正確。但是，滅磁開關(guān)分開前，先是主勵磁機轉(zhuǎn)子上出現(xiàn)了反向電壓，隨后AVR裝置故障信號發(fā)出，故需要重點檢查勵磁系統(tǒng)相關(guān)回路。

圖2　發(fā)變組故障錄波圖

2.2 檢查勵磁調(diào)節(jié)柜

(1) 勵磁調(diào)節(jié)器柜內(nèi)設(shè)備檢查，未發(fā)現(xiàn)二次接線有絕緣損壞、發(fā)熱、異味等現(xiàn)象。

(2) 勵磁調(diào)節(jié)器跨接器接線和可控硅檢查未見異常。

(3) 調(diào)閱并整理勵磁調(diào)節(jié)器事件記錄見表2。

表2　勵磁調(diào)節(jié)器事件記錄

由表2可見跳閘的直接原因是Crowbar過電壓保護(hù)動作。重點檢查Crowbar過電壓保護(hù)回路。

2.3 檢查轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)回路

(1) BOD元件檢測。動作電壓2 605.5 V，BOD元件功能正常。

(2) 電流互感器(T02)元件檢測。節(jié)點1、2動作值69 A，節(jié)點3、4動作值73 A，誤差屬于正常范圍，未發(fā)現(xiàn)異常。

(3) 跨接器硅堆元件檢測。 對跨接器硅堆中兩個可控硅施加600 V耐壓時的漏電流均為0.14 mA，屬于正常范圍，未發(fā)現(xiàn)異常。

(4) 跨接器K1、K2繼電器檢查。勵磁調(diào)節(jié)器正常運行時，K1繼電器不動作，狀態(tài)正常；K2繼電器在動作位置，狀態(tài)不正常。

(5) 滅磁開關(guān)輔助觸點檢查。拆開設(shè)備上的輔助觸點觀察，發(fā)現(xiàn)觸點31、32、34有過流燒壞的跡象(見圖3)。觸點31為公共點，正常情況下觸點31、32為常閉點，觸點31、34為常開點。燒壞后無論滅磁開關(guān)處于合或分狀態(tài)，觸點31、32一直是閉合狀態(tài)，觸點31、34一直是常開狀態(tài)，不會有任何變化。初步判斷：滅磁開關(guān)輔助接點沒能正常切換是造成K2繼電器動作的原因。

圖3　損壞的滅磁開關(guān)輔助觸點照片

3　原因分析

3.1 轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)邏輯

與轉(zhuǎn)子過電壓裝置硬件回路對應(yīng)有轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)軟件邏輯，其邏輯框圖見圖4。

圖4　過電壓保護(hù)邏輯框圖

信號Rel Rotor Slip可選擇跨接器是否能再觸發(fā)，現(xiàn)場AVR裝置參數(shù)該信號沒有選擇，即于邏輯中為0。當(dāng)機組在并網(wǎng)運行時(Field Breaker is Closed)，若由于某些原因使得跨接器硅堆中的可控硅觸發(fā)導(dǎo)通(例如主勵磁機轉(zhuǎn)子電壓因故障升高至AVR裝置過電壓保護(hù)定值，BOD元件會被轉(zhuǎn)折使跨接器硅堆中的可控硅V1導(dǎo)通)，此時主勵磁機轉(zhuǎn)子、跨接器可控硅、滅磁電阻會形成一個回路，主勵磁機轉(zhuǎn)子上的電流通過該回路續(xù)流。電流繼電器檢測到跨接器回路上的電流大于保護(hù)定值后，其觸點1、2會吸合，使正向負(fù)向電流過大(Positive or Negative Current Flow)信號發(fā)出，若100 ms之后該信號仍存在，即主勵磁機轉(zhuǎn)子電壓仍大于過電壓保護(hù)定值，且沒有外部跳閘信號(External Trip)，就會產(chǎn)生“過電壓故障”信號，AVR裝置會發(fā)一個跳閘指令，使滅磁開關(guān)跳開并進(jìn)行滅磁指令。

3.2 滅磁開關(guān)輔助觸點分析

滅磁開關(guān)Q02輔助觸點的型號為AUX-C 3Q1SY-Cable 250VAC/DCT4/6，其容量為0.3 A(110 V)，常開常閉共用公共端。滅磁開關(guān)正常閉合時，觸點31、32由閉合變?yōu)閿嚅_，觸點31、34由斷開變?yōu)殚]合。當(dāng)AVR裝置發(fā)出分滅磁開關(guān)指令(繼電器K280吸合)時，由于二跳線圈的阻值只有140 Ω左右且是一個純電感元件，回路電壓110 V，輔助觸點在斷開的一瞬間會產(chǎn)生很大的過電壓，燒壞該對觸點，導(dǎo)致觸點31、32貼合后無法斷開，不能正確動作(見圖5中虛線)。

圖5　觸發(fā)K2繼電器導(dǎo)通的滅磁開關(guān)輔助接點

3.3 電流繼電器的觸點分析

AVR裝置的電流繼電器T02型號是1.1/4 kV/2 kV，有1、2和3、4共兩對常開觸點，動作定值為40 A。機組在運行過程中，若電流繼電器檢測到跨接器回路中有大于40 A的電流存在，其觸點1、2及觸點3、4會同時吸合。觸點1、2吸合后，若經(jīng)過100 ms該觸點仍處于吸合狀態(tài)，AVR裝置就會發(fā)出“過電壓故障”；但同時一旦觸點3、4吸合，不會有任何時間的延遲，圖5中的分閘繼電器K200就會動作去分滅磁開關(guān)，并發(fā)出AVR裝置內(nèi)部故障信號。此硬件回路設(shè)計與第3.1節(jié)中所述的軟件邏輯設(shè)計存在不一致的問題。而事實上，在雙通道勵磁系統(tǒng)中，并不需要設(shè)計此硬件回路。圖6給出了故障發(fā)生時滅磁開關(guān)分閘動作時序，滅磁開關(guān)分開前，先是主勵磁機轉(zhuǎn)子上出現(xiàn)了反向電壓，隨后T02的3、4觸點動作，分閘繼電器K200動作分滅磁開關(guān)，并發(fā)出AVR裝置內(nèi)部故障信號。

圖6　滅磁開關(guān)分閘動作時序

3.4 綜合分析

跨接器過電壓保護(hù)動作的原因是Q02開關(guān)輔助接點沒能正常切換，造成跨接器滅磁用K2繼電器一直處在動作狀態(tài)，對應(yīng)的可控硅門極一直接受到觸發(fā)信號，一旦給該可控硅施加正向電壓，上負(fù)下正V2就會導(dǎo)通，使得主勵磁機轉(zhuǎn)子、跨接器可控硅、滅磁電阻形成了一個回路。

當(dāng)外部電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生波動，勵磁系統(tǒng)跟隨增勵磁，系統(tǒng)故障消失后，勵磁調(diào)節(jié)器快速減磁時產(chǎn)生反向電壓，V2導(dǎo)通引起跨接器T02繼電器動作，勵磁調(diào)節(jié)器“AVR內(nèi)部故障”，Q02開關(guān)跳閘，發(fā)電機失磁。

Q02開關(guān)跳閘2回路采用的輔助接點容量不夠。由于調(diào)試和試驗過程Q02開關(guān)跳閘2回路會多次接通，流過輔助接點電流引起輔助接點動觸頭變形，造成Q02開關(guān)跳閘2用輔助接點不能夠正常切換。

綜合以上分析，該機組跳機的直接原因是轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)動作，根本原因是滅磁開關(guān)輔助接點過流黏合，轉(zhuǎn)子過電壓硬件回路存在設(shè)計缺陷問題。

4　改進(jìn)措施

針對此跳機事件，提出以下改進(jìn)措施及建議：

(1) 將電流繼電器T02的觸點3、4接線解除，暫不參與跳閘，保留觸點1、2參與過電壓故障報警。

(2) 更換滅磁開關(guān)輔助接點，鑒于該繼電器參與跳閘邏輯且存在常開常閉共用公共端的現(xiàn)象，建議將繼電器改用獨立的輔助接點，確保分合閘回路的可靠性。

(3) 在機組大修期間對跨接器進(jìn)行檢測，包括觸發(fā)板、BOD、電流互感器等，并對滅磁開關(guān)輔助觸點進(jìn)行重點測試。

(4) 制定備件儲備定額，定額數(shù)量宜不少于10%，包括但不限于滅磁電阻及轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)組件[6]。

(5) 加強運行巡檢與設(shè)備點檢，及時發(fā)現(xiàn)與控制事故隱患。

(6) 對繼電保護(hù)與勵磁系統(tǒng)間的配合關(guān)系進(jìn)行認(rèn)真梳理，對不合理的部分及時修改，確保機組安全運行。

5　結(jié)語

轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)是對發(fā)電機設(shè)備的重要保護(hù)措施，關(guān)系到機組的安全穩(wěn)定運行，但在系統(tǒng)投運后發(fā)電企業(yè)對該保護(hù)硬件回路及軟件邏輯的關(guān)注度不高。筆者針對此次跳機事件以Unitrol 6080勵磁系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子過電壓裝置為例進(jìn)行了分析，并提出了防范措施與建議，以期對于采用同類型勵磁調(diào)節(jié)器的發(fā)電企業(yè)防止類似事件發(fā)生起到一定的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

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[4]王君亮. 同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)原理與運行維護(hù)[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2010.

[5]李大公,熊尚峰,洪權(quán),等. 轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)的有關(guān)問題分析[J]. 湖南電力, 2013, 33(2): 31-34.

[6]國家發(fā)展和改革委員會. 大中型水輪發(fā)電機自并勵勵磁系統(tǒng)及裝置運行和檢修規(guī)程: DL/T 491—2008[S]. 北京: 中國電力出版社, 2008.