燃機發電機過激磁保護動作跳閘事故分析及處理

姜志慧，王耀坤

(珠海市鈺海電力有限公司，廣東 珠海 519055)

1 設備概況

國內某燃氣-蒸汽聯合循環電廠采用S209FA機組，為1套780 MW級“二拖一”燃氣-蒸汽聯合循環供熱機組，其配置為2臺PG9351FA燃氣輪機發電機(以下簡稱燃機)、2臺余熱鍋爐、1臺汽輪發電機。燃機發電機為配合變頻啟動模式需要，出口電壓互感器(PT)采用一次側中性點不接地方式運行；汽輪發電機出口PT一次側為國內常規直接接地方式，燃機發電機保護采用美國GE公司G60，T60和C60微機保護。

2 G60裝置過激磁保護誤動過程描述

2016年6月12日，#2燃機負荷184.0 MW，#3汽機負荷95.4 MW，總負荷約280.0 MW，熱網供熱負荷80 GJ/h，#1燃機備用，機組自動發電控制(AGC)投運。

00：23：00，#2發電機勵磁電壓263.0 V，勵磁電流906 A，無功功率28 MV·A，發電機出口電壓15.4 kV，功率因數0.98，勵磁溫度40.7 ℃，網頻50.01 Hz。

00：24：00，#2發電機突然解列，發電機出口802開關跳閘，汽機運行正常。就地檢查發現，發電機A套G60保護裝置無跳閘報警信號，B套G60保護裝置報“過激磁保護動作”跳閘信號；#2燃機MARK VI報警：“EX2K TRIP”(勵磁系統跳閘)、“EX AND GEN BREAKER TRIP VIA 86G-2B”(B套保護動作勵磁和發電機斷路器跳閘)、“EX AND GEN BREAKER TRIP VIA 86G-2A”(A套保護動作勵磁和發電機斷路器跳閘)、“GENERATOR BREAKER TRIPED”(發電機出口斷路器跳閘)；NCS報警：AGC退出；DCS光字牌報警：“#2發電機出口開關802跳閘”；勵磁小間面板報警：44 TRIP TRIP VIA LOCKOUT(86)(發電機保護聯跳)。

00：25：00汽機調門關，快減負荷，值長聯系熱調退出熱網；00：33：00經調度同意后停#2燃機、#3汽機，汽機轉速下降，油系統聯啟正常；01：17：00汽機轉速至0 r/min，盤車投入正常。

3 G60裝置過激磁保護誤動過程原因分析

3.1 故障錄波圖分析

(1)調取B套G60保護發電機出口電壓故障時波形如圖1所示。

(2)A套G60保護裝置未出口，據內部邏輯設置未啟動錄波。

(3)調取#2發電機變壓器組(以下簡稱發變組)故障錄波器波形，PT取自發電機出口斷路器主變壓器側，波形未發生畸變。

(4)調取#2燃機勵磁系統報告，因勵磁調節器采用線電壓，不同于過激磁保護采用的相電壓，其三次諧波分量已被濾除，不能證明相電壓是否平衡。

進一步分析，該廠發電機出口配置兩組PT裝置，分別供A套、B套G60保護使用，同時也供給勵磁調節器使用。對B套G60裝置故障時錄波圖(圖1)進行分析，可以看出相電壓波形有明顯畸變，而線電壓波形圖正常，結合G60過激磁保護采用相電壓進行計算，勵磁調節器采用線電壓進行計算，可以解釋雖然G60保護裝置和勵磁調節器采用同一組PT的同一線圈，卻只有G60裝置過激磁保護動作，而勵磁調節器過激磁保護未啟動(動作)。

圖1 B套G60過激磁保護動作相電壓和線電壓波形

在當前機端PT一次中性點不接地運行方式下，經過幾年運行后，B套G60所采用的三相PT特性存在差異，在PT二次側(星接、中性點接地)相電壓產生三次諧波，且中性點偏移，當某相電壓偏高導致基波及三次諧波疊加引起過激磁保護動作(取最高相電壓)時，因勵磁調節器過勵磁保護采用線電壓計算，其三次諧波分量已被濾除，保護未啟動[1]。

3.2 故障錄波分析結論

(1)錄波圖(圖1)顯示保護裝置感受到的波形有嚴重畸變，在此種情況下，保護裝置是否能夠正確動作，需通過試驗確認(確認保護裝置的正確性)。

(2)00：20：17過激磁保護啟動(1.06 p.u.)，至00：20：27保護動作(定值10 s)；再從00:22:35過激磁反時限段啟動(1.09 p.u.)，到00:24:40保護動作出口，整個“故障”過程經歷了4 min而且是發展的，最初并未達到反時限動作定值。

(3)分析機組故障錄波器錄取波形，并未產生畸變。兩組波形取自不同PT，采用不同廠家的產品。而故障時刻從分散控制系統(DCS)、MARK VI、發電機A套保護均不能看到波形。對于出現波形不一致的情況，作者一致認為發電機無故障情況存在。對發電機出口PT的波形存在疑點，應對該組PT及其二次回路進行檢查。

3.3 保護裝置采樣檢查及結論

(1)標準波形下保護裝置的測試。6月12日凌晨對#2燃機發電機A套、B套G60保護裝置進行交流采樣精度試驗、過激磁保護告警定值試驗以及過激磁反時限保護傳動試驗均正常。

(2)確認過激磁保護采用相電壓還是線電壓試驗。6月15日對保護進行單相加電壓試驗，達到1.09倍定值動作；相間加電壓，達到1.09倍定值動作。證實過激磁保護所取電壓為相電壓，且實際采樣值達到定值時保護能夠正常啟動并動作出口。

(3)模擬故障波形測試。6月16日進行故障時波形回放試驗。將故障時B套G60保護裝置所錄取的波形外加至A，B兩套G60保護裝置，保護裝置均動作出口。

3.4 電壓互感器及二次回路檢查情況及結論

(1)B套G60保護用PT檢查及試驗。6月12日對發電機出口PT進行檢查，外觀未見異常。當晚將B套保護用PT拆下，6月13日將PT送電科院進行單體檢查試驗，15：00：00完成全部7項交接試驗項目，試驗結果未見異常。

(2)PT二次回路檢查。6月12日檢查保護裝置二次回路，核對接線，未見異常。6月15日在發電機PT端子箱上拆除四組PT二次回路上的接地點，搖測絕緣合格，并確認為唯一接地點。

(3)#1燃機PT二次錄波。因#1，#2燃機發電機出口PT接線方式一致，均為一次中性點不接地方式，且通過對以前裝置記錄的檢查，發現同樣有過激磁保護報警段(1.06 p.u.，10 s)動作情況。故6月15—19日對#1燃機發電機出口PT進行連續錄波，在錄波波形中發現持續的三次諧波分量(約7%)，但未抓到#2燃機跳閘時嚴重畸變的波形。

(4)PT二次回路經檢查未發現異常，電纜屏蔽層一點接地，屏蔽可靠，且電纜單獨使用，接入保護盤端子排，連接可靠，受外部干擾的可能性較小。

(5)PT單體試驗合格，但因一次中性點不接地，其均衡度不同，會在PT二次側(星接、中性點接地)相電壓產生三次諧波，同時中性點偏移，某相電壓偏高，存在因基波及三次諧波疊加下引起過激磁保護動作(取最高相電壓)的可能[2]。

(6)在對#1燃機發電機保護用PT連續測試期間，保護裝置未出現報警信息，確認保護裝置計算值未達到過激磁保護報警值(1.06 p.u.)。

3.5 G60裝置過激磁保護誤動過程原因分析結論

此次G60過激磁保護動作跳機事件發生后，經過一系列全面試驗及檢查，未發現一次設備存在過激磁現象，一次PT經試驗檢查參數特性均良好，經空載試驗錄波確認PT一次中性點不接地運行雖有電壓不均衡現象，但不會到達過激磁保護動作值。在檢查設備的同時，還發現G60過激磁保護原理上存在缺陷，即相/線電壓的不可選擇性，會導致發電機單相接地故障時過激磁保護誤動。所以，本次故障為一次由設計缺陷和燃機固有運行特性引起的過激磁保護誤動作。

4 G60裝置過激磁保護誤動處理方案

4.1 方案的制定及選擇

針對本次過激磁保護動作因PT一次側中性點不接地運行方式，在三相PT特性一致性出現大的偏移時，二次側相電壓發生畸變，導致發電機過激磁保護動作，追根溯源，提出以下4種解決方案。

方案1：將機端PT一次側中性點接地。增設一程控快速接地開關，在機組3 000 r/min定速后，使發電機機端PT一次側中性點以接地方式運行。此方案能夠有效避免發電機機端PT一次側中性點不接地時出現的相電壓不平衡現象，從而在根本上避免此類事故再次發生。

方案2：更換PT。將現B套G60保護所用PT更換為特性一致性更好的PT。此方案采購PT周期較長，且更換后無法保證特性一致性，費用較高。

方案3：修改保護計算方法。將G60保護的過激勵保護計算源由原來的相電壓改為線電壓，可避免由于保護裝置計算方式有可能導致的此類事故再次發生，但目前GE公司保護裝置不具備此種修改功能，不具備可行性。

方案4：吸收諧波含量，矯正波形。對保護動作時波形進行分析，發現三次諧波含量多達6%，從而導致波形畸變，相電壓不平衡，通過在PT二次側并入100 V/100 V、容量為50 V·A的消諧小PT，可有效抑制三次諧波含量，對波形進行矯正，避免過激磁保護因相電壓不平衡而動作。此方案易于實施、周期短且成本低。

綜合對比上述4種解決方案，最終選取方案4實施。保護用PT二次側加裝消諧小PT功能如圖2所示。

圖2 保護用PT二次側加裝消諧小PT功能示意

4.2 方案驗證

按方案4在B套G60保護用PT二次側加裝消諧小PT，啟機做空載試驗，錄取機端電壓波形進行分析驗證。在消諧小PT未投入時，機端相電壓不平衡度高達9.88%((61.253 5-55.746 8)/55.746 8×100%=9.88%)，C相三次諧波含量高達6.45%(如圖3所示)；消諧小PT投入后，相電壓不平衡度不足1.00%，且三次諧波分量也小至1.00%(如圖4所示)。由此可見，加裝消諧小PT后，能有效抑制因PT一次側中性點不接地和PT特性差異導致二次電壓含有大量三次諧波引起電壓不平衡現象的發生[3]。

圖3 消諧小PT投入前機端電壓波形

圖4 消諧小PT投入后機端電壓

5 結論

對燃機發電機G60保護裝置過激磁保護動作原因進行分析，找到動作原因后，通過增加消諧小PT的方法，較好地消除了二次電壓中的諧波分量，在最優費用條件下，避免了類似問題再次發生，完善了保護功能。在后期對保護裝置軟件進行升級使過激磁保護采用線電壓進行計算，徹底解決了此問題。