基于運行現(xiàn)場的發(fā)電機組異常分析

王立華

（國家能源費縣發(fā)電有限公司，山東 臨沂273425）

在分析生產(chǎn)實際問題中，運行人員應(yīng)積極發(fā)揮業(yè)務(wù)特長。作為運行人員，筆者曾及時解決過現(xiàn)場的幾類發(fā)電機組異常。本文也以此為基礎(chǔ)，就如何分析異常，總結(jié)規(guī)律。

某廠1 號、3 號發(fā)電機組額定功率均為300MW，額定電壓20kV，額定電流10189A，裝設(shè)常規(guī)發(fā)電機保護，配置有永磁副勵磁機的發(fā)電機交流勵磁機系統(tǒng)（見圖），通過監(jiān)視主勵磁機的勵磁參數(shù)反映勵磁系統(tǒng)的運行狀態(tài)，其空載勵磁電流57A，空載勵磁電壓3.84V。

1 發(fā)電機異常案例分析

1.1 發(fā)電機電壓表指示有誤，影響并網(wǎng)10 個小時

2001 年10 月6 日，1 號機組多次并網(wǎng)操作中，自動同期裝置均不能輸出合閘信號，導(dǎo)致10 個小時不能并網(wǎng)；并伴隨過激磁V/HZ 保護動作報警,但發(fā)電機電壓表計指示為20kV、空載頻率指示50HZ，均為額定值。期間，電氣維修人員對自動同期裝置、AVR 系統(tǒng)、并網(wǎng)TV 二次電壓輸出、各測量回路、電氣保護及邏輯、并網(wǎng)斷路器及其操作回路等進行了全面排查，未發(fā)現(xiàn)異常。

當了解上述情況后，立即建議更換發(fā)電機20kV 電壓表。措施采納后，發(fā)電機很快并網(wǎng)成功。即在不到10 分鐘內(nèi)解決了10個小時不能并網(wǎng)的重大事件。異常的正確判斷，是由一組數(shù)據(jù)開始的。當時，發(fā)電機出口電壓及主勵磁機空載勵磁電流、勵磁電壓表指示分別為20kV、60.5A、4.05V。在正常空載額定運行時，由于定子鐵芯磁通未進入磁飽和狀態(tài)，上述三個特性數(shù)據(jù)相互之間應(yīng)為線性比例（或接近線性比例）關(guān)系，而當時這種對應(yīng)關(guān)系實際發(fā)生了一點偏差。即勵磁參數(shù)60.5A、4.05V 之間呈現(xiàn)對應(yīng)關(guān)系，而勵磁參數(shù)60.5A、4.05V 與發(fā)電機出口電壓20kV之間均不能比例對應(yīng)。并且主勵磁機空載勵磁電流、勵磁電壓已大于額定空載數(shù)值（57A、3.84V）5%左右，而發(fā)電機電壓為20kV，等于額定值。

由此可判斷：既然勵磁參數(shù)之間符合比例關(guān)系，那么主勵磁機 空載勵磁電流、勵磁電壓表應(yīng)判斷為指示準確；而由發(fā)電機電壓與空載勵磁電流、勵磁電壓均不成比例，且已校驗其傳感器輸出正常，可初步判斷發(fā)電機電壓表表頭指示有誤，即偏小。這是此次異常分析的關(guān)鍵。因勵磁參數(shù)已超過空載值，雖然發(fā)電機電壓表計指示相對偏小，但實際開入同期裝置的電壓量可能已偏大，并超出允許范圍，這同時可由V/HZ 保護報警證實，并由此保護動作閉鎖了自動同期裝置，所以機組不能并網(wǎng)。并網(wǎng)時，操作及技術(shù)人員疏忽了主勵磁機空載勵磁電流、勵磁電壓與發(fā)電機電壓數(shù)值的線性對應(yīng)關(guān)系，過度依賴指示有誤的發(fā)電機電壓表，為滿足電機出口額定為20kV 電壓的并網(wǎng)條件，過度升高了勵磁參數(shù)，使發(fā)電機實際電壓超出范圍而不能實現(xiàn)并網(wǎng)。根據(jù)多年經(jīng)驗，每次并網(wǎng)發(fā)電機電壓達20kV 時，受各種因素的影響，空載勵磁電流及勵磁電壓與其額定值總有一點偏移，這是造成疏忽的主要原因。另外，該機組電氣表采用美國GE 公司產(chǎn)品，投產(chǎn)10 多年，從未發(fā)生差錯，這也是本次并網(wǎng)異常未能及時正確分析的原因之一。

根據(jù)上述分析，現(xiàn)場更換了電壓表，實際發(fā)電機電壓已超過21kV，證明判斷正確，也就及時解決了此次并網(wǎng)異常。

1.2 發(fā)電機差動保護兩次誤動

故此，縮短了事故處理的時間或避免了300MW 機組的再次誤跳閘。

1.3 線路短路引起發(fā)電機低頻保護誤動

2000 年10 月，距離該廠約18 km 處某變電站1 條新建220kV 線路第1 次空載充電時，發(fā)生三相金屬性永久短路事故。引起新投運的該廠3 號機3 套低頻保護動作，造成該機組跳閘一次。當時，某些技術(shù)人員認為短路發(fā)生后，發(fā)電機定子電流瞬間增大幾倍，即輸出變大，應(yīng)判斷低頻保護動作正確。而本人提出了相反的觀點：低頻保護屬于誤動，應(yīng)進行校驗；否則，不能投入運行。分析如下：

當高壓線路發(fā)生三相金屬性短路時，必將產(chǎn)生發(fā)電機暫態(tài)穩(wěn)定問題。由于本區(qū)域電壓突降，發(fā)電機電磁有功很難送出，而原動機的機械轉(zhuǎn)矩又一時降不下來，因而作用到轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩將失去平衡，使發(fā)電機轉(zhuǎn)子開始加速，甚至導(dǎo)致滑極失步，由隱極發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩公式可得：

式中M——發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩；m——相數(shù)（為3）；E——發(fā)電機定子繞組勵磁電勢；U——電網(wǎng)電壓；

ω——發(fā)電機機械角速度；X——發(fā)電機與系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)電抗；δ——發(fā)電機運行中的功率角。

短路發(fā)生瞬間，高壓母線電壓U 很低（事故殘壓），根據(jù)式上述公式，此時發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩M 接近于零（即發(fā)電機有功功率很小），而汽機拖動轉(zhuǎn)矩又基本不變，于是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩過剩。在過剩轉(zhuǎn)矩的作用下，發(fā)電機開始加速，其功率角δ 不斷增大。但此次短路故障中，在很短的時間內(nèi)（不到100ms）就切除了該故障線路（重合閘停用，且手合于故障線路時閉鎖本裝置）。當故障點隔離、電壓恢復(fù)后，發(fā)電機功角曲線與故障前一樣。由于發(fā)電機δ 角已經(jīng)變大，使發(fā)電機輸出電磁功率大于原動機功率，轉(zhuǎn)子開始減速。在綜合正阻尼力矩的作用下，轉(zhuǎn)子消耗能量后，發(fā)電機最終將穩(wěn)定在功角曲線原δ 角對應(yīng)點運行，即機組恢復(fù)到該線路充電前的運行狀態(tài)。

在發(fā)電機從突然短路的最初次暫態(tài)到暫態(tài)過程的衰減及快速切除故障的整個過程中，發(fā)電機為同步振蕩狀態(tài)，頻率應(yīng)不變。故此次短路故障時，3 號發(fā)電機低頻保護（此保護電壓回路接自發(fā)電機定子繞組出口20 kV 電壓互感器）不應(yīng)動作，即3 套低頻保護動作均屬于誤動。后來對這3 套保護各做了3 次現(xiàn)場模擬實驗，證實了上述判斷的正確性。

由于及時提出低頻保護屬于誤動的分析，避免了保護裝置再次誤投入和今后機組的再次誤跳閘。

2 結(jié)論

2.1 分析異常，掌握發(fā)電機、電網(wǎng)及保護等運行原理是快速解決問題的基礎(chǔ)。例如1.1 事例中，發(fā)電機電壓與勵磁參數(shù)應(yīng)成比例對應(yīng)關(guān)系；1.2 事例中，運用差動保護原理判斷其回路有短接線；1.3 事例中，運用發(fā)電機與網(wǎng)絡(luò)運行原理相結(jié)合進行低頻保護動作行為分析。這都是正確實踐原理分析的結(jié)果。

2.2 分析異常，掌握事故報警之間、狀態(tài)參數(shù)之間、電氣一次、二次系統(tǒng)之間，以及報警與參數(shù)之間應(yīng)具有內(nèi)在聯(lián)系性或其邏輯性等，并運用正確的方法，即能快速判斷出故障點或原因。這是解決問題的關(guān)鍵。1.1 事例中，由勵磁參數(shù)60.5A、4.05V與發(fā)電機20kV 之間均未呈現(xiàn)對應(yīng)關(guān)系，應(yīng)初步判斷發(fā)電機電壓表計指示有誤，因為勵磁參數(shù)兩個表計同時指示有誤的幾率很小；1.2 事例中，發(fā)電機能承受額定電壓，并能帶一定負載運行，可初步判定發(fā)電機一次回路確無短路等故障，問題應(yīng)在保護回路；1.3 事例中，由一次系統(tǒng)（發(fā)電機）應(yīng)為同步振蕩狀態(tài)，從而可判斷低頻保護繼電器誤動。上述就是在掌握了所有的事故報警、狀態(tài)等信息后，利用他們之間的內(nèi)在關(guān)系，并應(yīng)用歸納、演繹和排除法等手段，逐步縮小分析范圍的成功案例。

2.3 分析異常，運行人員要有豐富的現(xiàn)場經(jīng)驗并掌握主要的數(shù)據(jù)，是快速判斷問題的前提。1.1 事例中，判斷發(fā)現(xiàn)空載勵磁參數(shù)超出正常空載范圍；1.2 事例中，及時發(fā)現(xiàn)發(fā)電機跳閘瞬間定子一次電流與差動保護二次定值相對應(yīng)，且差動回路的短接線可能在TA 端子箱內(nèi)。這都說明熟悉設(shè)備主要數(shù)據(jù)以及具有現(xiàn)場經(jīng)驗對快速分析問題的重要性。

2.4 分析異常，電氣運行更具有系統(tǒng)性、整體性的特長，更有利于對復(fù)雜或原因不明的事件的判斷處理。運行涉及電氣一、二次系統(tǒng)，要求掌握發(fā)電機、網(wǎng)絡(luò)及保護等所有設(shè)備運行原理，故整體性強。而電氣檢修專業(yè)一般分電機、配電、保護、儀表、試驗等工種，并相對獨立，缺乏系統(tǒng)性，但其對相應(yīng)的設(shè)備結(jié)構(gòu)等較為熟悉。事故分析中，運行一方面應(yīng)積極發(fā)揮業(yè)務(wù)優(yōu)勢，另外應(yīng)與檢修檢查結(jié)果相互結(jié)合，可快速查找原因。例如1.1 事例中，分析結(jié)論為發(fā)電機電壓表的表頭指示有誤，這是建立在維修人員已校驗其傳感器以及自動同期裝置、AVR 裝置等正常的基礎(chǔ)上做出的；1.3 事例中，通過對發(fā)電機與網(wǎng)絡(luò)一次系統(tǒng)的暫態(tài)分析，進而判斷二次保護動作行為等。這都體現(xiàn)了電氣運行人員系統(tǒng)性、整體性強的客觀優(yōu)勢。

2.5 分析異常，應(yīng)充分發(fā)揮運行人員是異常現(xiàn)象的直接感受者及在線性強的優(yōu)勢，對快速得出結(jié)論很有幫助。一般生產(chǎn)現(xiàn)場發(fā)生事故而停運后，具體的原因排查過多依賴于檢修專業(yè)，而對運行要求則側(cè)重于安全停機或防止事故擴大等方面。事實上，檢修專業(yè)因工種較多，相對缺乏系統(tǒng)性和整體性，若運行與檢修互相配合，發(fā)揮其在線優(yōu)勢，有的放矢，可提高處理事故的效率。同時,也提高了電氣分析能力，對保障日常安全運行也很有幫助。