一起燃機(jī)誤上電保護(hù)動作案例分析

紀(jì)虎軍 趙俊杰 張 灝 楊 昭

一起燃機(jī)誤上電保護(hù)動作案例分析

紀(jì)虎軍1趙俊杰2張 灝2楊 昭2

（1. 東莞深能源樟洋電力有限公司，廣東 東莞 523637； 2. 西安熱工研究院有限公司，西安 710054）

南方某電廠6號機(jī)組在整套起動過程中發(fā)生“誤上電”保護(hù)動作。本文通過對其保護(hù)動作數(shù)據(jù)、動作過程、故障波形進(jìn)行分析，得出故障及動作原因，對該機(jī)組的電氣控制系統(tǒng)如何避免“誤上電”誤動作提出改進(jìn)措施，并驗(yàn)證了改進(jìn)措施的有效性。

燃機(jī)；誤上電；誤動作；同期

0 引言

在發(fā)電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)或已起動但未同步并網(wǎng)時(shí)，如果并網(wǎng)斷路器不受控突然合閘，會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)遭受非常嚴(yán)重的損壞。此時(shí)的發(fā)電機(jī)如同一臺異步電動機(jī)，在轉(zhuǎn)差很大的情況下起動，會在轉(zhuǎn)子回路中感應(yīng)出超出允許值的大電流，最終可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子損壞，甚至破壞電力系統(tǒng)穩(wěn)定。

1 事故前概況

某電廠6號機(jī)組為9F級燃機(jī)，該機(jī)組為日起停調(diào)峰機(jī)組。機(jī)組以發(fā)電機(jī)-變壓器組接線接入220kV升壓站，設(shè)置發(fā)電機(jī)出口開關(guān)（generator circuit breaker, GCB）和主變高壓開關(guān)（high voltage circuit breaker, HVCB）兩個(gè)同期點(diǎn)。事故發(fā)生前機(jī)組已經(jīng)通過GCB完成了首次并網(wǎng)。根據(jù)電網(wǎng)下發(fā)的起動方案，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定后，需要拉開HVCB，對HVCB同期點(diǎn)進(jìn)行假同期試驗(yàn)以驗(yàn)證同期回路的正確性。最后機(jī)組經(jīng)HVCB與電網(wǎng)第二次并列。執(zhí)行時(shí)在拉開HVCB后，機(jī)組因高壓管道法蘭漏氣停機(jī)，發(fā)電機(jī)解列，燃機(jī)控制系統(tǒng)（turbine control system, TCS）順控停機(jī)分GCB，主變失電。

2 事故過程

搶修結(jié)束后，計(jì)劃先通過同期裝置的雙側(cè)無壓合閘功能合GCB，然后發(fā)電機(jī)帶主變零起升壓，再對HVCB進(jìn)行假同期試驗(yàn)。過程中在合上GCB后，發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)閉鎖，機(jī)組無法起勵(lì)。經(jīng)與勵(lì)磁廠家溝通，確認(rèn)GCB已合閘，勵(lì)磁系統(tǒng)將閉鎖起勵(lì)。分析邏輯后，決定在機(jī)組起勵(lì)后通過同期裝置的單側(cè)無壓合閘功能給主變反充電，再對HVCB進(jìn)行假同期試驗(yàn)。

在通過同期裝置單側(cè)無壓合閘功能合GCB對主變反充電時(shí)，發(fā)電機(jī)“誤上電”保護(hù)動作，跳GCB、跳靜止變頻裝置（static frequency converter, SFC）、跳滅磁開關(guān)、停燃機(jī)。

3 事故處理及分析過程

3.1 誤上電保護(hù)動作分析

事故發(fā)生后，檢查發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置、GCB本體、發(fā)電機(jī)本體、機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)、發(fā)變組故障錄波系統(tǒng)，調(diào)取錄波、保護(hù)動作記錄。

發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置定值，發(fā)電機(jī)誤上電保護(hù)定值見表1。

表1 發(fā)電機(jī)誤上電保護(hù)定值

經(jīng)查看保護(hù)裝置報(bào)文及錄波，初步判斷發(fā)電機(jī)保護(hù)中的誤上電動作正確。本機(jī)組裝置采用南瑞繼保PCS—985BG發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置，版本3.0，發(fā)電機(jī)誤上電保護(hù)邏輯如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)誤上電保護(hù)邏輯

如圖1所示，誤上電保護(hù)可認(rèn)為是一個(gè)主判據(jù)加三個(gè)輔助判據(jù)。這四個(gè)判據(jù)組合對應(yīng)發(fā)電機(jī)各種誤上電工況[1]。特別地，本版本中斷路器位置輔助判據(jù)加發(fā)電機(jī)過電流判據(jù)可以應(yīng)對非同期工況[2-3]。各種誤上電工況及動作邏輯在各文獻(xiàn)及廠家說明書里已經(jīng)有比較詳細(xì)的說明及分析[4]，在此不再復(fù)述。

事故發(fā)生后，調(diào)取發(fā)電機(jī)保護(hù)A柜裝置錄波記錄，保護(hù)動作時(shí)序如下：

10:51:22.4467，發(fā)電機(jī)出口斷路器分位消失。

10:51:22.4750，發(fā)電機(jī)誤上電保護(hù)啟動。

10:51:22.4900，發(fā)電機(jī)負(fù)序過負(fù)荷保護(hù)啟動。

10:51:22.6750，發(fā)電機(jī)誤上電保護(hù)動作。

10:51:22.6997，發(fā)電機(jī)保護(hù)動作開入。

10:51:22.7523，發(fā)電機(jī)出口斷路器分閘位置。

10:51:23.1158，發(fā)電機(jī)負(fù)序過負(fù)荷返回。

發(fā)電機(jī)保護(hù)B柜保護(hù)裝置波形記錄與發(fā)電機(jī)保護(hù)A柜保護(hù)裝置波形時(shí)間記錄基本一致。發(fā)電機(jī)保護(hù)A柜保護(hù)錄波波形如圖2所示。

圖2 發(fā)電機(jī)保護(hù)A柜保護(hù)錄波波形

發(fā)電機(jī)保護(hù)A柜保護(hù)裝置所錄波形顯示誤上電保護(hù)啟動時(shí)，發(fā)電機(jī)定子A相電流為1.39A，B相電流為1.48A，C相電流為0.4A，其中A、B相電流大于誤上電保護(hù)動作電流值op，發(fā)電機(jī)誤上電保護(hù)啟動。誤上電保護(hù)經(jīng)0.2s延時(shí)后動作出口，此時(shí)發(fā)電機(jī)定子A相電流為1.29A，B相電流為1.38A，C相電流為0.39A，其中A、B相電流仍大于誤上電保護(hù)動作電流定值op，保護(hù)動作正確。

調(diào)取發(fā)變組故障錄波波形，對事故發(fā)生時(shí)發(fā)電機(jī)機(jī)端電流、發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電流、主變低壓側(cè)電流、廠變高、低壓側(cè)電流進(jìn)行檢查分析。波形顯示誤上電保護(hù)啟動時(shí)發(fā)電機(jī)定子中正序電流0.81A、負(fù)序電流0.77A、主變低壓側(cè)電流0.80A、廠變高壓側(cè)電流0.18A。發(fā)電機(jī)負(fù)序過負(fù)荷保護(hù)定值為0.57A，這解釋了發(fā)電機(jī)負(fù)序過負(fù)荷保護(hù)啟動的原因。各處電流均未超過額定值。經(jīng)檢查一次設(shè)備確認(rèn)，此次保護(hù)動作未對設(shè)備造成傷害。

3.2 動作原因分析

對故障錄波系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)及機(jī)端電流波形進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)端及中性點(diǎn)電流波形均偏向時(shí)間軸一側(cè)，且有間斷角，初步認(rèn)定此電流為勵(lì)磁涌流[5]。

為進(jìn)一步確認(rèn)此電流是否為勵(lì)磁涌流，對誤上電保護(hù)動作時(shí)的發(fā)電機(jī)機(jī)端電流諧波含量進(jìn)行分析，發(fā)電機(jī)機(jī)端各次諧波含量對比如圖3所示，發(fā)電機(jī)機(jī)端電流諧波含量見表2。

圖3 發(fā)電機(jī)機(jī)端各次諧波含量對比

表2 發(fā)電機(jī)機(jī)端電流諧波含量

由圖3與表2可見，故障錄波波形顯示，在發(fā)電機(jī)出口斷路器合上之后，機(jī)端電流諧波主要表現(xiàn)為2次諧波，A相2次諧波在保護(hù)啟動至出口期間一直在55%～60%之間，B相2次諧波在保護(hù)啟動未出口期間一直在47%～51%之間。

以上幾點(diǎn)符合勵(lì)磁涌流波形的特征，為典型的勵(lì)磁涌流波形[6]。變壓器勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生機(jī)理是基于電感線圈遵循磁鏈?zhǔn)睾阍恚磁c電感線圈交鏈的磁通不能突變。波形顯示發(fā)電機(jī)機(jī)端及中性點(diǎn)二次電流峰值為4.47A，為主變低壓側(cè)二次額定峰值電流的0.76倍。勵(lì)磁涌流與電源電壓大小、合閘初相位、系統(tǒng)等值阻抗、剩磁大小和方向等因素有關(guān)[7]。

同期裝置單側(cè)無壓合閘功能只能判斷主變側(cè)無壓狀態(tài)，并不能通過控制合閘角度來減小主變空載合閘時(shí)的勵(lì)磁涌流。在GCB合閘時(shí)，涌流超過了誤上電保護(hù)動作定值，導(dǎo)致此次誤上電保護(hù)動作。

4 改進(jìn)措施的分析及驗(yàn)證

事故處理完成后，對發(fā)電機(jī)保護(hù)定值、勵(lì)磁啟動邏輯、TCS起勵(lì)邏輯等進(jìn)行梳理分析。

4.1 發(fā)電機(jī)保護(hù)定值

PCS—985BG誤上電保護(hù)采用低頻低電壓過電流原理。相關(guān)規(guī)程中關(guān)于此原理規(guī)定為：以誤上電時(shí)應(yīng)可靠啟動為條件，動作電流應(yīng)為誤上電最小電流的50%，一般可整定為（0.3～0.8）n[8-9]。根據(jù)各廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)此動作電流定值一般設(shè)為0.5n。

對發(fā)電機(jī)反充主變進(jìn)行簡單仿真，仿真模型如圖4所示。

圖4 簡單的發(fā)電機(jī)反充主變仿真模型

圖4的仿真模型設(shè)置主變、廠高變鐵心剩磁為0.9倍額定磁鏈。發(fā)電機(jī)反充主變仿真結(jié)果如圖5所示，涌流峰值最大可接近9kA。

圖5 發(fā)電機(jī)反充主變仿真結(jié)果

主變反充電時(shí)，勵(lì)磁涌流會在發(fā)電機(jī)定子中產(chǎn)生很大的負(fù)序電流，可能會對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子造成損傷。故不采取發(fā)電機(jī)反充主變方式并網(wǎng)，也應(yīng)避免發(fā)電機(jī)反充主變。

另考慮到誤上電啟動電流需躲過同期裝置最大電壓差并網(wǎng)時(shí)的沖擊電流，故調(diào)整誤上電啟動電流至0.5n。該定值滿足規(guī)程對誤上電保護(hù)定值的規(guī)定[8-9]。

4.2 抑制涌流措施

為盡可能地減小主變沖擊時(shí)勵(lì)磁涌流的幅值，應(yīng)在主變預(yù)試后對主變進(jìn)行退磁或者其他抑制涌流的處理[10-11]。用GCB作為同期點(diǎn)時(shí)，主變由220kV母線倒送，主變高壓側(cè)采用SID—3YL涌流抑制器來抑制涌流，表3為五次主變沖擊時(shí)涌流倍數(shù)，可以看出該裝置的涌流抑制效果較好。用HVCB作為同期點(diǎn)時(shí)，經(jīng)對勵(lì)磁起勵(lì)邏輯進(jìn)行修改，發(fā)電機(jī)可帶主變零起升壓后與電網(wǎng)并列，故發(fā)電機(jī)低壓側(cè)不需要抑制涌流的措施。

表3 主變沖擊時(shí)涌流倍數(shù)

4.3 勵(lì)磁系統(tǒng)邏輯

該電廠設(shè)置機(jī)端斷路器GCB和主變高壓側(cè)HVCB兩個(gè)同期點(diǎn)，各控制系統(tǒng)應(yīng)滿足任一開關(guān)作為同期點(diǎn)進(jìn)行并網(wǎng)。勵(lì)磁系統(tǒng)雖然采樣HVCB和GCB的節(jié)點(diǎn)來判斷機(jī)組是否在并網(wǎng)狀態(tài)，但是其邏輯起勵(lì)的允許條件為GCB必須在分位，并未考慮發(fā)電機(jī)帶主變零起升壓通過HVCB并列的情況[12]。

經(jīng)與廠家討論，勵(lì)磁系統(tǒng)邏輯中增加發(fā)電機(jī)帶主變零起升壓工況，將勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)允許條件中的GCB分位條件改為HVCB或GCB在分位即可起勵(lì)，修改后的勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)邏輯如圖6所示。

圖6 修改后的勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)邏輯

4.4 燃機(jī)控制系統(tǒng)中的起勵(lì)邏輯

檢查TCS中有關(guān)勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)指令允許邏輯，該指令的允許條件中需GCB分位且HVCB合位。TCS起勵(lì)允許邏輯中同樣沒有考慮發(fā)電機(jī)帶主變零起升壓通過HVCB并列的情況。經(jīng)與設(shè)計(jì)院討論，在該邏輯中刪除GCB和HVCB位置條件。修改后的TCS起勵(lì)允許邏輯如圖7所示。

4.5 效果驗(yàn)證

根據(jù)以上分析，對勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)邏輯及TCS中的允許起勵(lì)邏輯進(jìn)行修改，另考慮到并網(wǎng)時(shí)的沖擊電流，調(diào)整誤上電保護(hù)的啟動電流值。修改邏輯后進(jìn)行發(fā)電機(jī)帶主變零起升壓。11:15，發(fā)電機(jī)帶主變零起升壓波形如圖8所示。

圖7 修改后的TCS起勵(lì)允許邏輯

圖8 發(fā)電機(jī)帶主變零起升壓波形

在整個(gè)升壓過程中，發(fā)電機(jī)定子中涌流最大為0.05A，幾乎為零，其他參數(shù)無異常，表明機(jī)組帶主變零起升壓通過HVCB并列是安全可行的。

13:26，6號機(jī)組經(jīng)HVCB并網(wǎng)，沖擊電流為1 712.00A，并網(wǎng)后發(fā)電機(jī)有功功率為23.45MW，其他設(shè)備無異常。

5 結(jié)論

本文介紹了一起誤上電保護(hù)動作事故及其分析過程，提出了幾個(gè)預(yù)防措施及改進(jìn)建議，對修改后的邏輯進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)帶主變零起升壓。修改后的機(jī)組可任選GCB和HVCB作為同期點(diǎn)進(jìn)行并網(wǎng)，并網(wǎng)方式更加靈活，保證了機(jī)組的良性運(yùn)行。

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Case analysis of a gas turbine inadvertent energization protection action

JI Hujun1ZHAO Junjie2ZHANG Hao2YANG Zhao2

(1. Dongguan Shenzhen Energy Zhangyang Power Co., Ltd, Dongguan, Guangdong 523637; 2. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd, Xi’an 710054)

The protection action of “inadvertent energization” occurred in the whole starting process of the No.6 unit of a power plant in South China. In this paper, through analyzing the data of its protection action, the process of action and the fault waveform, the fault and the cause of action are obtained. The improvement measures for the electrical control system of the unit and how to avoid the wrong operation of “inadvertent energization” are put forward, and the effectiveness of the improvement measures is verified.

gas turbine; inadvertent energization; false action; synchronization

2021-04-16

2021-04-28

紀(jì)虎軍（1983—），男，廣東深圳人，本科，工程師，主要從事發(fā)電廠電氣技術(shù)管理工作。