水轮发电机失磁保护动作的故障分析

牟 明

(吉林松江河水力发电有限责任公司，吉林 白山 134500)

水轮发电机失磁保护动作的故障分析

牟 明

(吉林松江河水力发电有限责任公司，吉林 白山 134500)

介绍了一起机组失磁保护动作的事故，从故障现象入手，对保护装置和励磁系统2个方面进行了分析，找出了事故最终原因为机组励磁调节器CPU故障，最后强调了励磁限制和失磁保护的配合关系对保证机组安全稳定运行的重要性。

励磁调节器；励磁限制；失磁保护；CPU故障

某水电站装有2台单机容量为80 MW的水轮发电机组，发变组配置了双套WFB-800系列微机保护装置。励磁调节器型号为GEC-300，采用双套配置。运行时，1套主用，另1套备用，2套并列运行，完全独立。当主用发生故障时，励磁调节器自动切换为备用。

1 故障现象

19：00，网调令2号机开机，有功功率80 MW，无功功率6 Mvar。

19：03，2号机出口开关6412与系统并列。

19：38，中控室故障警铃响，模拟屏上2号机“电气事故”、“机械事故”、“机械故障”光字牌亮；上位机先后出现如下报警信息：“2号机发变组保护故障”、“2号机励磁调节器退出(PLC令)”、“2号机停机联跳断路器6412”、“2号机冗余机电源消失”、“2号机电调故障”、“2号机励磁过压”、“2号机调速器故障”、“2号机紧急停机动作”、“2号机启动紧急停机电磁阀”及“2号机115 %Ne”报警。

19：39，运行人员就地检查发现2号机旁发变组保护屏上有“低励失磁保护t1动作”、“低励失磁保护t2动作”报警；常规机械保护屏JP9上“机组电气事故信号继电器42XJ”掉牌；2号机电调屏JP2有“冗余机大故障”、“冗余机小故障”及“调速器故障” 报警；励磁调节器屏LP1有“欠励”报警、“欠励限制”报警；2号机灭磁开关屏LP5有“过电压动作”报警；机调柜内紧急停机电磁阀动作。

19：41，监视2号机停机过程，待机组转速降至20 %Ne时，手动投风闸将机组停至稳态。

19：50，对2号机发变组一次电气部分进行全面检查，未发现有短路接地痕迹；对2号机励磁调节器及出口PT(电压互感器)，CT(电流互感器)的一、二次部分也进行了全面检查，未发现异常现象。

2 原因分析

通过查看系统故障录波电压，发现当时系统电压没有突变，与调度人员沟通后了解到当时电网稳定无故障。因此，可以排除由系统原因导致2号机励磁调节器欠励引起失磁保护动作。下面从保护装置和励磁系统2个方面进行分析。

2.1 失磁保护动作报告分析

在此次事故之前，2号机组发变组故障录波因故障退出运行，无法读取事故时的相关数据。下面从保护装置的失磁保护逻辑原理进行分析，如图1所示。

图1 失磁保护逻辑原理

该保护采用的动作判据有静稳扇形Z元件和定子过电流元件、励磁低电压Ufd元件以及系统三相低电压Ut元件。静稳扇形Z元件和定子过电流元件用于判别失磁后的发电机机端测量阻抗是否越过其阻抗平面上的静稳极限；引入励磁低电压Ufd元件用于判断在发电机失磁时其励磁电压及励磁电流是否下降；引入系统三相低电压Ut元件用于防止当发电机失磁后系统电压严重低于允许值，避免系统失去稳定。

发电机低励失磁保护定值如表1所示。由2套WFB-800装置的第1套及第2套保护动作报告可知(见表2，3)：当失磁保护动作时，机端线电压约为80 V，定子线电流约为7.7 A，电压及电流三相平衡，相位正确，且电流超前电压39°，系统电压约为104 V。而2号机正常带额定负荷运行时，保护装置采集到的相关参数数值(见表4)显示：机端线电压约为96 V，定子线电流约为5 A，且电压超前电流为3°。由此可见：在失磁保护动作时刻，机组处于进相39°运行状态，且机端线电压由正常运行时的96 V降至80 V，定子线电流约由正常运行时的5 A增至7.7 A，系统电压约由105 V降至104 V，此时机组处于失磁运行状态，机端测量阻抗为10.4∠-39° Ω，位于静稳定阻抗圆内，机端电压低于闭锁值，开放闭锁条件，满足失磁保护动作出口条件。

表1 发电机低励失磁保护定值

表2 第1套发电机失磁保护动作报告数据

综合上述情况分析，可以得出：该保护装置检测到2号机处于失磁运行状态，并且动作切除运行，为失磁保护正确动作。

表3 第2套发电机失磁保护动作报告数据

表4 2号机带负载时低励失磁保护实时数据

2.2 励磁系统低励限制动作原因分析

工作人员通过后台数据分析发现，在失磁保护动作的前2 s内，机组无功功率从正常的6 Mvar先突变至16 Mvar，最高值为32 Mvar，又在1 s内下降至-56 Mvar，属于严重进相。对励磁调节器检查后，工作人员发现故障原因为A套CPU故障，这是由于励磁调节装置运行时不断向脉冲发生装置内写入脉冲触发角度。事故时，作为主用的A套励磁调节器的CPU瞬时故障，程序运行死机。在程序死机时，向脉冲发生装置输出一个很小角度或者触发角度为0°的信息。由于程序已死机，不再向脉冲发生装置输入触发角度，因此脉冲发生装置保存的触发角度一直是程序死机前输入的很小角度，所以A套可控硅整流桥一直处于全开放状态，导致发电机电压持续上升。

B套调节装置按照电压闭环计算，随着电压上升，向脉冲发生器输出的触发角度也不断增大。由于可控硅整流桥在0°～90°是整流状态，大于90°后开始进入逆变状态。在整流阶段，励磁电流不断增加，无功功率从正常的6 Mvar先突变至16 Mvar，最高值为32 Mvar；进入逆变阶段后，励磁电流不断减小，调节系统开始减磁，无功功率一直下降到-56 Mvar，调节器装置开始出现“欠励报警”、“欠励限制”报警，发电机阻抗进入到失磁保护动作阻抗圆内，经1 s后，满足失磁保护动作停机的条件。

3 结束语

发电机组失磁是极为严重的故障，因此励磁系统均配有备用通道、故障监测及自动切换系统等保护措施。在正常情况下，一般不会造成发电机失磁的事故。一旦出现失磁现象，说明励磁系统已发生较严重的故障，多个通道或检测系统均已不能正常工作。另外，要充分考虑机组运行时最大的进相深度，合理设置机组励磁限制与相关保护的整定参数，确保机组低励限制应先于失磁保护动作，只有在低励限制失效的情况下，机组失磁保护才动作。

1 葛元宝.发电机失磁保护和励磁调节器低励限制之间的配合问题[J].安徽电力，2006(9).

2 阳春华.更换主励刷误碰正负两极导致失磁保护动作停机[J].电力安全技术，2011(11).

2014-01-14。

牟 明(1983-)，男，助理工程师，主要从事水电厂运行工作，email：mumingmm@163.com。