大型水轮发电机组励磁试验失磁事故保护拒动分析

2017-08-30姬鹏程

中国设备工程 2017年16期

关键词：低电压过流励磁

姬鹏程

（四川大唐国际甘孜水电开发有限公司，四川康定 626001）

大型水轮发电机组励磁试验失磁事故保护拒动分析

姬鹏程

（四川大唐国际甘孜水电开发有限公司，四川康定 626001）

某水电站进行机组网源参数整改试验，试验过程中误整定设定参数，导致机组非停、主变压器高压侧断路器开关跳闸，暴露出失磁保护判据的不完善，本文主要简述失磁保护拒动所带来的影响。

网源参数整改试验；误整定；失磁II段拒动；绝对值

某水电站发变组采取的接线方式为：单元接线方式；母线采取：双母线分段接线方式，某日某发电机组发电态，其余发电机组备用态，1号至5号主变正常运行，500kVⅠ母、Ⅱ母合环运行，两条出线正常运行，某发电机所带负荷为：P=252．539MW，Q= -5．339Mvar，主变负荷情况为：P=250．58MW，Q= -35．512Mvar，在进行网源参数整改试验时引起机组跳闸非停。

1 事故简述

某院及某水电站相关技术人员在进行机组网源参数整改试验过程中对最大励磁电流限制Ⅰ段定值进行修改，某技术人员误将定值由115%修改成了2．1%（本应改为2．1PU），并立即启用，而后发电机发出异响，9．5秒后，主变压器高压侧断路器开关跳闸、发电机出口断路器开关跳闸、高厂变低压侧断路器开关跳闸、机组灭磁开关跳闸、发电机组全停。

2 事故原因

某技术人员修改最大励磁Ⅰ段限制值由试验参数值1．15倍（设置值115%）恢复至原参数值2．1倍（设置值210%）时，未经其他试验人员复核确认，误将115%修改为2．1%并立即启用，致使励磁调节器很快调整到逆变区运行，励磁电流突降至426．2A，转子电压迅速转为负电压约-400V左右，发电机失磁，持续时间约3．1s，失磁保护II段未动作，机组未能及时解列，进入异步加速状态，异步加速状态持续约3．3s，机组进入稳定异步状态，机组无功进相最大至-506．056Mvar，机组定子绕组电流最大至30578A，主变复压过流保护动作、发电机复压过流保护动作，启动事故停机流程。

3 失磁保护拒动

3.1 失磁保护整定及动作条件

失磁保护Ⅰ段：投信号；动作条件：满足阻抗判据，延时1．5s。失磁保护Ⅱ段：投跳闸（其出口方式为：发电机出口开关断开、跳灭磁开关）；动作条件：同时满足阻抗定值、机端低电压（85Vp-p）、转子低电压小于127．2V、无功反向判据，延时1秒。

3.2 失磁保护整定计算（图1）

图1

定子侧判据：静稳极限阻抗圆+无功反向判据。

失磁保护逻辑简单的说就是阻抗判据条件满足，延时1．5秒，发信；阻抗判据及转子低电压条件都满足，延时1．0秒，切机。

3.3 失磁保护据动分析

当时动作情况为：发电机失磁Ⅰ段报警，失磁保护Ⅱ段未动作。

查看故障录波记录可知，在误整定并立即启用励磁定值后，发电机迅速失磁进入逆变工况，转子电压在60ms内从+180V快速下降。对发电机综合量保护录波及励磁变电压、电流导通角度关系进行分析，此时转子电压约为-400V；故障录波器采用4～20mA变送器，不能显示负值电压，均显示为接近0V；此状态从误整定并立即启用的0时刻起持续约3秒，在此期间发电机机端电流迅速增加，发电机机端电压快速降低，在900毫秒时，满足失磁保护中的阻抗判据和机端低电压判据，经过1．5秒失磁保护I段告警。

失磁保护II段受转子低电压判据约束，此时转子低电压为-400V左右，本应满足判据条件（即Uf＜-127．2V），但实际上并未动作。经过现场多次试验验证（见表1）并会同所用保护装置生产厂家进一步核实确认，发电机所采用的保护装置中失磁保护II段，转子低电压判据取绝对值，并不区分正负关系，而逆变工况下的转子电压小于-127．2V，取绝对值后反而不满足判据，导致失磁保护II段没有及时动作（拒动），经过3秒后，此时机组已进入失步运行状态。转子电压在正负之间不断翻转，周期小于600ms，自此之后失磁保护II段不再动作。

表1 转子电压取绝对值对失磁II段保护的影响

4 复压过流保护动作及动作情况

4.1 发电机复压过流保护整定

发电机复压过流保护I段，投跳闸（其出口方式为：跳发电机的出口开关、灭磁开关、机组启动全停）；动作条件：复压解闭锁判据（低电压定值60Vp-p，负序电压定值4．62V），机端电流大于1．11A（二次值），延时4．1秒。发电机复压过流II段，投信号，动作条件：经复压闭锁，机端电流大于1．11A（二次值），延时4．3秒。

4.2 主变高压侧复压过流保护整定

主变高压侧复压过流保护I段，投跳闸（其出口方式为：跳主变压器高压侧开关、高厂变低压侧开关）；动作条件：复压解闭锁判据（低电压定值60Vp-p，负序电压定值4．62V，允许低压侧复压解闭锁）并满足高压侧电流大于0．18A（二次值），延时3．8秒。

4.3 主变高压侧及发电机复压过流保护动作情况

失磁保护II段拒动后，主变复压过流保护启动、发电机复压过流保护启动，3．8秒后主变复压过流保护动作出口，主变高压侧开关跳闸、高厂用电开关跳闸、发电机出口开关跳闸；从失磁保护II段拒动时刻算起的4．1秒后，发电机复压过流保护动作出口，跳灭磁开关停机灭磁、启动全停。

5 励磁装置动作分析

励磁装置参数误整定后，励磁调节器很快调整到逆变区运行，触发角度约为120°，励磁电流快速下降，在1．1秒时已从1370A下降到560A左右，欠励限制正确动作，但由于最大励磁电流限制的优先级最高，励磁调节器将会以最大励磁电流I段限制值输出为准。在此期间，受转子电流快速下降影响，转子电压会出现较大负压，因此转子过压保护发出报警。此后励磁电流逐渐基本稳定，机组进入失步振荡运行状态，机组转子电流、转子电压在机组失步运行状态时受到定子侧磁场影响，出现周期性波动，不完全受励磁调节器控制。

6 设备损坏情况

经过现场仔细检查后发现发电机转子及定子均存在不同情况受损。

发电机转子：转子上端部多个磁极阻尼环Ω形连接螺栓发热熔断，分别为1#-2#磁极连接、14#-15#磁极连接及33#-34#磁极连接，熔断部分在机组旋转离心力作用下局部甩出，同时有两处断裂，已经检查后取出（见图2）。

发电机定子：由于发电机转子本体上的阻尼环甩出部件在旋转过程中出现刮擦，造成发电机定子绕组上端部普遍破损(俗称扫膛)，其中第496槽、512槽、557槽、558槽线棒以及449～458槽过桥主绝缘严重破损，已可见导体部分，同时多处线棒主绝缘有不同程度破损，发电机定子铁芯无明显受损现象（见图3）。拆除发电机定子绕组出口的软连接并隔离发电机中性点，测量定子绕组的直流电阻并无异常，进行直流耐压并测量绕组直流泄漏电流，A相升压至3．6kV时第557槽露导体处放电；C相升压至17．3kV瞬间击穿；B相升压至额定18kV无异常。

图2 发电机转子阻尼环熔断受损

图3 发电机定子绕组上端部刮擦

发电机吸收无功，定子电流上升所产生的磁场过大，直轴电流分量增加直接导致直轴磁动势增加，同时交轴电流分量同样使交轴磁动势增加，引起磁力矩不平衡，导致发现机组振动开始增大至GCB跳闸前，机组频率在49．032～51．395Hz摆动，机组运行状态已临界失步阶段，转子阻尼绕组感应负序电流造成转子上端部磁极阻尼环Ω形软连接螺栓发热熔断；烧损部件由于旋转离心力被甩出，导致定子绕组上端部普遍刮擦破损。

7 措施及改进

更换所有受损线棒，修复损坏的转子磁极，更换已损伤的阻尼环，并采用测量直流电阻的方式对其他阻尼环进行检查，同时横向比较测试数据分析。检查转子过压保护及灭磁电阻、灭磁开关，对励磁系统进行静态检修试验。完善发电机保护装置失磁II段保护的转子低电压判据，转子电压小于-127．2V应修改为直接性判据，扩大负向电压判据区间，取消转子低电压判据中的绝对值限制条件；投入失磁保护III段并将其作为失磁保护的总后备。依据整定导则，发电机保护后备保护相间低电压定值由60．00V修改为70．00V。