励磁系统转子过电压检测回路引起的故障分析

李诚帅， 浦晓君， 吴方元， 罗海冰

(1. 河南恩湃高科集团有限公司， 郑州 450002；2. 上海发电设备成套设计研究院有限责任公司， 上海 200240)

励磁系统与电力系统稳定有着密切的关系，在维持发电机电压、系统故障时电压快速恢复、提高电力系统动态稳定性等方面发挥重要作用[1-2]。励磁系统中设置转子过电压保护装置，用于保护运行中的发电机和相连设备免遭非允许的过电压危害。在过电压倍数很高的情况下，保护的跳闸命令可以快速切除相关设备；在过电压倍数不高的情况下，保护的跳闸命令延时较长，让电压自动装置有机会将电压调整到正常运行水平。过电压产生的因素很多，可能由于手工误操作励磁系统、电压自动调节装置的误动作、发电机甩负荷及将发电机从电网中解列而产生，也可能在发电机脱离电网单独运行时产生。转子过电压检测回路用于判断识别过电压因素及过电压情况的严重程度，检测回路工作正常是转子过电压保护装置动作正确的前提。一旦发生转子过电压保护误动，可能造成机组强迫停运或电力供应中断，给发电企业的正常运行带来较大影响。笔者采用理论研究和现场验证的方法，分析了一起机组出线单相接地故障恢复过程中励磁系统转子过电压保护回路存在一定问题导致的非正常停机事故案例，并提出了相应的改进措施及建议。

1　机组参数及转子过电压保护

1.1 机组参数

某电厂300 MW火电机组发电机型号为QFSN-300-2-20，励磁系统采用带有主励磁机和副励磁机的三机方式，励磁调节器型号为Unitrol 6080，相关技术参数见表1。

表1　发电机及励磁机技术参数

1.2 转子过电压保护原理

转子过电压保护的基本电路及原理是1组正反向并联的可控硅串联1个放电电阻后再并联在励磁绕组两端，当可控硅的触发器电路检测到转子过电压后，立即发出触发脉冲使可控硅导通，利用放电电阻吸收过电压能量[3]。

目前，在大型发电机组上，普遍使用的转子过电压保护装置是跨接器(Crowbar)。对于Unitrol 6080励磁系统，其转子过电压保护装置主要由跨接器、触发回路、转子过电压检测元件转折二极管(BOD)、电流继电器及灭磁电阻等组成(见图1)。当发电机机端出现如短路、非同期并列或异步运行故障时，会在发电机转子上感应出磁场电流并在转子回路中产生过电压，当过电压值达到BOD的动作阈值时，该装置检测转子回路中的正向和反向过电压，触发导通相应的可控硅将灭磁电阻并联到转子两端，同时通过电流检测启动磁场开关瞬时跳闸[4]。K1、K2、K3分别接入不同的跳闸信号(保护动作、灭磁开关跳闸、励磁调节器故障)，在跳闸信号动作时导通V1、V2，将R02接入转子两端。正常运行时，如果出现超过A02板定值的过电压时，A02板将导通V1或V2，使R02接入转子两端[5]。

V1—正向可控硅；V2—反向可控硅；A02—转子过压感应板；R02—非线性灭磁电阻。

2　故障情况

2016年1月23日，该机组正常运行，发电机有功功率300 MW，无功功率160 MV·A，转子电压404 V，转子电流2 030 A，主励磁机定子电流105 A，副励磁机定子电压202 V，励磁调节器(AVR)输出电压(主励磁机转子电压)49 V。

15：03：18， 分布式控制系统(DCS)报警信号发“故障录波器启动”、“发电机失磁保护动作”、“4A/4B快切装置动作”。

随后发电机跳闸，汽轮机联跳，锅炉主燃料跳闸(MFT)； 6 kV厂用电切换正常。

15：39：00，机组转速到零，盘车投入正常。

2.1 检查发变组保护柜

故障录波器记录整理如下：

(1) 15：03：10.764外部电网系统发生波动，主变高压侧中性点零序电流增至0.21 kA，发电机C相电压降低约5%，故障持续72.8 ms。

(2) 励磁系统跟随增励磁，主励磁机的转子电流升高至1.67倍额定值(额定电流135 A)。

(3) 72.8 ms后，故障消失，电压恢复，励磁调节器快速减励磁，快速减励磁过程中主励磁机转子过压保护动作。

(4) 102 ms后，调节器发出“AVR内部故障”信号，726 ms后励磁调节器出口灭磁开关Q02跳开，4.537 s后发电机失磁保护动作，5.062 s后发电机主开关跳闸，机组停机。

调取发变组故障录波图(见图2)，可以查到事故发生后500 ms，失磁保护1段动作，定值和动作时间均正确。但是，灭磁开关分开前，先是主励磁机转子上出现了反向电压，随后AVR装置故障信号发出，故需要重点检查励磁系统相关回路。

图2　发变组故障录波图

2.2 检查励磁调节柜

(1) 励磁调节器柜内设备检查，未发现二次接线有绝缘损坏、发热、异味等现象。

(2) 励磁调节器跨接器接线和可控硅检查未见异常。

(3) 调阅并整理励磁调节器事件记录见表2。

表2　励磁调节器事件记录

由表2可见跳闸的直接原因是Crowbar过电压保护动作。重点检查Crowbar过电压保护回路。

2.3 检查转子过电压保护回路

(1) BOD元件检测。动作电压2 605.5 V，BOD元件功能正常。

(2) 电流互感器(T02)元件检测。节点1、2动作值69 A，节点3、4动作值73 A，误差属于正常范围，未发现异常。

(3) 跨接器硅堆元件检测。 对跨接器硅堆中两个可控硅施加600 V耐压时的漏电流均为0.14 mA，属于正常范围，未发现异常。

(4) 跨接器K1、K2继电器检查。励磁调节器正常运行时，K1继电器不动作，状态正常；K2继电器在动作位置，状态不正常。

(5) 灭磁开关辅助触点检查。拆开设备上的辅助触点观察，发现触点31、32、34有过流烧坏的迹象(见图3)。触点31为公共点，正常情况下触点31、32为常闭点，触点31、34为常开点。烧坏后无论灭磁开关处于合或分状态，触点31、32一直是闭合状态，触点31、34一直是常开状态，不会有任何变化。初步判断：灭磁开关辅助接点没能正常切换是造成K2继电器动作的原因。

图3　损坏的灭磁开关辅助触点照片

3　原因分析

3.1 转子过电压保护逻辑

与转子过电压装置硬件回路对应有转子过电压保护软件逻辑，其逻辑框图见图4。

图4　过电压保护逻辑框图

信号Rel Rotor Slip可选择跨接器是否能再触发，现场AVR装置参数该信号没有选择，即于逻辑中为0。当机组在并网运行时(Field Breaker is Closed)，若由于某些原因使得跨接器硅堆中的可控硅触发导通(例如主励磁机转子电压因故障升高至AVR装置过电压保护定值，BOD元件会被转折使跨接器硅堆中的可控硅V1导通)，此时主励磁机转子、跨接器可控硅、灭磁电阻会形成一个回路，主励磁机转子上的电流通过该回路续流。电流继电器检测到跨接器回路上的电流大于保护定值后，其触点1、2会吸合，使正向负向电流过大(Positive or Negative Current Flow)信号发出，若100 ms之后该信号仍存在，即主励磁机转子电压仍大于过电压保护定值，且没有外部跳闸信号(External Trip)，就会产生“过电压故障”信号，AVR装置会发一个跳闸指令，使灭磁开关跳开并进行灭磁指令。

3.2 灭磁开关辅助触点分析

灭磁开关Q02辅助触点的型号为AUX-C 3Q1SY-Cable 250VAC/DCT4/6，其容量为0.3 A(110 V)，常开常闭共用公共端。灭磁开关正常闭合时，触点31、32由闭合变为断开，触点31、34由断开变为闭合。当AVR装置发出分灭磁开关指令(继电器K280吸合)时，由于二跳线圈的阻值只有140 Ω左右且是一个纯电感元件，回路电压110 V，辅助触点在断开的一瞬间会产生很大的过电压，烧坏该对触点，导致触点31、32贴合后无法断开，不能正确动作(见图5中虚线)。

图5　触发K2继电器导通的灭磁开关辅助接点

3.3 电流继电器的触点分析

AVR装置的电流继电器T02型号是1.1/4 kV/2 kV，有1、2和3、4共两对常开触点，动作定值为40 A。机组在运行过程中，若电流继电器检测到跨接器回路中有大于40 A的电流存在，其触点1、2及触点3、4会同时吸合。触点1、2吸合后，若经过100 ms该触点仍处于吸合状态，AVR装置就会发出“过电压故障”；但同时一旦触点3、4吸合，不会有任何时间的延迟，图5中的分闸继电器K200就会动作去分灭磁开关，并发出AVR装置内部故障信号。此硬件回路设计与第3.1节中所述的软件逻辑设计存在不一致的问题。而事实上，在双通道励磁系统中，并不需要设计此硬件回路。图6给出了故障发生时灭磁开关分闸动作时序，灭磁开关分开前，先是主励磁机转子上出现了反向电压，随后T02的3、4触点动作，分闸继电器K200动作分灭磁开关，并发出AVR装置内部故障信号。

图6　灭磁开关分闸动作时序

3.4 综合分析

跨接器过电压保护动作的原因是Q02开关辅助接点没能正常切换，造成跨接器灭磁用K2继电器一直处在动作状态，对应的可控硅门极一直接受到触发信号，一旦给该可控硅施加正向电压，上负下正V2就会导通，使得主励磁机转子、跨接器可控硅、灭磁电阻形成了一个回路。

当外部电网系统发生波动，励磁系统跟随增励磁，系统故障消失后，励磁调节器快速减磁时产生反向电压，V2导通引起跨接器T02继电器动作，励磁调节器“AVR内部故障”，Q02开关跳闸，发电机失磁。

Q02开关跳闸2回路采用的辅助接点容量不够。由于调试和试验过程Q02开关跳闸2回路会多次接通，流过辅助接点电流引起辅助接点动触头变形，造成Q02开关跳闸2用辅助接点不能够正常切换。

综合以上分析，该机组跳机的直接原因是转子过电压保护动作，根本原因是灭磁开关辅助接点过流黏合，转子过电压硬件回路存在设计缺陷问题。

4　改进措施

针对此跳机事件，提出以下改进措施及建议：

(1) 将电流继电器T02的触点3、4接线解除，暂不参与跳闸，保留触点1、2参与过电压故障报警。

(2) 更换灭磁开关辅助接点，鉴于该继电器参与跳闸逻辑且存在常开常闭共用公共端的现象，建议将继电器改用独立的辅助接点，确保分合闸回路的可靠性。

(3) 在机组大修期间对跨接器进行检测，包括触发板、BOD、电流互感器等，并对灭磁开关辅助触点进行重点测试。

(4) 制定备件储备定额，定额数量宜不少于10%，包括但不限于灭磁电阻及转子过电压保护组件[6]。

(5) 加强运行巡检与设备点检，及时发现与控制事故隐患。

(6) 对继电保护与励磁系统间的配合关系进行认真梳理，对不合理的部分及时修改，确保机组安全运行。

5　结语

转子过电压保护是对发电机设备的重要保护措施，关系到机组的安全稳定运行，但在系统投运后发电企业对该保护硬件回路及软件逻辑的关注度不高。笔者针对此次跳机事件以Unitrol 6080励磁系统的转子过电压装置为例进行了分析，并提出了防范措施与建议，以期对于采用同类型励磁调节器的发电企业防止类似事件发生起到一定的借鉴作用。

参考文献：

[1] 刘取. 电力系统稳定性及发电机励磁控制[M]. 北京: 中国电力出版社, 2007.

[2]王清明. 300 MW机组励磁低励限制引起功率异常波动分析[J]. 热力发电, 2009, 38(12): 75-77.

[3]孟凡超,吴龙. 发电机励磁技术问答及事故分析[M]. 北京: 中国电力出版社, 2008.

[4]王君亮. 同步发电机励磁系统原理与运行维护[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2010.

[5]李大公,熊尚峰,洪权,等. 转子过电压保护的有关问题分析[J]. 湖南电力, 2013, 33(2): 31-34.

[6]国家发展和改革委员会. 大中型水轮发电机自并励励磁系统及装置运行和检修规程: DL/T 491—2008[S]. 北京: 中国电力出版社, 2008.