UNITROL 5000励磁系统故障引起的发电机失磁保护动作分析及定值优化
2019-10-21陈锋云林彤陈洁金俊杰
陈锋云 林彤 陈洁 金俊杰
摘要：简述了浙能乐清电厂660MW机组励磁系统故障引起的1号发电机失磁保护动作的原因分析及处理措施，强调重大反事故措施在励磁专业落实的重要性。绘制失磁故障过程中发电机机端正序阻抗轨迹，确认失磁保护的灵敏性和可靠性，修改失磁保护出口方式为解列灭磁。介绍和校核发电机失磁保护与AVR低励限制的配合整定原则和计算方法，确保限制先于保护而动作。
关键词：失磁保护;励磁系统外部跳闸;继电器;动作功率;解列灭磁;正序阻抗;整定;低励限制中图分类号：TM 761文献标识码：ADOI：10.16081/j.issn.1006-6047.yyyy.mm.xxx
0 引言
近年来，随着继电保护国家、行业标准的深入宣贯和重大反事故措施的认真贯彻落实。关于继电保护的反事故措施执行情况良好，但是，大家往往忽略了励磁系统或者就地控制屏的继电器的检查。比如“所有跳闸回路上的触点均应采用动合触点。跳闸回路出口继电器及用于保护判据的信号继电器动作电压应在额定直流电源电压55%-70%范围内，动作功率不宜低于5W”的反事故措施。据了解，由于励磁系统继电器或开入卡件受干扰造成发电机失磁故障也不止一例。发电机的失磁故障对发电机本身和与之相连的系统都会造成伤害，发电机的容量在系统中占比越大，对系统的影响也越大。低励限制须先于失磁保护跳闸而动作，低励限制不应动作于跳闸。
2017年6月，浙能乐清电厂660MW机组1号发电机失磁保护动作，发电机励磁变保护屏失磁保护动作出口于关主汽门， 然后1号发电机逆功率保护动作于分1号发电机GCB开关和灭磁开关。失磁机组进相过程中，吸收无功最高至636Mvar，主变高压侧电压由511kV降至496kV。
1 失磁保护动作分析处理
1.1保护动作现象
浙能乐清电厂以两回500kV线路接入500kV天柱变，发电机为发变组接线，配发电机出口断路器，500kV母线采用3/2接线方式，500kV启备变直接接入500kV II母线。1号发变组和1条线路组成第一串，励磁系统为自并励方式，软件版本为ABB UNITROL 5000。
2017年6月01日0：49分，#1机组有功功率544MW，无功功率124Mvar，机端电压19.8kV，励磁系统通道二运行，励磁电压306V，励磁电流3250A。0：49：32励磁系统收到143 FCB external OFF（灭磁开关FCB外部跳闸信号），同时进入逆变灭磁状态，励磁电压、励磁电流迅速下降，机组进相运行，进相深度最高为Q=-636 Mvar，机端电压下降至14.7 kV，机端电流上升至25.2 kA，主变高压侧电压由511kV降至496kV。0：49：35 1号发电机失磁保护动作，保护A屏和B屏失磁保护动作均出口于关主汽门， 然后1号发电机逆功率保护动作于分1号发电机GCB开关和灭磁开关。
查看励磁系统报警如下：
（1）00：49：32.6600 +FCB external OFF 勵磁系统收到FCB外部跳闸信号。
（2）00：49：32.8600 -FCB external OFF 励磁系统收到FCB外部跳闸信号复归，此信号存在200ms。
（3）00：49：34.4800 +Fan supply2 fail 励磁系统收到风扇第2路电源故障，风扇电源电压低延时2s报警。
（4）00：49：34.5800 +Standby alarm 备用励磁调节器报警。
（5）00：49：35.4200 -Stabilizer active 电力系统稳定器PSS退出（由于励磁进入逆变，正常退出）。
（6）00：49：42.2800 -Fan supply2 fail 励磁系统收到风扇第2路电源故障复归。
（7）00：49：42.9800 -Standby alarm 备用励磁调节器报警复归。
1.2保护动作过程
2017年6月1日 00时49分，#1机组出力544MW;00：49：33.451时机组故障录波器启动;（该时刻为时标0ms点）
2187ms A屏保护动作总信号
2192 ms B屏保护动作总信号
2198 ms 1号发电机失磁保护动作（作用于关主汽门）
2404 ms 主汽门关闭
7395 ms 发电机程序逆功率动作
7421 ms GCB开关分位
7595 ms 灭磁开关分位
从保护报文来看，机组保护动作正确。
1.3保护动作原因分析
事故跳闸后检查励磁一次设备，测量回路绝缘电阻均正常，排除一次设备故障的可能。根据报警信号和现场检查情况，结合厂家图纸，逻辑中有机组并网运行状态的闭锁条件，可判断在励磁系统正常运行的状态下仅有励磁系统退出的命令是不会将励磁系统退出运行的，因此可排除外部切除励磁指令造成励磁退出失磁的可能，查看DCS画面当时也无退励指令发出。
从励磁报文看，励磁系统收到三个故障：其中“风机电源故障”和“备用调节器故障”均是因机端电压低造成的励磁变低压侧电压低，属于正常现象（励磁装置控制电源和风扇电源都由励磁变低压侧再经隔离变压器供电）。励磁报文143 FCB external OFF（FCB外部跳闸信号）报警信号只存在200ms。查看励磁调节器软件图，当此信号≤200ms时，报警信号会被拓宽至200ms，故推断当时故障瞬时发生并复归，故障时间≤200ms。
图 1励磁调节器内部及外部跳闸指令
Fig. 1 Internal and external tripping instructions to the
excitation regulator
根据励磁调节器内部逻辑图（含图1）和ABB厂家指导，励磁调节器收到外部跳闸信号（DI09）造成143 FCB external OFF（FCB外部跳闸信号）报警、灭磁程序启动的原因有以下两种：
（1）励磁系统外部跳闸中间继电器K03或K04的辅助节点，该继电器的两对节点，一对用于跳灭磁开关，另一对用于发出外部跳闸命令DI09。DI09外部跳闸命令至U70板卡再触发励磁系统逆变灭磁，最终导致发电机失磁保护动作关主汽门;
（2）FIO（U70）板卡故障，U70板卡故障也可能会触发外部跳闸命令DI09，导致上述结果。
1.4事故处理
1、紧急采购大功率继电器（NR0521B），替换原外部跳闸K03、K04继电器，对采购的大功率继电器进行试验，新继电器K03动作电压68.7V，返回电压 35V，线圈阻值0.68 kΩ。新继电器K04动作电压65V ，返回电压32.9V ，线圈阻值0.67 kΩ。折算继电器启动功率约为6.5W。同时对励磁系统内部故障跳闸K01、K02继电器进行了更换处理。
2、更换FIO（U70）板卡，对开入开出回路进行校验，确认板卡正常。为了以防万一，同时对FIO（U71）板卡也进行了更换，并进行相关校验和励磁系统静态和动态试验。
2失磁过程正序阻抗轨迹和定值校核及优化
2.1失磁保护的判据组合
（1）投失磁保护Ⅱ段（经机端电压低动作于跳闸）：
机端低电压判据+定子正序阻抗判据;
原整定延時t=1.5S，在此次事件之后为躲系统振荡周期1.5s（为当地省调提供），将延时改为1.8s;
（2）失磁保护III段（III段经较长延时动作于跳闸或发信）：
只投入定子侧正序阻抗判据;
长延时动作于跳闸，延时t3=2S。
2.2阻抗圆的整定和失磁过程正序阻抗的轨迹变化
2.2.1阻抗圆的整定
（一）异步阻抗圆
1）异步边界圆（Xa、Xb算法按照《大型发电机变压器组继电保护整定计算导则》整定，阻抗圆见图2）：
式中Xd和Xd为发电机暂态电抗和同步电抗额定标幺值，取不饱和值;pu即为发电机阻抗基准值;Ugn和Sgn为发电机额定电压20kV和额定视在功率733MVA;na和nv为电流互感器TA变比和电压互感器TV变比。
2）异步阻抗圆的圆心和半径计算：
2.2.2失磁过程中正序阻抗的轨迹变化
（一）将此次失磁过程中发电机励磁变A屏保护装置波形导出，并由波形分析软件得到正序阻抗数据如下表1所示。
（二）将得到的正序阻抗数据绘制在整定的阻抗圆中，得到下图
由上图可见，t1点机组正常运行发出无功，t2点正序阻抗一进入异步阻抗圆失磁保护便启动，经1.5s后保护正确动作。
2.3失磁保护的出口方式修改
失磁保护原出口方式整定为跳汽机，因此从发电机失磁保护动作到GCB开关分开相隔了5.2s，发电机进相深且时间长，系统电压被拉低较多。一旦发电机失磁，即时可以长期稳定在异步状态运行发出有功功率吸收无功，但是定子线圈长期超额定电流运行易损坏设备。因此，将失磁保护出口方式由“跳汽机”改为“解列灭磁”。
2.4发电机失磁保护与励磁系统低励限制配合的校核
低励限制的作用是避免发电机失去静稳，避免造成发电机端部过热，避免发电机电压、厂用电和高压母线电压过低。低励限制定值按照先于失磁保护动作设置，AVR不动作于跳闸。
失磁保护、省调下发励磁限制定值的配合的校核如下：
将阻抗圆映射至PQ平面上，设机端测量阻抗Z=R+jX，X0为阻抗的圆心纵坐标，R0为阻抗圆半径，不论阻抗判据采取异步阻抗圆还是静稳阻抗圆，在圆内时保护动作，满足以下公式：
将2.2.1阻抗圆的整定值即异步阻抗圆和静稳阻抗圆圆心和半径的标幺值（以发电机额定阻抗pu为基准值），代入公式（4）和（5）即可得阻抗圆映射至PQ平面的PQ圆，并将低励限制曲线一同在绘制图4，由图可见以异步阻抗圆为判据的失磁保护与低励限制配合良好。
3、结论
本文通过励磁系统故障引起的失磁保护动作案例分析，认识到我们须重视重大反事故措施在励磁专业的落实工作。须严格执行“跳闸回路出口继电器及用于保护判据的信号继电器动作电压应在额定直流电源电压55%-70%范围内，动作功率不宜低于5W”等反事故措施。发电机失磁故障在短时间内一般不可能恢复励磁，上述案例中发电机机端电流最高已到额定电流2倍，且发电机进相较深持续6s左右，不仅拉低了系统电压，而且发电机长期超额定电流异步运行易损坏设备，基于以上理由将发电机失磁保护出口方式由“程序跳闸”改为“解列灭磁”以缩短机组失磁后异步运行时间。基于失磁保护的重要性，对此次失磁故障过程中发电机机端正序阻抗轨迹进行跟踪，确认失磁保护异步阻抗圆判据的灵敏度和可靠性，并校核失磁保护与省调下发的低励限制值配合度，确保励磁低励限制先于失磁保护而动作。
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作者简介：
陈锋云（1988—），男，浙江温州人，工程师，从事电厂电气专业工作.
林彤（1975—），男，浙江宁波人，高级工程师，从事电厂电气专业工作.
陈洁（1983—），男，浙江宁波人，助理工程师，从事电厂电气专业工作.
金俊杰（1973—），男，浙江台州人，工程师，从事电厂电气专业工作.
Abstract： This paper briefly describe the analysis and treatment measures of the Zheneng Yueqing power plants first generator loss-of-excitation protection operating event caused by the excitation system failure.The importance of major anti-accident measures in the implementation of excitation specialty is emphasized. The positive sequence impedance taajectories of generators in the course of loss-of-excitation fault are drawn to confirm the sensitivity and reliability of loss-of-excitation protection.Modify the operating mode of loss-of-exciation protection as deaching from the system and excitation off.This paper introduces and verifies the setting principle and calculation method of generator loss-of-excitation protection and AVR minimum-excitation limit to ensure that the limit operates before the operation.Key words： loss-of-excitation protection;external trip to the excitation regulator; relay;operating power;deach from the system and excitation off;positive sequence impedance;setting;unde-excitation limiter
