一起水輪發電機失磁保護動作原因分析及處理

蘇有權（國家電網東北分部太平灣發電廠，遼寧 丹東 118000）

一起水輪發電機失磁保護動作原因分析及處理

蘇有權
（國家電網東北分部太平灣發電廠，遼寧 丹東 118000）

摘要：繼電保護裝置正確動作是保證電網安全穩定運行的關鍵，尤其是特殊原因導致保護動作，更需要準確快速地查清動作原因，以最快的速度恢復設備運行[1]。本文介紹了某發電廠2號機廠高變故障導致1號機失磁保護動作的經過及詳細分析過程，針對這一特殊故障，查明了動作原因，并根據現場實際情況采取了相應的處理措施,確保了發電機勵磁系統的穩定運行,提高了發電機安全運行的可靠性。

關鍵詞：故障；失磁；動作；分析

0　引言

某電廠共裝有4臺軸流轉漿式水輪發電機，發電機額定電壓10.5kV，單機容量4.75MW,總裝機容量19MW,在系統中擔任調峰、調頻和事故備用任務。某日，2號發電機廠高變發生故障，但在2號發電機廠高變跳閘過程中，1號發電機失磁保護動作跳閘，本文對1號發電機失磁保護動作原因進行了詳細分析，查明了故障原因并采取了防范措施。

1　故障前運行方式

故障前，1號、2號發電機均并網發電，1號發電機帶有功4.6MW、無功2.1MW,發電機電壓10.3kV，2號發電機帶有功4.5MW、無功2.3MW，發電機電壓10.4kV，1號、2號機變組各帶1臺6.3kV廠高變運行。發電機主接線方式如圖1示：

圖1系統主接線圖

2　故障經過

3　發電機勵磁方式及保護原理

3.1發電機勵磁方式

1號發電機勵磁系統為帶勵磁機的兩級勵磁方式，勵磁機采用正、負繞組并列工作方式，同名端極性相反，用來實現發電機的增磁和減磁操作；勵磁裝置采用兩組絕緣柵雙極型大功率晶體管IGBT，其輸出電流分別對應勵磁機的正、負繞組；配置了A、B兩套互為冗余的勵磁調節器，可實現手動、自動不同運行方式的切換和操作；配置一套過電壓保護裝置和一套滅磁裝置，其勵磁原理如圖2示。

發電機正常運行時，兩套調節器并列運行，每套調節器均能滿足包括強勵在內的發電機各種運行工況對勵磁的要求。正常情況下正組IGBT工作，其電流輸出至勵磁機定子線圈，因勵磁機和發電機同軸，隨著發電機的轉動，勵磁機轉子中感應出交流電，經換向器換向后變為直流電[2]，再加至勵磁機定子線圈進行自放大，同時將放大后的電流加至發電機轉子線圈，隨著發電機轉動，帶動轉子磁極轉動，便在發電機定子中感應出交流電。勵磁機定子中正繞組和反繞組極性相反，當發電機需要減磁時，反組IGBT工作，減少發電機勵磁電流，實現發電機增減磁功能。

圖2勵磁原理圖

3.2發電機失磁保護原理

發電機失磁后或在失磁發展過程中，機端測量阻抗要發生變化，失磁后機端測量阻抗的變化是失磁保護的重要判據[3]。1號發電保護裝置為DGT801型微機保護，其失磁保護采用阻抗原理的動作邏輯，由阻抗判據、轉子低電壓判據、機端低電壓判據和過功率判據構成。保護輸入量有：機端三相電壓、發電機三相電流和轉子直流電壓。正常運行時，機端測量阻抗在第一象限（滯相運行）或第四象限（進相運行）內，發電機失磁后，機端測量阻抗的軌跡將沿著等有功阻抗圓進入動作邊界圓內，失磁保護即會動作。為提高保護動作靈敏性，現場整定的阻抗圓動作邊界為過原點的下拋圓。

4　失磁保護動作原因分析

為確定1號機組失磁保護動作原因，首先需檢查保護裝置和勵磁裝置動作性能。

影響傷口愈合的主要局部因素包括組織活力、愈合環境、感染三方面。剖宮產術后要保持引流通暢，一般在術后第10天停止引流，術后14天直接閉合，就診第19天傷口愈合。

4.1保護裝置試驗

4.1.1保護定值檢查

核查裝置保護定值，確認和定值單所給定值一致，保護定值如表1所示。

4.1.2動作報告檢查

打印保護動作報告，查明保護動作參數，動作報告記錄的保護參數如表2所示。

表1失磁保護定值

表2失磁保護動作參數

4.1.3失磁保護阻抗動作特性

根據失磁保護動作特性和保護定值，現場整定的失磁保護阻抗圓動作特性如圖3所示。

圖3失磁保護阻抗圓

從失磁保護動作參數可以清晰看出，故障時機端測量阻抗軌跡已進入失磁保護動作區，失磁保護應該動作。

4.1.4動作結果分析

從動作報告可以看出，保護動作時發電機定子電流增大，達到7.4A且超出額定值（二次5A）,無功反向，發電機進相運行，所有現象均是發電機失磁的典型表征，并且轉子電壓由正常運行時的300多V降低至保護動作時的32V，保護所測到的機端電阻和電抗值均小于保護定值，機端測量阻抗已越過靜穩邊界阻抗圓進入異步邊界阻抗圓，說明發電機確實失磁，所以基本排除了失磁保護誤動的可能。但因勵磁裝置不能記錄故障當時發電機有關工況參數，沒有數值和保護記錄的數值對照，故決定對保護裝置進行加量試驗，以確保保護裝置不是誤動。利用繼電保護試驗儀向保護裝置中通入模擬電流和電壓，采集保護動作開關量，采用失磁保護測試菜單，由試驗儀自動對失磁保護進行試驗，失磁保護動作正確，自動繪制的失磁保護阻抗圓動作特性如圖4所示：

圖4檢驗時繪制的失磁保護阻抗圓

從試驗可以看出，試驗所得的失磁保護阻抗圓和保護定值完全一致，綜合保護動作數據，可以確定失磁保護動作正確，排除了保護誤動的可能，繼而轉向對勵磁系統進行檢查。

4.2勵磁系統主回路檢查

1號發電機故障時，勵磁裝置未有任何故障信息，在不確定失磁原因的情況下，先對勵磁主回路進行檢查。對勵磁裝置輸出至勵磁機定子回路以及勵磁機轉子輸出至發電機轉子回路的主回路進行絕緣測量、直阻測量及其他高壓試驗，試驗數值均在合格范圍之內，說明勵磁主回路不存在問題。發電機轉子及勵磁機試驗數據如表3、表4所示：

表3發電機轉子試驗參數

表4勵磁機試驗參數

從試驗數據可以看出，發電機轉子和勵磁機的試驗數據和上次試驗基本沒有差別，個別數據有差別是試驗儀器和試驗人員操作等方面引起的誤差，數據在合格范圍之內。因此，排除了勵磁裝置輸出至勵磁機定子回路以及勵磁機轉子輸出至發電機轉子回路之間設備故障的可能。由此可以確定，發電機保護裝置和勵磁系統主回路正常，故重點對勵磁裝置進行檢查。

4.3勵磁裝置檢查

因1號發電機失磁保護動作時2號發電機廠高變發生短路故障，會導致1號發電機出口電壓嚴重降低（從錄波分析，出口電壓降至50%以下），定子電流增大，引起發電機無功功率變化，發電機強勵會動作。綜合分析整個動作過程，可能存在的原因是勵磁裝置本身強勵功能不正確動作導致發電機失磁，故首先對勵磁裝置強勵限制功能進行全面檢查。

4.3.1強勵限制檢查

發電機強勵對保證發電機有功功率送出以提高暫態穩定性和維持系統電壓水平以提高電壓穩定性有重要作用[4]。強勵頂值限制是當勵磁系統強勵時，限制勵磁電壓（或勵磁電流）的頂值倍數，以保護發電機（勵磁機）轉子的絕緣及發電機的安全。主要采用反時限限制曲線，目的是為了保證轉子繞組的溫升在限定范圍之內，不因長時間強勵而燒毀。勵磁裝置中使用的強勵特性曲線如圖5所示。

圖5強勵反時限曲線

其中If為強勵頂值時的勵磁電流標么值，現場定值設定為2，即在強勵2倍時允許強勵時間為10s；Ify為允許長期連續運行時的勵磁電流標么值，現場定值設定為1.1，即在1.1倍額定電流條件下允許長期連續運行。通過驗證，勵磁裝置強勵限制功能正常。

4.3.2小電流開環試驗

在勵磁主要回路和功能檢查均未發現異常的前提下，為進一步查明失磁保護動作原因，決定對勵磁裝置進行小電流開環試驗，即將調節器的輸出回路與發電機的勵磁系統斷開，用一小阻值大瓦數的電阻接入調節器的輸出回路做負載，用于檢查IGBT的完好性。可靠連接完試驗回路后，利用手動方式操作勵磁調節器緩慢輸出，并測量IGBT輸出波形，發現正組IGBT無輸出波形，確定正組IGBT存在故障，隨即對IGBT回路進行檢查。

該型勵磁裝置采用的功率元件為IGBT開關管，即絕緣柵極雙極型晶體管，它可在高電壓下導通，并在大電流下關斷[5]，其驅動、吸收電路經過特殊設計，但IGBT的關斷操作將導致IGBT的集電極和發射極之間產生尖峰電壓，損壞IGBT回路，為了解決此問題，設計時采用了緩沖保護回路，如圖6示。

圖6IGBT保護回路

檢查時，用示波表測量1號發電機正負繞組IGBT-CE兩端波形，發現正繞組IGBT兩端波形尖峰較大，開關管關斷過電壓最高為800V左右，經過進一步檢查發現正繞組IGBT-CE兩端阻容吸收回路電容C2漏液，說明故障時阻容吸收回路沒有正常工作，沒有限制IGBT的集-射極之間的沖擊尖峰電壓，實際此電壓達到800V。隨后，對緩沖網絡的中快速二級管1、2進行反向耐壓試驗，其能承受的耐壓值最高不足800V，而其設計標稱耐壓反向電壓值為1200V，實測值遠小于設計額定值。

5　結論

從此次故障可以看出，1號發電機失磁保護動作是一起典型的勵磁裝置元器件質量不合格造成的發電機跳閘事件，因此，在確保勵磁裝置正常運行的各環節中，不僅要在設計制造環節保證元器件選擇正確、質量可靠，也要在現場投運前對重要元器件進行性能復測檢查，確保整套系統使用優質可靠的元器件，滿足電網各種工況下對勵磁系統的要求，有效保證發電機和電網的安全可靠運行。

參考文獻：

[1]賀家李．電力系統繼電保護原理[M]．4版．北京：中國電力出版社,2010．

[2]王君亮．同步發電機勵磁系統原理與運行維護[M]．北京：中國水利水電出版社,2010．

[3]張輯,劉亞,張明．發電機失磁保護異步阻抗動作值校驗的幾種方法[J]．電機技術．2009(4)：63-64．

[4]吳跨宇,周平,高春如,等．基于空載誤強勵滅磁對發電機過電壓保護整定的研究[J]．電力系統控制與保護,2011,39 （2）：98-101．

[5]張月梅,黃建國,張羽豐．影響IGBT驅動電路性能參數的因素分析[J]．電子元器件應用,2010,12（12）：88-91．

中圖分類號：TM312

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）03-0052-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.016

收稿日期：2014-12-09

作者簡介：蘇有權（1981-），男，工程師，從事電力系統及其自動化工作。