一起勵磁系統過勵限制引起的機組跳閘事件分析

楊 奇

（山西漳山發電有限責任公司，山西 長治 046021）

為確保國內首條特高壓交流示范工程調試工作,特別是大負荷試驗的順利進行以及電力系統的安全穩定，由中國電力科學研究院等單位對某特高壓供電電廠#3機組勵磁系統過勵限制及保護進行了動態校核。該機組容量為600MW，采用發電機變壓器組單元接線。勵磁系統為美國GE公司EX2100自并勵勵磁調節器，調節器內部具有轉子電流過負荷限制功能（OEL）及轉子電流過負荷保護功能（OPE）。發電機變壓器組保護采用雙重化配置，分別由國電南京自動化研究院DGT801和美國GE公司G60保護裝置構成。試驗過程中勵磁電壓、勵磁電流、機端電壓、機端電流大幅波動，最終導致機組跳閘。

1 EX2100勵磁系統簡介

EX2100是GE公司第三代數字式勵磁系統，具有較高的可靠性，而且設計靈活，操作方便。主要由調節屏（AVR）、可控硅整流屏（SCR），交流進線屏和直流出線屏組成。其中交流進線柜中包含交流濾波器，直流出線柜中包括滅磁開關。

1.1 調節器原理

EX2100勵磁系統采用三重冗余的控制器：M1、M2和C。三個控制器同時對輸入的信號計算比較，控制器中各板件通過底板高速通訊母線ISBUS相互連接進行通信。M1、M2一個為主控制器通道，另一個跟蹤主控制器通道輸出。C控制器對M1和M2進行監控，來決定M1和M2中的一個作為主控制器工作以及M1/M2控制器通道切換。勵磁調節器主要有PSS、UEL、EXASP、FCR、FVR等模塊構成。各模塊功能及邏輯關系如下：

1）PSS（Power System Stabilizer）：電力系統穩定器。

2）UEL（Under Excitation Limiter）：低勵限制。

3）FVR（Field Voltage Regulators）：勵磁電壓環調節。

4）FCR（Field Current Regulators）：勵磁電流環調節。

5）AVR（Automatic Voltage Regulator）：自動電壓調節器。

6）AUTO REF（Auto Reference）：根據用戶提供的參數和條件，結合輔助的穩定和保護信號為自動電壓調節器生成一個自動整定值。

7）MANUAL RER（Manual Reference）：根據用戶提供的參數和條件，為 FVR提供的手動整定值。

圖1 EX2100勵磁系統調節器原理

8）EXASP：綜合PSS、AUTO REF、UEL、無功電流補償、機端電壓輸入等計算出的 AVR整定值。

9）AVR：整定值為EXASP功能模塊輸出，反饋為發電機機端電壓，采用比例積分調節器輸出以維持發電機機端電壓恒定。

10）FVR：運行于手動調節方式時，使用勵磁電壓作為反饋，采用比例積分形式輸出。運行于自動電壓調節方式時，AVR的輸出不帶任何條件，直接送到FVR輸出。無論手動或自動調節方式，FVR輸出始終有效。

11）FCR：是一種使用勵磁電流作為反饋的特殊手動調節器。其整定值在發電機穩定運行容量范圍之內，通過高限、低限之間切換其整定值，以提供瞬時強勵能力。一般情況下其整定值要比實際的勵磁電流大一點。FCR的輸出保持在頂值，當其使能值（Enable）變為允許（True），輸出可以跟隨FVR比例積分調節器輸出。

當勵磁系統過勵限制動作時，FVR輸出值大于FCR輸出值，而整流橋的觸發命令是FVR和 FCR輸出中較小的一個，因此自動切換為FCR方式運行，FCR方式作為限制環運行。

1.2 過勵限制/保護

發電機轉子設計熱容量一般用反時限特性函數表示，勵磁限制器要保證在磁場過電流時轉子不會過熱損壞，因此勵磁過電流限制也用反時限曲線表示。反時限曲線類型應與發電機轉子允許過電流函數特性一致。并且過勵反時限特性與發電機轉子繞組過負荷保護特性之間留有級差，確保在保護動作之前限制動作。

過勵反時限起動值應小于發電機轉子過負荷保護的起動值，大于Ifn（額定勵磁電流），一般為（105%～110%）Ifn。起動值不影響反時限特性，當磁場電流大于起動值后進入反時限計算。過勵反時限限制值一般比起動值減少（5%～10%）Ifn，以釋放積累的熱量，也可限制到起動值，再由操作人員根據過勵限制動作信號減少磁場電流。

EX2100勵磁系統過勵限制器為比較式限制器，由三段反時限曲線構成，如圖2所示。圖中上半部分三條曲線自上而下分別是負載狀態勵磁電流跳閘曲線、通道切換曲線、磁場電流限制曲線；左下部分一段為空載狀態勵磁電流限制曲線。

圖2 EX2100勵磁系統過勵限制曲線

過勵限制曲線參數描述：

1）OETripLev：磁場電流反時限曲線（I*T）120s時跳閘電流（定值：4642.4A）。

2）OELimitLev：磁場電流限制曲線，為跳閘電流的百分數（定值：70%）。

3）OE_Inf：磁場電流反時限曲線無限大時間終值（定值：4393.7A）。

4）OE_PU：磁場電流反時限起動值（定值：4227.9A）。

5）FCRReLo：FCR方式過勵限制起動值（定值：4145A）。

當磁場電流超過限制設定值時，進入FCR方式運行，當檢測到限制失敗，磁場電流大于切換曲線值、小于跳閘曲線值時，控制器發通道切換指令。當勵磁電流大于磁場電流跳閘曲線值時，調節器發勵磁系統跳閘指令，以保護發電機轉子。

2 過勵限制試驗

2.1 試驗方法

試驗時退出勵磁調節器AVC控制，修改調節器參數，降低過勵限制值，手動增減磁操作至限制值，觀察勵磁調節器對勵磁電流是否有過勵限制功能。在確認過勵限制功能有效后分別進行PSS投入與退出情況下的電壓階躍試驗，同時起動錄波，階躍量應由小到大進行，觀察勵磁電流是否被限制。

2.2 試驗過程

試驗當日 02∶50分左右，#3機組準備就緒，開始勵磁系統過勵限制及保護動態校核試驗。機組工況：有功功率360MW，無功功率62MVar，轉子電流2345A。試驗時將過勵限制器的OE_PU由原來的4227.9A改為2462.25A，OE_Inf由原來的4393.7A改為 2520.875A，OELimitLev由原來的 70%改為5%，FCRReLo由原來的4145A改為2403.625A。開始勵磁調節器過勵限制校核試驗操作，當轉子電流升到2600A時，過勵限制器經延時運行通道（M1）切換到FCR方式，勵磁電流降為2403.625A，裝置發 94（勵磁過電流反時限報警）、104（勵磁電流OEL報警）信號，過勵限制器正常動作。但隨后的操作造成勵磁電壓、電流大幅擺動，引起#3機組勵磁系統重故障聯跳發變組。

機組跳閘時機端電壓、機端電流、勵磁電流、勵磁電壓、滅磁開關曲線如圖3所示，圖中機端電壓、機端電流、勵磁電流、勵磁電壓擺動3次后滅磁開關跳閘。

圖3 機端電壓電流，勵磁電壓電流曲線

2.3 原因分析

勵磁調節器過勵限制動作至機組跳閘過程如圖4，當勵磁裝置過勵限制動作后，轉入 FCR調節器運行方式，勵磁電流被限制在 2403A。此時若要退出FCR運行方式，轉入AVR運行方式，應對勵磁裝置進行“減磁”操作，直到勵磁電流小于限制值。但當時進行了“增磁”操作，導致AVR的給定值升高。轉子電流在 FCR運行方式經冷卻延時后轉入AVR運行方式時，機端電壓為“增磁”操作后AVR的給定值。由于給定值已被升高，導致勵磁電流突然升高，重新進入過勵限制狀態，過勵限制器第二次動作，將勵磁電流限制在 2403A。由于給定值沒有減小，FCR經冷卻延時轉入AVR方式時重復了上述過程。為防止勵磁電流大幅擺動試驗人員將控制器M1的FCRReLo改回4145A，過勵限制器第三次動作將勵磁電流限制在 4145A，而控制器 M2的FCRRefLo為 2403.625A。控制器 M1、M2參數不一致且限制器動作引起勵磁調節器跳滅磁開關。

圖4 勵磁電流與過勵限制曲線

3 結論

1）EX2100勵磁系統動態校核過程中過勵限制動作時，錯誤的進行了增磁操作是造成此次機組跳閘事件的主要原因。

2）EX2100勵磁系統在限制器動作時會比較兩套控制器參數，用以互相切換，因此在其動作時不能修改參數。限制器動作時修改參數是造成機組跳閘事件的直接原因。

3）EX2100勵磁系統過勵限制雖能滿足限制要求，但動態校核存在較大風險，應該在機組停機狀態下先進行靜態調試，再進行動態校核。

4）勵磁系統動態校核試驗前應充分了解勵磁系統原理，試驗前要做好安全交底工作，確保在調試中發生異常工況時能及時處理。

5）試驗參數修改前要確定控制器無限制動作，防止修改參數時恰好限制動作引起機組跳閘。

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