大型水輪發電機組勵磁試驗失磁事故保護拒動分析

姬鵬程

（四川大唐國際甘孜水電開發有限公司，四川 康定 626001）

大型水輪發電機組勵磁試驗失磁事故保護拒動分析

姬鵬程

（四川大唐國際甘孜水電開發有限公司，四川 康定 626001）

某水電站進行機組網源參數整改試驗，試驗過程中誤整定設定參數，導致機組非停、主變壓器高壓側斷路器開關跳閘，暴露出失磁保護判據的不完善，本文主要簡述失磁保護拒動所帶來的影響。

網源參數整改試驗；誤整定；失磁II段拒動；絕對值

某水電站發變組采取的接線方式為：單元接線方式；母線采取：雙母線分段接線方式，某日某發電機組發電態，其余發電機組備用態，1號至5號主變正常運行，500kVⅠ母、Ⅱ母合環運行，兩條出線正常運行，某發電機所帶負荷為：P=252．539MW，Q= -5．339Mvar，主變負荷情況為：P=250．58MW，Q= -35．512Mvar，在進行網源參數整改試驗時引起機組跳閘非停。

1 事故簡述

某院及某水電站相關技術人員在進行機組網源參數整改試驗過程中對最大勵磁電流限制Ⅰ段定值進行修改，某技術人員誤將定值由115%修改成了2．1%（本應改為2．1PU），并立即啟用，而后發電機發出異響，9．5秒后，主變壓器高壓側斷路器開關跳閘、發電機出口斷路器開關跳閘、高廠變低壓側斷路器開關跳閘、機組滅磁開關跳閘、發電機組全停。

2 事故原因

某技術人員修改最大勵磁Ⅰ段限制值由試驗參數值1．15倍（設置值115%）恢復至原參數值2．1倍（設置值210%）時，未經其他試驗人員復核確認，誤將115%修改為2．1%并立即啟用，致使勵磁調節器很快調整到逆變區運行，勵磁電流突降至426．2A，轉子電壓迅速轉為負電壓約-400V左右，發電機失磁，持續時間約3．1s，失磁保護II段未動作，機組未能及時解列，進入異步加速狀態，異步加速狀態持續約3．3s，機組進入穩定異步狀態，機組無功進相最大至-506．056Mvar，機組定子繞組電流最大至30578A，主變復壓過流保護動作、發電機復壓過流保護動作，啟動事故停機流程。

3 失磁保護拒動

3.1 失磁保護整定及動作條件

失磁保護Ⅰ段：投信號；動作條件：滿足阻抗判據，延時1．5s。失磁保護Ⅱ段：投跳閘（其出口方式為：發電機出口開關斷開、跳滅磁開關）；動作條件：同時滿足阻抗定值、機端低電壓（85Vp-p）、轉子低電壓小于127．2V、無功反向判據，延時1秒。

3.2 失磁保護整定計算（圖1）

圖1

定子側判據：靜穩極限阻抗圓+無功反向判據。

失磁保護邏輯簡單的說就是阻抗判據條件滿足，延時1．5秒，發信；阻抗判據及轉子低電壓條件都滿足，延時1．0秒，切機。

3.3 失磁保護據動分析

當時動作情況為：發電機失磁Ⅰ段報警，失磁保護Ⅱ段未動作。

查看故障錄波記錄可知，在誤整定并立即啟用勵磁定值后，發電機迅速失磁進入逆變工況，轉子電壓在60ms內從+180V快速下降。對發電機綜合量保護錄波及勵磁變電壓、電流導通角度關系進行分析，此時轉子電壓約為-400V；故障錄波器采用4～20mA變送器，不能顯示負值電壓，均顯示為接近0V；此狀態從誤整定并立即啟用的0時刻起持續約3秒，在此期間發電機機端電流迅速增加，發電機機端電壓快速降低，在900毫秒時，滿足失磁保護中的阻抗判據和機端低電壓判據，經過1．5秒失磁保護I段告警。

失磁保護II段受轉子低電壓判據約束，此時轉子低電壓為-400V左右，本應滿足判據條件（即Uf＜-127．2V），但實際上并未動作。經過現場多次試驗驗證（見表1）并會同所用保護裝置生產廠家進一步核實確認，發電機所采用的保護裝置中失磁保護II段，轉子低電壓判據取絕對值，并不區分正負關系，而逆變工況下的轉子電壓小于-127．2V，取絕對值后反而不滿足判據，導致失磁保護II段沒有及時動作（拒動），經過3秒后，此時機組已進入失步運行狀態。轉子電壓在正負之間不斷翻轉，周期小于600ms，自此之后失磁保護II段不再動作。

表1 轉子電壓取絕對值對失磁II段保護的影響

4 復壓過流保護動作及動作情況

4.1 發電機復壓過流保護整定

發電機復壓過流保護I段，投跳閘（其出口方式為：跳發電機的出口開關、滅磁開關、機組啟動全停）；動作條件：復壓解閉鎖判據（低電壓定值60Vp-p，負序電壓定值4．62V），機端電流大于1．11A（二次值），延時4．1秒。發電機復壓過流II段，投信號，動作條件：經復壓閉鎖，機端電流大于1．11A（二次值），延時4．3秒。

4.2 主變高壓側復壓過流保護整定

主變高壓側復壓過流保護I段，投跳閘（其出口方式為：跳主變壓器高壓側開關、高廠變低壓側開關）；動作條件：復壓解閉鎖判據（低電壓定值60Vp-p，負序電壓定值4．62V，允許低壓側復壓解閉鎖）并滿足高壓側電流大于0．18A（二次值），延時3．8秒。

4.3 主變高壓側及發電機復壓過流保護動作情況

失磁保護II段拒動后，主變復壓過流保護啟動、發電機復壓過流保護啟動，3．8秒后主變復壓過流保護動作出口，主變高壓側開關跳閘、高廠用電開關跳閘、發電機出口開關跳閘；從失磁保護II段拒動時刻算起的4．1秒后，發電機復壓過流保護動作出口，跳滅磁開關停機滅磁、啟動全停。

5 勵磁裝置動作分析

勵磁裝置參數誤整定后，勵磁調節器很快調整到逆變區運行，觸發角度約為120°，勵磁電流快速下降，在1．1秒時已從1370A下降到560A左右，欠勵限制正確動作，但由于最大勵磁電流限制的優先級最高，勵磁調節器將會以最大勵磁電流I段限制值輸出為準。在此期間，受轉子電流快速下降影響，轉子電壓會出現較大負壓，因此轉子過壓保護發出報警。此后勵磁電流逐漸基本穩定，機組進入失步振蕩運行狀態，機組轉子電流、轉子電壓在機組失步運行狀態時受到定子側磁場影響，出現周期性波動，不完全受勵磁調節器控制。

6 設備損壞情況

經過現場仔細檢查后發現發電機轉子及定子均存在不同情況受損。

發電機轉子：轉子上端部多個磁極阻尼環Ω形連接螺栓發熱熔斷，分別為1#-2#磁極連接、14#-15#磁極連接及33#-34#磁極連接，熔斷部分在機組旋轉離心力作用下局部甩出，同時有兩處斷裂，已經檢查后取出（見圖2）。

發電機定子：由于發電機轉子本體上的阻尼環甩出部件在旋轉過程中出現刮擦，造成發電機定子繞組上端部普遍破損(俗稱掃膛)，其中第496槽、512槽、557槽、558槽線棒以及449～458槽過橋主絕緣嚴重破損，已可見導體部分，同時多處線棒主絕緣有不同程度破損，發電機定子鐵芯無明顯受損現象（見圖3）。拆除發電機定子繞組出口的軟連接并隔離發電機中性點，測量定子繞組的直流電阻并無異常，進行直流耐壓并測量繞組直流泄漏電流，A相升壓至3．6kV時第557槽露導體處放電；C相升壓至17．3kV瞬間擊穿；B相升壓至額定18kV無異常。

圖2 發電機轉子阻尼環熔斷受損

圖3 發電機定子繞組上端部刮擦

發電機吸收無功，定子電流上升所產生的磁場過大，直軸電流分量增加直接導致直軸磁動勢增加，同時交軸電流分量同樣使交軸磁動勢增加，引起磁力矩不平衡，導致發現機組振動開始增大至GCB跳閘前，機組頻率在49．032～51．395Hz擺動，機組運行狀態已臨界失步階段，轉子阻尼繞組感應負序電流造成轉子上端部磁極阻尼環Ω形軟連接螺栓發熱熔斷；燒損部件由于旋轉離心力被甩出，導致定子繞組上端部普遍刮擦破損。

7 措施及改進

更換所有受損線棒，修復損壞的轉子磁極，更換已損傷的阻尼環，并采用測量直流電阻的方式對其他阻尼環進行檢查，同時橫向比較測試數據分析。檢查轉子過壓保護及滅磁電阻、滅磁開關，對勵磁系統進行靜態檢修試驗。完善發電機保護裝置失磁II段保護的轉子低電壓判據，轉子電壓小于-127．2V應修改為直接性判據，擴大負向電壓判據區間，取消轉子低電壓判據中的絕對值限制條件；投入失磁保護III段并將其作為失磁保護的總后備。依據整定導則，發電機保護后備保護相間低電壓定值由60．00V修改為70．00V。

8 結語

通過對大型水輪電機組試驗過程中誤修改試驗參數造成失磁事故保護拒動原因及影響進行了闡述，并對目前部分水電站失磁保護判據是否完善提供參考。

[1]郭文宇．同步發電機的失磁過程分析與保護方法研究[D]．重慶大學,2013．

[2]程懇,程小華．交、直流電機繞組磁動勢求取方法之比較[J]．防爆電機，2016，（06）：1-3．

[3]戴志輝,王增平．繼電保護可靠性研究綜述[J]．電力系統保護與控制，2010，（15）：161-167．

TM 312

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1671-0711（2017）08（下）-0042-03