勵磁系統轉子過電壓檢測回路引起的故障分析

李誠帥， 浦曉君， 吳方元， 羅海冰

(1. 河南恩湃高科集團有限公司， 鄭州 450002；2. 上海發電設備成套設計研究院有限責任公司， 上海 200240)

勵磁系統與電力系統穩定有著密切的關系，在維持發電機電壓、系統故障時電壓快速恢復、提高電力系統動態穩定性等方面發揮重要作用[1-2]。勵磁系統中設置轉子過電壓保護裝置，用于保護運行中的發電機和相連設備免遭非允許的過電壓危害。在過電壓倍數很高的情況下，保護的跳閘命令可以快速切除相關設備；在過電壓倍數不高的情況下，保護的跳閘命令延時較長，讓電壓自動裝置有機會將電壓調整到正常運行水平。過電壓產生的因素很多，可能由于手工誤操作勵磁系統、電壓自動調節裝置的誤動作、發電機甩負荷及將發電機從電網中解列而產生，也可能在發電機脫離電網單獨運行時產生。轉子過電壓檢測回路用于判斷識別過電壓因素及過電壓情況的嚴重程度，檢測回路工作正常是轉子過電壓保護裝置動作正確的前提。一旦發生轉子過電壓保護誤動，可能造成機組強迫停運或電力供應中斷，給發電企業的正常運行帶來較大影響。筆者采用理論研究和現場驗證的方法，分析了一起機組出線單相接地故障恢復過程中勵磁系統轉子過電壓保護回路存在一定問題導致的非正常停機事故案例，并提出了相應的改進措施及建議。

1　機組參數及轉子過電壓保護

1.1 機組參數

某電廠300 MW火電機組發電機型號為QFSN-300-2-20，勵磁系統采用帶有主勵磁機和副勵磁機的三機方式，勵磁調節器型號為Unitrol 6080，相關技術參數見表1。

表1　發電機及勵磁機技術參數

1.2 轉子過電壓保護原理

轉子過電壓保護的基本電路及原理是1組正反向并聯的可控硅串聯1個放電電阻后再并聯在勵磁繞組兩端，當可控硅的觸發器電路檢測到轉子過電壓后，立即發出觸發脈沖使可控硅導通，利用放電電阻吸收過電壓能量[3]。

目前，在大型發電機組上，普遍使用的轉子過電壓保護裝置是跨接器(Crowbar)。對于Unitrol 6080勵磁系統，其轉子過電壓保護裝置主要由跨接器、觸發回路、轉子過電壓檢測元件轉折二極管(BOD)、電流繼電器及滅磁電阻等組成(見圖1)。當發電機機端出現如短路、非同期并列或異步運行故障時，會在發電機轉子上感應出磁場電流并在轉子回路中產生過電壓，當過電壓值達到BOD的動作閾值時，該裝置檢測轉子回路中的正向和反向過電壓，觸發導通相應的可控硅將滅磁電阻并聯到轉子兩端，同時通過電流檢測啟動磁場開關瞬時跳閘[4]。K1、K2、K3分別接入不同的跳閘信號(保護動作、滅磁開關跳閘、勵磁調節器故障)，在跳閘信號動作時導通V1、V2，將R02接入轉子兩端。正常運行時，如果出現超過A02板定值的過電壓時，A02板將導通V1或V2，使R02接入轉子兩端[5]。

V1—正向可控硅；V2—反向可控硅；A02—轉子過壓感應板；R02—非線性滅磁電阻。

2　故障情況

2016年1月23日，該機組正常運行，發電機有功功率300 MW，無功功率160 MV·A，轉子電壓404 V，轉子電流2 030 A，主勵磁機定子電流105 A，副勵磁機定子電壓202 V，勵磁調節器(AVR)輸出電壓(主勵磁機轉子電壓)49 V。

15：03：18， 分布式控制系統(DCS)報警信號發“故障錄波器啟動”、“發電機失磁保護動作”、“4A/4B快切裝置動作”。

隨后發電機跳閘，汽輪機聯跳，鍋爐主燃料跳閘(MFT)； 6 kV廠用電切換正常。

15：39：00，機組轉速到零，盤車投入正常。

2.1 檢查發變組保護柜

故障錄波器記錄整理如下：

(1) 15：03：10.764外部電網系統發生波動，主變高壓側中性點零序電流增至0.21 kA，發電機C相電壓降低約5%，故障持續72.8 ms。

(2) 勵磁系統跟隨增勵磁，主勵磁機的轉子電流升高至1.67倍額定值(額定電流135 A)。

(3) 72.8 ms后，故障消失，電壓恢復，勵磁調節器快速減勵磁，快速減勵磁過程中主勵磁機轉子過壓保護動作。

(4) 102 ms后，調節器發出“AVR內部故障”信號，726 ms后勵磁調節器出口滅磁開關Q02跳開，4.537 s后發電機失磁保護動作，5.062 s后發電機主開關跳閘，機組停機。

調取發變組故障錄波圖(見圖2)，可以查到事故發生后500 ms，失磁保護1段動作，定值和動作時間均正確。但是，滅磁開關分開前，先是主勵磁機轉子上出現了反向電壓，隨后AVR裝置故障信號發出，故需要重點檢查勵磁系統相關回路。

圖2　發變組故障錄波圖

2.2 檢查勵磁調節柜

(1) 勵磁調節器柜內設備檢查，未發現二次接線有絕緣損壞、發熱、異味等現象。

(2) 勵磁調節器跨接器接線和可控硅檢查未見異常。

(3) 調閱并整理勵磁調節器事件記錄見表2。

表2　勵磁調節器事件記錄

由表2可見跳閘的直接原因是Crowbar過電壓保護動作。重點檢查Crowbar過電壓保護回路。

2.3 檢查轉子過電壓保護回路

(1) BOD元件檢測。動作電壓2 605.5 V，BOD元件功能正常。

(2) 電流互感器(T02)元件檢測。節點1、2動作值69 A，節點3、4動作值73 A，誤差屬于正常范圍，未發現異常。

(3) 跨接器硅堆元件檢測。 對跨接器硅堆中兩個可控硅施加600 V耐壓時的漏電流均為0.14 mA，屬于正常范圍，未發現異常。

(4) 跨接器K1、K2繼電器檢查。勵磁調節器正常運行時，K1繼電器不動作，狀態正常；K2繼電器在動作位置，狀態不正常。

(5) 滅磁開關輔助觸點檢查。拆開設備上的輔助觸點觀察，發現觸點31、32、34有過流燒壞的跡象(見圖3)。觸點31為公共點，正常情況下觸點31、32為常閉點，觸點31、34為常開點。燒壞后無論滅磁開關處于合或分狀態，觸點31、32一直是閉合狀態，觸點31、34一直是常開狀態，不會有任何變化。初步判斷：滅磁開關輔助接點沒能正常切換是造成K2繼電器動作的原因。

圖3　損壞的滅磁開關輔助觸點照片

3　原因分析

3.1 轉子過電壓保護邏輯

與轉子過電壓裝置硬件回路對應有轉子過電壓保護軟件邏輯，其邏輯框圖見圖4。

圖4　過電壓保護邏輯框圖

信號Rel Rotor Slip可選擇跨接器是否能再觸發，現場AVR裝置參數該信號沒有選擇，即于邏輯中為0。當機組在并網運行時(Field Breaker is Closed)，若由于某些原因使得跨接器硅堆中的可控硅觸發導通(例如主勵磁機轉子電壓因故障升高至AVR裝置過電壓保護定值，BOD元件會被轉折使跨接器硅堆中的可控硅V1導通)，此時主勵磁機轉子、跨接器可控硅、滅磁電阻會形成一個回路，主勵磁機轉子上的電流通過該回路續流。電流繼電器檢測到跨接器回路上的電流大于保護定值后，其觸點1、2會吸合，使正向負向電流過大(Positive or Negative Current Flow)信號發出，若100 ms之后該信號仍存在，即主勵磁機轉子電壓仍大于過電壓保護定值，且沒有外部跳閘信號(External Trip)，就會產生“過電壓故障”信號，AVR裝置會發一個跳閘指令，使滅磁開關跳開并進行滅磁指令。

3.2 滅磁開關輔助觸點分析

滅磁開關Q02輔助觸點的型號為AUX-C 3Q1SY-Cable 250VAC/DCT4/6，其容量為0.3 A(110 V)，常開常閉共用公共端。滅磁開關正常閉合時，觸點31、32由閉合變為斷開，觸點31、34由斷開變為閉合。當AVR裝置發出分滅磁開關指令(繼電器K280吸合)時，由于二跳線圈的阻值只有140 Ω左右且是一個純電感元件，回路電壓110 V，輔助觸點在斷開的一瞬間會產生很大的過電壓，燒壞該對觸點，導致觸點31、32貼合后無法斷開，不能正確動作(見圖5中虛線)。

圖5　觸發K2繼電器導通的滅磁開關輔助接點

3.3 電流繼電器的觸點分析

AVR裝置的電流繼電器T02型號是1.1/4 kV/2 kV，有1、2和3、4共兩對常開觸點，動作定值為40 A。機組在運行過程中，若電流繼電器檢測到跨接器回路中有大于40 A的電流存在，其觸點1、2及觸點3、4會同時吸合。觸點1、2吸合后，若經過100 ms該觸點仍處于吸合狀態，AVR裝置就會發出“過電壓故障”；但同時一旦觸點3、4吸合，不會有任何時間的延遲，圖5中的分閘繼電器K200就會動作去分滅磁開關，并發出AVR裝置內部故障信號。此硬件回路設計與第3.1節中所述的軟件邏輯設計存在不一致的問題。而事實上，在雙通道勵磁系統中，并不需要設計此硬件回路。圖6給出了故障發生時滅磁開關分閘動作時序，滅磁開關分開前，先是主勵磁機轉子上出現了反向電壓，隨后T02的3、4觸點動作，分閘繼電器K200動作分滅磁開關，并發出AVR裝置內部故障信號。

圖6　滅磁開關分閘動作時序

3.4 綜合分析

跨接器過電壓保護動作的原因是Q02開關輔助接點沒能正常切換，造成跨接器滅磁用K2繼電器一直處在動作狀態，對應的可控硅門極一直接受到觸發信號，一旦給該可控硅施加正向電壓，上負下正V2就會導通，使得主勵磁機轉子、跨接器可控硅、滅磁電阻形成了一個回路。

當外部電網系統發生波動，勵磁系統跟隨增勵磁，系統故障消失后，勵磁調節器快速減磁時產生反向電壓，V2導通引起跨接器T02繼電器動作，勵磁調節器“AVR內部故障”，Q02開關跳閘，發電機失磁。

Q02開關跳閘2回路采用的輔助接點容量不夠。由于調試和試驗過程Q02開關跳閘2回路會多次接通，流過輔助接點電流引起輔助接點動觸頭變形，造成Q02開關跳閘2用輔助接點不能夠正常切換。

綜合以上分析，該機組跳機的直接原因是轉子過電壓保護動作，根本原因是滅磁開關輔助接點過流黏合，轉子過電壓硬件回路存在設計缺陷問題。

4　改進措施

針對此跳機事件，提出以下改進措施及建議：

(1) 將電流繼電器T02的觸點3、4接線解除，暫不參與跳閘，保留觸點1、2參與過電壓故障報警。

(2) 更換滅磁開關輔助接點，鑒于該繼電器參與跳閘邏輯且存在常開常閉共用公共端的現象，建議將繼電器改用獨立的輔助接點，確保分合閘回路的可靠性。

(3) 在機組大修期間對跨接器進行檢測，包括觸發板、BOD、電流互感器等，并對滅磁開關輔助觸點進行重點測試。

(4) 制定備件儲備定額，定額數量宜不少于10%，包括但不限于滅磁電阻及轉子過電壓保護組件[6]。

(5) 加強運行巡檢與設備點檢，及時發現與控制事故隱患。

(6) 對繼電保護與勵磁系統間的配合關系進行認真梳理，對不合理的部分及時修改，確保機組安全運行。

5　結語

轉子過電壓保護是對發電機設備的重要保護措施，關系到機組的安全穩定運行，但在系統投運后發電企業對該保護硬件回路及軟件邏輯的關注度不高。筆者針對此次跳機事件以Unitrol 6080勵磁系統的轉子過電壓裝置為例進行了分析，并提出了防范措施與建議，以期對于采用同類型勵磁調節器的發電企業防止類似事件發生起到一定的借鑒作用。

參考文獻：

[1] 劉取. 電力系統穩定性及發電機勵磁控制[M]. 北京: 中國電力出版社, 2007.

[2]王清明. 300 MW機組勵磁低勵限制引起功率異常波動分析[J]. 熱力發電, 2009, 38(12): 75-77.

[3]孟凡超,吳龍. 發電機勵磁技術問答及事故分析[M]. 北京: 中國電力出版社, 2008.

[4]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.

[5]李大公,熊尚峰,洪權,等. 轉子過電壓保護的有關問題分析[J]. 湖南電力, 2013, 33(2): 31-34.

[6]國家發展和改革委員會. 大中型水輪發電機自并勵勵磁系統及裝置運行和檢修規程: DL/T 491—2008[S]. 北京: 中國電力出版社, 2008.