機(jī)組停機(jī)投電制動(dòng)時(shí)發(fā)電機(jī)動(dòng)力柜斷路器動(dòng)作事件分析

張愛東，蘇小雪，魏 丹

(中國長江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133)

作為水電站重要的電氣設(shè)備之一，發(fā)電機(jī)動(dòng)力柜的作用不僅能夠?yàn)橛秒娫O(shè)備提供動(dòng)力電源，還能夠啟停操作用電設(shè)備，控制著高壓油頂起油泵、加熱器、制動(dòng)器吸塵裝置、碳粉吸收裝置和下導(dǎo)油霧吸收裝置等機(jī)組重要輔助設(shè)備[1-2]。其中，高壓油泵是啟停發(fā)電機(jī)所需重要設(shè)備，可見發(fā)電機(jī)動(dòng)力柜在機(jī)組啟停過程中發(fā)揮著重要作用，其有條不紊的運(yùn)行是機(jī)組正常啟停的關(guān)鍵。

本文針對(duì)某實(shí)際水電廠發(fā)生的一起停機(jī)投電制動(dòng)時(shí)發(fā)電機(jī)動(dòng)力柜斷路器動(dòng)作事件進(jìn)行分析，探究斷路器動(dòng)作的原因，并據(jù)此提出了相關(guān)的建議和措施，保證發(fā)電機(jī)動(dòng)力柜的正常運(yùn)行。

1 事件經(jīng)過描述

2013年4月8日16時(shí)20分，某水力發(fā)電廠在做31F發(fā)電機(jī)停機(jī)試驗(yàn)投入電制動(dòng)時(shí)，引起了該發(fā)電機(jī)機(jī)端母線31P 400 V I 段的電壓下降至363 V，并持續(xù)了大約為3 min左右的時(shí)間，此后，母線電壓才恢復(fù)至正常電壓382 V左右。與此同時(shí)，系統(tǒng)監(jiān)控到其他相關(guān)故障，如表1所示。

如表1所示，由于31F發(fā)電機(jī)動(dòng)力柜1號(hào)電源取自31P機(jī)組自用電400 V I 段母線。當(dāng)投入電制動(dòng)電壓降低到363 V后，I段進(jìn)線的電壓監(jiān)控繼電器檢測(cè)到其電壓降低到欠壓保護(hù)動(dòng)作值(相電壓設(shè)定為210 V，線電壓約為363.7)，PLC動(dòng)作，I段進(jìn)線斷路器分閘，但同時(shí)分段斷路器沒有正常合閘而是脫扣，200 ms后II段進(jìn)線斷路器也脫扣，最終導(dǎo)致兩端母線都失電。

表1 停機(jī)投電制動(dòng)時(shí)故障描述

2 原因分析

2.1 母線電壓下降分析

圖1給出了本次斷路器動(dòng)作事件中，停機(jī)電制動(dòng)投入后31號(hào)機(jī)組自用電I段母線電壓和電流的變化情況。

圖1 31F機(jī)組自用電I段母線電壓和電流的變化情況

分析圖1可知，在電制動(dòng)投入后，31F機(jī)組自用電I段母線急劇下降，而進(jìn)線電流出現(xiàn)勵(lì)磁涌流。在16:22左右，進(jìn)線電流增加了約1 000 A左右，而I段母線電壓下降至369.4 V，下降幅度達(dá)31 V左右。此外，10 kV母線電壓偏低(9.5 kV)，從而導(dǎo)致恢復(fù)正常后400 V母線電壓也偏低(382 V左右)，這也是出現(xiàn)發(fā)電機(jī)動(dòng)力柜進(jìn)線斷路器欠壓動(dòng)作的一個(gè)很重要的因素。

圖2給出了25F、28F停機(jī)過程中投入電制動(dòng)時(shí)，兩機(jī)組對(duì)應(yīng)400 V自用電母線電壓和電流的變化。此外，在該試驗(yàn)過程中，兩機(jī)組動(dòng)力柜均未發(fā)生斷路器動(dòng)作事件。

圖2 25F、28F機(jī)組對(duì)應(yīng)自用電母線電壓和電流的變化情況

從圖2中可明顯看出，兩臺(tái)機(jī)組停機(jī)時(shí)投入電制動(dòng)時(shí)，進(jìn)線處電流均會(huì)出現(xiàn)較大的涌流分量，進(jìn)而導(dǎo)致母線電壓出現(xiàn)了不同程度的下降。其中，與31F停機(jī)投電制動(dòng)情況類似，25F在停機(jī)投電制動(dòng)后，產(chǎn)生了大小約為1 000 A左右的涌流，并引起25F自用電2號(hào)母線電壓下降至363 V左右，持續(xù)時(shí)間約為3 min。

上述分析表明，機(jī)組停機(jī)時(shí)投電制動(dòng)時(shí)都會(huì)出現(xiàn)不同程度的電壓下降。經(jīng)過分析，可知其電壓下降的原因在于停機(jī)試驗(yàn)時(shí)投入的電制動(dòng)增大了系統(tǒng)中的負(fù)荷，而系統(tǒng)中滯后的無功功率會(huì)引起系統(tǒng)的電壓損失，從而造成母線電壓的下降。通過上述測(cè)試可知，在停機(jī)過程中電制動(dòng)投入時(shí)，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)1 000 A左右的勵(lì)磁電流。此外，一些文獻(xiàn)資料表明，在該大小的電流下能夠引起20 V左右的電壓降，但單純的電壓下降不會(huì)導(dǎo)致斷路器動(dòng)作[3-4]。

2.2 斷路器脫扣現(xiàn)象原因分析

由表1可知，該停機(jī)投電制動(dòng)發(fā)電機(jī)斷路器動(dòng)作事件中，分段斷路器和II段進(jìn)線斷路器均發(fā)生脫扣現(xiàn)象，使得動(dòng)力柜不能為發(fā)電機(jī)正常啟停提供可靠電源，因此，值得深入探究該現(xiàn)象發(fā)生原因。

圖3給出了該發(fā)電機(jī)動(dòng)力柜接線情況。

該31F機(jī)組動(dòng)力柜I段和II段母線所帶負(fù)荷主要為45 kW的油泵和10個(gè)4 kW的加熱器，QF1、QF2、QF3分別為進(jìn)線I、進(jìn)線II斷路器和分段斷路器，均為西門子3VL系列，其額定電流In分別為250 A、250 A和160 A。脫扣器類型為熱磁式，配有瞬時(shí)保護(hù)和過載保護(hù)。其中，高壓油泵在機(jī)組轉(zhuǎn)速<90%時(shí)啟動(dòng)，開停機(jī)過程中的作用是在鏡板和推力瓦之間建起油膜，以防止機(jī)組啟停過程中慢速旋轉(zhuǎn)使推力瓦承重過大造成瓦面或鏡面磨損，是發(fā)電機(jī)啟停過程必帶的重要負(fù)荷。

圖3 發(fā)電機(jī)動(dòng)力柜接線圖

為了探究斷路器脫扣原因，本文通過加減動(dòng)力柜所帶油泵和不斷修改斷路器的保護(hù)定值的電源切換試驗(yàn)，調(diào)節(jié)KV01失壓以模擬31F停機(jī)投電制動(dòng)過程。所得不同情況下的試驗(yàn)結(jié)果，如表2～表6所示。其中，Ii和Ir分別表示瞬動(dòng)保護(hù)電流整定值和過載保護(hù)電流整定值。

表2 動(dòng)力柜負(fù)荷不帶油泵

表3 動(dòng)力柜負(fù)荷帶單臺(tái)油泵

針對(duì)三臺(tái)斷路器脫扣Ii=6In，Ir=In的定值情況時(shí)，分析表2～表3可知，當(dāng)兩母線只帶加熱器，母線I失壓后進(jìn)行電源切換時(shí)，斷路器均能正確動(dòng)作，該現(xiàn)象表明單純的母線失壓進(jìn)行電源切換不會(huì)引起斷路器異常動(dòng)作。而當(dāng)母線I加帶單臺(tái)油泵時(shí)，調(diào)節(jié)KV01模擬母線I失壓后，在切換到另一條母線供電的過程中，分段斷路器和母線II進(jìn)線斷路器均出現(xiàn)了脫扣現(xiàn)象，導(dǎo)致兩段母線同時(shí)失電。此外，由于所選斷路器容量足夠，可排除過載跳閘的影響。經(jīng)推斷分析，該現(xiàn)象發(fā)生的原因在于油泵停止又立即啟動(dòng)過程中產(chǎn)生了很大的啟動(dòng)電流，且其值大于兩斷路器最大瞬動(dòng)設(shè)置值1 500 A。

表4 動(dòng)力柜帶單臺(tái)油泵，斷路器瞬時(shí)保護(hù)定值Ii均調(diào)至8In

表5 動(dòng)力柜負(fù)荷帶兩臺(tái)油泵，三臺(tái)斷路器瞬時(shí)保護(hù)定值Ii調(diào)至8In

表6 動(dòng)力柜帶兩臺(tái)油泵，分段斷路器瞬時(shí)保護(hù)定值Ii調(diào)至10In

增大斷路器瞬動(dòng)保護(hù)整定值，針對(duì)三臺(tái)斷路器脫扣整定值為Ii=8In，Ir=In時(shí)，分析表4～表5可知，在僅母線I段加帶一臺(tái)油泵情況下，調(diào)節(jié)KV01模擬母線I失壓后，在進(jìn)行電源切換過程中，分段斷路器和母線II正常合閘均能正常合閘，由于此時(shí)流經(jīng)兩斷路器的電流值大小相等，說明在油泵停止又立即啟動(dòng)過程中產(chǎn)生的啟動(dòng)電流小于兩斷路器所設(shè)定瞬動(dòng)電流值的最小值，即1 280 A；在每段母線都帶一臺(tái)油泵情況下，分段斷路器脫扣，而母線II正常合閘，發(fā)生該現(xiàn)象的原因在于電源切換過程中，啟動(dòng)電流值1 280～2 000 A之間，進(jìn)而僅導(dǎo)致分段斷路器脫扣。如表6所示，若將分段斷路器的瞬時(shí)保護(hù)定值提高到10倍額定電流值，兩斷路器均能正確工作，表明兩段母線分別加帶一臺(tái)油泵情況下，在電源切換過程中，油泵停止又立即啟動(dòng)過程中產(chǎn)生的啟動(dòng)電流小于1 600 A，不會(huì)導(dǎo)致QF2和QF3脫扣。

綜合上述分析可知，4月8日16:20監(jiān)控報(bào)“發(fā)電機(jī)動(dòng)力柜分段和II段進(jìn)線斷路器脫扣”都是正常的保護(hù)動(dòng)作，其原因是動(dòng)力柜所帶負(fù)荷油泵在停止又瞬間啟動(dòng)時(shí)會(huì)有很大的啟動(dòng)電流(大約為1 500～1 600 A)，小于斷路器瞬動(dòng)保護(hù)整定值，造成斷路器的正常保護(hù)動(dòng)作。

3 處理對(duì)策

1)通過上述加減負(fù)載和改變斷路器保護(hù)整定值試驗(yàn)，可知負(fù)載的啟動(dòng)電流過大是導(dǎo)致斷路器動(dòng)作的主要原因，由斷路器動(dòng)作狀態(tài)可確定該電流值的范圍，在實(shí)際應(yīng)用中得以參考調(diào)整斷路器瞬動(dòng)保護(hù)電流整定值。對(duì)于其它機(jī)組的發(fā)電機(jī)動(dòng)力柜，建議停機(jī)時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)后，確定電流保護(hù)定值。

2)PLC程序中進(jìn)線斷路器失壓分閘和分段斷路器合閘或脫扣沒有時(shí)間延遲，二者同時(shí)進(jìn)行。但由于I段和II段的進(jìn)線電源是非同期的，若在進(jìn)線斷路器主觸頭沒有完全斷開的情況下，分段斷路器合閘會(huì)導(dǎo)致合環(huán)[5]。因此，建議對(duì)所有動(dòng)力柜中帶PLC程序存在的開關(guān)動(dòng)作流程無延時(shí)的進(jìn)行程序修改。

3)雖然停機(jī)投電制動(dòng)后電壓下降屬于正常現(xiàn)象，但宜控制使得10 kV母線和400 V母線的電壓都不會(huì)過低。

4)根據(jù)試驗(yàn)所得結(jié)果，將全電站所有動(dòng)力柜中低壓動(dòng)作值、斷路器的脫扣器整定值重新整定。

4 結(jié) 語

針對(duì)某水電廠發(fā)生的一起停機(jī)投電制動(dòng)時(shí)斷路器動(dòng)作事件，通過模擬試驗(yàn)可知停機(jī)投電制動(dòng)過程中將產(chǎn)生較大的啟動(dòng)電流，若該電流值大于發(fā)電機(jī)動(dòng)力柜斷路器脫扣瞬動(dòng)保護(hù)電流整定值，將導(dǎo)致斷路器正常動(dòng)作。因此，為了停機(jī)投電制動(dòng)不至于令發(fā)電機(jī)動(dòng)力柜正常脫扣動(dòng)作，應(yīng)對(duì)廠內(nèi)所有發(fā)電機(jī)動(dòng)力柜進(jìn)行停機(jī)試驗(yàn)，大致獲得所帶相應(yīng)負(fù)載下的啟動(dòng)電流范圍，結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，確定斷路器電流保護(hù)整定值。