基于運行現場的發電機組異常分析

王立華

（國家能源費縣發電有限公司，山東 臨沂273425）

在分析生產實際問題中，運行人員應積極發揮業務特長。作為運行人員，筆者曾及時解決過現場的幾類發電機組異常。本文也以此為基礎，就如何分析異常，總結規律。

某廠1 號、3 號發電機組額定功率均為300MW，額定電壓20kV，額定電流10189A，裝設常規發電機保護，配置有永磁副勵磁機的發電機交流勵磁機系統（見圖），通過監視主勵磁機的勵磁參數反映勵磁系統的運行狀態，其空載勵磁電流57A，空載勵磁電壓3.84V。

1 發電機異常案例分析

1.1 發電機電壓表指示有誤，影響并網10 個小時

2001 年10 月6 日，1 號機組多次并網操作中，自動同期裝置均不能輸出合閘信號，導致10 個小時不能并網；并伴隨過激磁V/HZ 保護動作報警,但發電機電壓表計指示為20kV、空載頻率指示50HZ，均為額定值。期間，電氣維修人員對自動同期裝置、AVR 系統、并網TV 二次電壓輸出、各測量回路、電氣保護及邏輯、并網斷路器及其操作回路等進行了全面排查，未發現異常。

當了解上述情況后，立即建議更換發電機20kV 電壓表。措施采納后，發電機很快并網成功。即在不到10 分鐘內解決了10個小時不能并網的重大事件。異常的正確判斷，是由一組數據開始的。當時，發電機出口電壓及主勵磁機空載勵磁電流、勵磁電壓表指示分別為20kV、60.5A、4.05V。在正常空載額定運行時，由于定子鐵芯磁通未進入磁飽和狀態，上述三個特性數據相互之間應為線性比例（或接近線性比例）關系，而當時這種對應關系實際發生了一點偏差。即勵磁參數60.5A、4.05V 之間呈現對應關系，而勵磁參數60.5A、4.05V 與發電機出口電壓20kV之間均不能比例對應。并且主勵磁機空載勵磁電流、勵磁電壓已大于額定空載數值（57A、3.84V）5%左右，而發電機電壓為20kV，等于額定值。

由此可判斷：既然勵磁參數之間符合比例關系，那么主勵磁機 空載勵磁電流、勵磁電壓表應判斷為指示準確；而由發電機電壓與空載勵磁電流、勵磁電壓均不成比例，且已校驗其傳感器輸出正常，可初步判斷發電機電壓表表頭指示有誤，即偏小。這是此次異常分析的關鍵。因勵磁參數已超過空載值，雖然發電機電壓表計指示相對偏小，但實際開入同期裝置的電壓量可能已偏大，并超出允許范圍，這同時可由V/HZ 保護報警證實，并由此保護動作閉鎖了自動同期裝置，所以機組不能并網。并網時，操作及技術人員疏忽了主勵磁機空載勵磁電流、勵磁電壓與發電機電壓數值的線性對應關系，過度依賴指示有誤的發電機電壓表，為滿足電機出口額定為20kV 電壓的并網條件，過度升高了勵磁參數，使發電機實際電壓超出范圍而不能實現并網。根據多年經驗，每次并網發電機電壓達20kV 時，受各種因素的影響，空載勵磁電流及勵磁電壓與其額定值總有一點偏移，這是造成疏忽的主要原因。另外，該機組電氣表采用美國GE 公司產品，投產10 多年，從未發生差錯，這也是本次并網異常未能及時正確分析的原因之一。

根據上述分析，現場更換了電壓表，實際發電機電壓已超過21kV，證明判斷正確，也就及時解決了此次并網異常。

1.2 發電機差動保護兩次誤動

故此，縮短了事故處理的時間或避免了300MW 機組的再次誤跳閘。

1.3 線路短路引起發電機低頻保護誤動

2000 年10 月，距離該廠約18 km 處某變電站1 條新建220kV 線路第1 次空載充電時，發生三相金屬性永久短路事故。引起新投運的該廠3 號機3 套低頻保護動作，造成該機組跳閘一次。當時，某些技術人員認為短路發生后，發電機定子電流瞬間增大幾倍，即輸出變大，應判斷低頻保護動作正確。而本人提出了相反的觀點：低頻保護屬于誤動，應進行校驗；否則，不能投入運行。分析如下：

當高壓線路發生三相金屬性短路時，必將產生發電機暫態穩定問題。由于本區域電壓突降，發電機電磁有功很難送出，而原動機的機械轉矩又一時降不下來，因而作用到轉子上的轉矩將失去平衡，使發電機轉子開始加速，甚至導致滑極失步，由隱極發電機電磁轉矩公式可得：

式中M——發電機電磁轉矩；m——相數（為3）；E——發電機定子繞組勵磁電勢；U——電網電壓；

ω——發電機機械角速度；X——發電機與系統的聯絡電抗；δ——發電機運行中的功率角。

短路發生瞬間，高壓母線電壓U 很低（事故殘壓），根據式上述公式，此時發電機電磁轉矩M 接近于零（即發電機有功功率很小），而汽機拖動轉矩又基本不變，于是轉子轉矩過剩。在過剩轉矩的作用下，發電機開始加速，其功率角δ 不斷增大。但此次短路故障中，在很短的時間內（不到100ms）就切除了該故障線路（重合閘停用，且手合于故障線路時閉鎖本裝置）。當故障點隔離、電壓恢復后，發電機功角曲線與故障前一樣。由于發電機δ 角已經變大，使發電機輸出電磁功率大于原動機功率，轉子開始減速。在綜合正阻尼力矩的作用下，轉子消耗能量后，發電機最終將穩定在功角曲線原δ 角對應點運行，即機組恢復到該線路充電前的運行狀態。

在發電機從突然短路的最初次暫態到暫態過程的衰減及快速切除故障的整個過程中，發電機為同步振蕩狀態，頻率應不變。故此次短路故障時，3 號發電機低頻保護（此保護電壓回路接自發電機定子繞組出口20 kV 電壓互感器）不應動作，即3 套低頻保護動作均屬于誤動。后來對這3 套保護各做了3 次現場模擬實驗，證實了上述判斷的正確性。

由于及時提出低頻保護屬于誤動的分析，避免了保護裝置再次誤投入和今后機組的再次誤跳閘。

2 結論

2.1 分析異常，掌握發電機、電網及保護等運行原理是快速解決問題的基礎。例如1.1 事例中，發電機電壓與勵磁參數應成比例對應關系；1.2 事例中，運用差動保護原理判斷其回路有短接線；1.3 事例中，運用發電機與網絡運行原理相結合進行低頻保護動作行為分析。這都是正確實踐原理分析的結果。

2.2 分析異常，掌握事故報警之間、狀態參數之間、電氣一次、二次系統之間，以及報警與參數之間應具有內在聯系性或其邏輯性等，并運用正確的方法，即能快速判斷出故障點或原因。這是解決問題的關鍵。1.1 事例中，由勵磁參數60.5A、4.05V與發電機20kV 之間均未呈現對應關系，應初步判斷發電機電壓表計指示有誤，因為勵磁參數兩個表計同時指示有誤的幾率很小；1.2 事例中，發電機能承受額定電壓，并能帶一定負載運行，可初步判定發電機一次回路確無短路等故障，問題應在保護回路；1.3 事例中，由一次系統（發電機）應為同步振蕩狀態，從而可判斷低頻保護繼電器誤動。上述就是在掌握了所有的事故報警、狀態等信息后，利用他們之間的內在關系，并應用歸納、演繹和排除法等手段，逐步縮小分析范圍的成功案例。

2.3 分析異常，運行人員要有豐富的現場經驗并掌握主要的數據，是快速判斷問題的前提。1.1 事例中，判斷發現空載勵磁參數超出正常空載范圍；1.2 事例中，及時發現發電機跳閘瞬間定子一次電流與差動保護二次定值相對應，且差動回路的短接線可能在TA 端子箱內。這都說明熟悉設備主要數據以及具有現場經驗對快速分析問題的重要性。

2.4 分析異常，電氣運行更具有系統性、整體性的特長，更有利于對復雜或原因不明的事件的判斷處理。運行涉及電氣一、二次系統，要求掌握發電機、網絡及保護等所有設備運行原理，故整體性強。而電氣檢修專業一般分電機、配電、保護、儀表、試驗等工種，并相對獨立，缺乏系統性，但其對相應的設備結構等較為熟悉。事故分析中，運行一方面應積極發揮業務優勢，另外應與檢修檢查結果相互結合，可快速查找原因。例如1.1 事例中，分析結論為發電機電壓表的表頭指示有誤，這是建立在維修人員已校驗其傳感器以及自動同期裝置、AVR 裝置等正常的基礎上做出的；1.3 事例中，通過對發電機與網絡一次系統的暫態分析，進而判斷二次保護動作行為等。這都體現了電氣運行人員系統性、整體性強的客觀優勢。

2.5 分析異常，應充分發揮運行人員是異常現象的直接感受者及在線性強的優勢，對快速得出結論很有幫助。一般生產現場發生事故而停運后，具體的原因排查過多依賴于檢修專業，而對運行要求則側重于安全停機或防止事故擴大等方面。事實上，檢修專業因工種較多，相對缺乏系統性和整體性，若運行與檢修互相配合，發揮其在線優勢，有的放矢，可提高處理事故的效率。同時,也提高了電氣分析能力，對保障日常安全運行也很有幫助。