發(fā)電機(jī)組電制動(dòng)停機(jī)過程測速裝置誤發(fā)信號的分析

曹華鋒，陳鈺林，莫元雄，趙兵，羅克武

（廣東省能源集團(tuán)天生橋一級水電開發(fā)有限責(zé)任公司水力發(fā)電廠，貴州 興義 562400）

0 引言

天生橋一級水電廠裝配了4×300 MW機(jī)組，測速采用SJ-22D轉(zhuǎn)速測控裝置，通過測量機(jī)械轉(zhuǎn)速脈沖信號和發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓頻率，實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速的測量和控制。2019年5月至7月，2號機(jī)多次出現(xiàn)電制動(dòng)停機(jī)過程中，轉(zhuǎn)速下降至40%Ne時(shí)，在轉(zhuǎn)子加上制動(dòng)勵(lì)磁電流后，測速裝置誤發(fā)轉(zhuǎn)速大于95%Ne、115%Ne信號。期間還導(dǎo)致了勵(lì)磁調(diào)節(jié)器電制動(dòng)停機(jī)后不能切換至等待狀態(tài)，以及在機(jī)組遠(yuǎn)方開機(jī)過程中建壓不成功的問題。雖然誤發(fā)過速信號，但機(jī)組仍能完成停機(jī)，下次開機(jī)時(shí)，機(jī)組啟動(dòng)→起勵(lì)建壓→并網(wǎng)運(yùn)行一切正常。2號機(jī)從5月13日首次誤發(fā)過速信號后，又經(jīng)歷多次制動(dòng)停機(jī)過程，并未出現(xiàn)過速信號。但6月20日后又出現(xiàn)數(shù)次制動(dòng)停機(jī)時(shí)故障重現(xiàn)的情況，可見故障具有隨機(jī)的特點(diǎn)。在確認(rèn)測速裝置本身無故障之后，初步判斷是外界電磁干擾所致，因而將二次電纜更換為抗干擾性能更佳的產(chǎn)品，但故障并未消除。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)及分析，最終查出故障的原因是電壓互感器（PT）一次B相保險(xiǎn)存在缺陷使其電阻大幅增加而且數(shù)值不穩(wěn)定所致，經(jīng)更換B相PT一次保險(xiǎn)后，制動(dòng)停機(jī)時(shí)不再出現(xiàn)誤發(fā)信號故障。現(xiàn)對故障進(jìn)行分析，供同行參考。

發(fā)電機(jī)回路的簡化接線如圖1所示，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)采用經(jīng)消弧線圈接地方式，發(fā)電機(jī)回路的三相對地電容分別為Ca、Cb、Cc，Y0/Y0接法的PT一、二次中性點(diǎn)接地，PT二次側(cè)線電壓Uab接測速裝置的電氣測頻回路輸入端，發(fā)電機(jī)出囗接電氣制動(dòng)短路開關(guān)QK。機(jī)組停機(jī)過程可以分為4個(gè)階段：解列后滅磁前、解列滅磁后、轉(zhuǎn)速下降至40%Ne制動(dòng)前、轉(zhuǎn)速下降至40%Ne投入制動(dòng)后。現(xiàn)就4個(gè)階段的運(yùn)行情況分別進(jìn)行論述，分析事件的原因和特點(diǎn)。

圖1 發(fā)電機(jī)回路簡化接線圖

1 解列后滅磁前

采用B相保險(xiǎn)完好和B相保險(xiǎn)有缺陷兩種情況進(jìn)行分析對比，以便更清晰了解故障的特點(diǎn)。

1.1 PT一次B相保險(xiǎn)完好

此時(shí)機(jī)端三相電壓接近額定電壓，PT二次線電壓約100 V，相電壓100/V。經(jīng)測量相電壓中三次諧波電壓大約為基波的2.5 %，由于三相中三次諧波電壓相位差是3×120°，所以是同相位的，各相的三次諧波電壓可通過消弧線圈和各相對地電容（由于PT的勵(lì)磁電抗比對地電容容抗大得多，可以忽略）形成電流通路，則PT可以測到各相對地電容上的三次諧波電壓，而電氣測頻采樣電壓是線電壓，a、b相三次諧波相互抵消，因此線電壓只有基波而不含三次諧波分量，測速裝置顯示的是與轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的基波頻率。此時(shí)的基波電壓矢量圖如圖2所示。

圖2 解列滅磁基波電壓矢量圖

1.2 PT一次B相保險(xiǎn)有缺陷

PT一次保險(xiǎn)在長期運(yùn)行中，會受到各種穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)因素的沖擊[1]。例如，本廠機(jī)組在系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)調(diào)峰、調(diào)頻、自動(dòng)發(fā)電控制的任務(wù)，每臺機(jī)每年開停機(jī)100多次至300多次，每次開機(jī)建壓時(shí)，PT及其一次保險(xiǎn)就會受到勵(lì)磁涌流的沖擊。諸多因素對PT一次保險(xiǎn)影響的不斷積累，就可能使保險(xiǎn)出現(xiàn)缺陷。具體到本次故障來說，PT保險(xiǎn)在某種因素的沖擊下，B相保險(xiǎn)的薄弱處出現(xiàn)了一個(gè)微小的斷囗，但在一些點(diǎn)上還有粘連，并不是完全斷裂。機(jī)組正常運(yùn)行和解列后，機(jī)端電壓為額定電壓18 kV左右，B相保險(xiǎn)的微小斷囗會產(chǎn)生電弧，因電弧電阻很小，PT的B相一、二次電壓并沒有明顯變化，對機(jī)組運(yùn)行沒有影響，加之調(diào)速用PT沒有開囗三角繞組，不能測量到零序電壓的微小變化。如果忽略很小的電弧電阻，情況與本文1.1部分相同，矢量圖也和圖2相同，測速裝置顯示正常。

2 解列滅磁后

2.1 PT一次B相保險(xiǎn)完好

機(jī)組解列滅磁后，機(jī)端三相電壓只有數(shù)值很小的剩磁電壓（殘壓），實(shí)測PT二次剩磁線電壓大約3 V左右，但三相殘壓的相位關(guān)系和上述滅磁前本文1.1部分是一樣，三次諧波電壓也只有剩磁基波電壓的2.5%，且電氣測頻采樣電壓不含三次諧波。由于殘壓Uab超過測速裝置的采樣門檻電壓0.2 V，故正確顯示與轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的基波頻率，這時(shí)的基波矢量的相位關(guān)系與圖2相同，只是幅值大大減小而己。

2.2 PT一次B相保險(xiǎn)有缺陷

由于機(jī)端三相電壓只有數(shù)值很小的剩磁電壓，B相保險(xiǎn)微小斷囗的電弧會自行熄滅，保險(xiǎn)沒有缺陷時(shí)的電阻值很小（本廠現(xiàn)在使用的1 A保險(xiǎn)只有3.4 Ω），可以忽略，斷囗熄弧后保險(xiǎn)的電阻值會大幅升高，使B相PT的勵(lì)磁電抗串聯(lián)了缺陷保險(xiǎn)的電阻R，如圖3所示。從圖1可見，各相PT一次繞組與該相對地電容是并聯(lián)的，而PT的勵(lì)磁電抗比電容容抗大得多。例如，實(shí)測本廠單相PT二次繞組加上額定電壓57.7 V時(shí)的勵(lì)磁電流是0.56 A,則二次側(cè)勵(lì)磁電抗為57.7/0.56=103 Ω，PT電壓比K=180，PT一次勵(lì)磁電抗為XH=103×(180)2= 3 337 kΩ，5臺PT勵(lì)磁電抗并聯(lián)為667 kΩ，發(fā)電機(jī)回路每相對地電容C0=1.268 6 μF, 計(jì)算得對地電容基波容抗XC0=2.51 kΩ，勵(lì)磁電抗為容抗的200多倍，雖然B相保險(xiǎn)阻值增大使該相的總阻抗（R+jXH）增大了，但幾乎不會引起PT中性點(diǎn)產(chǎn)生位移，加在各相PT端口上（保險(xiǎn)前面）的仍然是三相平衡電壓。從圖3可見，加于電阻上的電壓為UR，加于B相PT一次繞組的電壓為UB1，B相電壓UB是二者的矢量和，即：

圖3 B相保險(xiǎn)有缺陷等效電路圖

圖4 解列滅磁后的基波電壓

以上采用PT一次側(cè)電壓來分析，變換成二次側(cè)電壓只要除以變比K（180）即可。

3 轉(zhuǎn)速下降至40%Ne制動(dòng)前

3.1 PT一次B相保險(xiǎn)完好

這時(shí)機(jī)端三相殘壓隨轉(zhuǎn)速按比例下降，但相位關(guān)系和三次諧波的描述與2.1部分是相同的，由于轉(zhuǎn)速下降至40%Ne，PT二次基波線電壓U˙ab降為3×0.4=1.2 V，高于采樣門檻電壓0.2 V，測速裝置會正確測量和顯示實(shí)際頻率（20 Hz左右）。

3.2 PT一次B相保險(xiǎn)有缺陷

機(jī)端三相殘壓隨轉(zhuǎn)速按比例下降，其描述與本文2.2部分是相同的，各電壓矢量的相位關(guān)系也與圖4相同，只是幅值隨轉(zhuǎn)速下降了，這時(shí)的基波最小采樣電壓為，仍高于采樣門檻電壓。雖然三次諧波和其他干擾波疊加在基波上，使波形有所畸變，但基波幅值遠(yuǎn)比諧波和干擾波大，而測頻采樣的削波電路，使波形只剩下底部幅值很小的一塊（0.2 V左右），波形畸變不會影響正確頻率測量。

4 轉(zhuǎn)速下降至40%Ne投入制動(dòng)后

這時(shí)的情況與制動(dòng)前有很大的不同：①合上圖1中的短路開關(guān)QK使發(fā)電機(jī)機(jī)端三相短路，當(dāng)然PT一次側(cè)引線也是三相短路；②發(fā)電機(jī)重新投入勵(lì)磁，制動(dòng)勵(lì)磁電流大約等于空載勵(lì)磁電流。

4.1 PT一次B相保險(xiǎn)完好

勵(lì)磁的投入使發(fā)電機(jī)三相定子繞組產(chǎn)生了感應(yīng)電勢，因而產(chǎn)生了三相短路制動(dòng)電流，設(shè)制動(dòng)電流為定子額定電流，則發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流為空載額定值。設(shè)發(fā)電機(jī)的三相基波電勢是三相平衡的，即幅值相等、相位互差120°，所產(chǎn)生的基波制動(dòng)電流也是三相平衡的，因而沒有基波電流進(jìn)入消弧線圈和各相對地電容,所以PT上沒有基波電壓。

發(fā)電機(jī)的三次諧波電勢是同相位的，三次諧波電流通過消弧線圈和各相對地電容形成通路，則PT測到的是對地電容（三相并聯(lián)）上的三次諧波電壓，由于PT一次引出端三相短路，故PT各相測到的是同一電壓，顯然各相電壓Ua、Ub、Uc的幅值和相位都是相同的，如圖5(a)矢量圖所示，則兩個(gè)相電壓矢量相減的線電壓Uab、Ubc、Uca都等于零,也即殘壓測頻的采樣電壓為零，測速裝置沒有頻率顯示。表1列出了現(xiàn)場測試的數(shù)據(jù)，可見3個(gè)相電壓幅值和相位相差很小,3個(gè)線電壓數(shù)值接近于零，表中列出了以A相電壓為基準(zhǔn)的理論值與之對比。

圖5 制動(dòng)投入后三次諧波電壓矢量圖

表1 投入制動(dòng)后各電壓的實(shí)測值和理論值

4.2 PT一次B相保險(xiǎn)有缺陷

測頻采樣電壓uab的錄波圖如圖6所示，圖中最上面通道是B相保險(xiǎn)有缺陷的波形，從錄波圖上面通道可見，波形己經(jīng)畸變，含有高頻的干擾波，但仍以三次諧波為主，只要細(xì)數(shù)一定時(shí)間間隔的波形數(shù)就可以看出頻率約為60 Hz。測頻采樣電壓如果大于測速采樣門檻電壓0.2 V，測速裝置會顯示三次諧波頻率。投制動(dòng)后三次諧波電壓矢量圖如圖5（b）所示，由于忽略PT繞組電阻，則的夾角是90°, 故隨著R阻值的變化的軌跡是以為直徑的一個(gè)半圓。

圖6 PT二次線電壓uab錄波圖

錄波圖下面兩通道是另外兩組PT三相保險(xiǎn)都完好時(shí)的波形，這時(shí)uab沒有基波和三次諧波，只有高頻干擾波，幅值低于采樣門檻電壓，測速裝置就不會顯示頻率。

表2 投入制動(dòng)后各電壓的實(shí)測值

B相保險(xiǎn)有缺陷時(shí)，投入制動(dòng)后出現(xiàn)過速信號的某個(gè)運(yùn)行狀態(tài)，各電壓的實(shí)測值如表2所示。這些電壓中不但有三次諧波, 也含有高頻干擾波，而圖5（b）的矢量圖只能表示三次諧波正弦電壓。如果忽略高頻干擾波，認(rèn)為二次電壓Ua、Uab為三次諧波正弦電壓，則乘以PT電壓比K就為一次電壓，即UA=KUa=0.489K，UAB1=KUab=UR=0.271K。從圖5（b）中的直角三角形可以算得UB1=0.407K，前面己算得PT的基波勵(lì)磁電抗為3 337 kΩ，三次諧波（60 Hz）的勵(lì)磁電抗為XPT=3 337×60/50=4 004 kΩ。從數(shù)值看，UB1/UR=IXPT/IR=XPT/R，可以算出本次發(fā)信狀態(tài)時(shí)的保險(xiǎn)電阻為R=XPT×UR/UB1=4 004×0.271/0.407=2 666 kΩ。

當(dāng)UR等于采樣門檻電壓0.2 V時(shí)，可計(jì)算出UB1=0.446K。轉(zhuǎn)速裝置能發(fā)過速信號的保險(xiǎn)臨界電阻值RCP=XPT×UR/UB1=4 004×0.2/0.446=1 796 kΩ。所以保險(xiǎn)電阻值必須大于RCP才能發(fā)信。運(yùn)行中，因電流沖擊（如開機(jī)勵(lì)磁涌流沖擊）、振動(dòng)、接觸電阻等原因，保險(xiǎn)電阻值是不穩(wěn)定的，在各次停機(jī)制動(dòng)時(shí)，若保險(xiǎn)電阻值大于RCP（1 796 kΩ）就會發(fā)信，小于RCP則不發(fā)信，這與運(yùn)行實(shí)際情況相符合。曾將有缺陷的B相保險(xiǎn)拆下實(shí)測其直流電阻值，經(jīng)過搖動(dòng)或放在不同位置阻值都不同，大約在200～2 700 kΩ的范圍內(nèi)變動(dòng)。

轉(zhuǎn)速裝置誤發(fā)過速信號的條件有二：①采樣電壓Uab大于門檻電壓（0.2 V）, 這在前面巳分析過；②實(shí)測頻率大于告警整定頻率，轉(zhuǎn)速下降至40%Ne投入電制動(dòng)時(shí)，對應(yīng)基波頻率為20 Hz，而采樣電壓Uab測到三次諧波頻率60 Hz，轉(zhuǎn)速115%Ne告警整定頻率為57.5 Hz,轉(zhuǎn)速95%Ne告警整定頻率為47.5 Hz,故測速裝置兩個(gè)告警信號都會啟動(dòng)。停機(jī)過程中隨著轉(zhuǎn)速下降使三次諧波頻率小于57.5 Hz時(shí), 轉(zhuǎn)速115%Ne告警信號先復(fù)歸，轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降使三次諧波頻率小于47.5 Hz時(shí), 轉(zhuǎn)速95%Ne告警信號復(fù)歸。

5 結(jié)語

（1）發(fā)電機(jī)出囗PT一次保險(xiǎn)故障時(shí)有發(fā)生[2-4]，它們大多是在正常運(yùn)行或開停機(jī)過程中出現(xiàn)的，是外部和內(nèi)部各種因素對保險(xiǎn)的不利影響不斷積累，而由量變到質(zhì)變的過程。保險(xiǎn)故障的情況各異，有快熔或慢熔，有完全斷裂或不完全斷裂，本文所述的就屬于電阻增大的不完全斷裂故障，具有相當(dāng)?shù)碾[蔽性。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)及分析，才查出故障原因是發(fā)電機(jī)出囗PT一次B相保險(xiǎn)存在缺陷使其電阻增加，導(dǎo)致電氣測頻采樣電路出現(xiàn)三次諧波電壓所致，當(dāng)阻值增大到使三次諧波電壓大于測頻采樣門檻電壓時(shí)，測速裝置就會發(fā)告警信號。

（2）PT高壓繞組屬于一次電路，低壓繞組屬于二次電路，電廠的檢修部門往往設(shè)一次、二次、通信等班組，各司其職。但是現(xiàn)場的一、二次設(shè)備是密不可分的，一次設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)控是靠二次設(shè)備來實(shí)施的，其故障現(xiàn)象往往由二次設(shè)備反映出來。因此在故障分析和查找時(shí)，必須一、二次綜合考慮。一般查找故障的順序應(yīng)是先一次、后二次，因?yàn)橐淮位芈方泳€要比二次回路簡單得多。例如這次故障，在經(jīng)過認(rèn)真分析確定故障出在B相PT回路后，應(yīng)先檢查PT的高壓保險(xiǎn)和高壓繞組，如果沒有問題再查二次回路。

（3）PT一次保險(xiǎn)故障是諸多影響因素復(fù)合作用并不斷積累的結(jié)果，因此要定期測量保險(xiǎn)的電阻值以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷，如果本次測量的電阻值比上次測值增加量大于5%原阻值，應(yīng)更換該保險(xiǎn)。