發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)滑環(huán)短路故障引發(fā)停機(jī)事故分析

劉 灝

(國能大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川 雅安 625304)

勵(lì)磁系統(tǒng)是水電站同步發(fā)電機(jī)的重要設(shè)備組成部分，若發(fā)生設(shè)備故障后繼電保護(hù)裝置不能及時(shí)動作切除隔離故障，將造成功率柜損壞、勵(lì)磁主回路燒損、轉(zhuǎn)子繞組絕緣破壞等嚴(yán)重設(shè)備故障[1]，威脅水電站及電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此針對勵(lì)磁系統(tǒng)各類故障配置快速、靈敏、可靠的繼電保護(hù)功能尤為重要，現(xiàn)結(jié)合某水電站一起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子滑環(huán)短路故障事件進(jìn)行分析。

1 事故概述

某水電站裝設(shè)6臺混流式水輪發(fā)電機(jī)組，額定容量667 MVA，額定電壓20 kV，額定電流19 245 A，靜止勵(lì)磁系統(tǒng)采用自并勵(lì)方式，勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)為廣州擎天Unitrol 5000，額定勵(lì)磁電壓435 V，額定勵(lì)磁電流3 105 A，采用N+1冗余方式配置了4臺勵(lì)磁功率柜，在勵(lì)磁繞組直流側(cè)裝設(shè)了滅磁開關(guān)，滅磁開關(guān)為瑞士賽雪龍HPB60 M220 D3。

2019年9月3日，該水電站4號發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行中，有功功率504 MW、無功79 Mvar，11時(shí)46分04秒，監(jiān)控上位機(jī)報(bào)“4F發(fā)電機(jī)1號保護(hù)轉(zhuǎn)子接地報(bào)警”，46分28秒監(jiān)控上位機(jī)報(bào)“勵(lì)磁系統(tǒng)故障”、“4F發(fā)電機(jī)保護(hù)外部重動跳閘(滅磁開關(guān)聯(lián)跳發(fā)電機(jī)出口斷路器)”，4F機(jī)組由并網(wǎng)轉(zhuǎn)空轉(zhuǎn)運(yùn)行，運(yùn)行值守人員隨即執(zhí)行4F手動停機(jī)流程將發(fā)電機(jī)全停后，測得定子絕緣合格，測得轉(zhuǎn)子絕緣為零，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)4F轉(zhuǎn)子勵(lì)磁下滑環(huán)(負(fù)極)引下線L型連接板燒損、下滑環(huán)下平面與L型板連接處燒蝕、下滑環(huán)部分支撐絕緣套表面被電弧燒損致表面碳化、下滑環(huán)近處的部分碳刷燒損，下滑環(huán)(負(fù)極)與引下線L型銅排的四顆固定螺栓中靠大軸側(cè)的兩顆螺栓孔完好，但靠碳刷側(cè)的兩顆螺栓孔已完全融化。

2 事故原因分析

結(jié)合故障排查情況及故障錄波波形，分析判斷此次燒損故障原因?yàn)檗D(zhuǎn)子負(fù)極滑環(huán)與引下線L型銅排靠大軸側(cè)的兩顆螺栓在發(fā)電機(jī)長時(shí)間運(yùn)行過程中逐步脫落，造成該部位接觸電阻增大，引起銅排連接板嚴(yán)重發(fā)熱，進(jìn)而導(dǎo)致連接處螺栓、銅排熔化成為液態(tài)。金屬熔化物受發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)離心力作用，向外側(cè)甩出，造成滑環(huán)正負(fù)極間歇性短路、接地并形成間歇電弧，勵(lì)磁電流急劇增加，滅磁開關(guān)脫扣跳閘，發(fā)電機(jī)保護(hù)屏滅磁開關(guān)聯(lián)跳發(fā)電機(jī)出口斷路器保護(hù)動作，機(jī)組事故解列。

從故障排查結(jié)果看，設(shè)備故障現(xiàn)象明顯，持續(xù)時(shí)間較長，造成的設(shè)備燒損嚴(yán)重，故障持續(xù)發(fā)展至轉(zhuǎn)子電流增大超過滅磁開關(guān)本體脫扣機(jī)構(gòu)動作定值，跳開滅磁開關(guān)跳閘進(jìn)而聯(lián)跳發(fā)電機(jī)出口斷路器保護(hù)將發(fā)電機(jī)解列，而期間勵(lì)磁系統(tǒng)控制及繼電保護(hù)裝置均未動作，因此需對繼電保護(hù)配置及動作情況進(jìn)行進(jìn)一步分析。

3 保護(hù)配置及動作分析

3.1 勵(lì)磁系統(tǒng)保護(hù)配置情況

《繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》及《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》均未對勵(lì)磁系統(tǒng)保護(hù)配置做明確規(guī)定[2-3]，水電站可根據(jù)自身具體情況及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)制定勵(lì)磁變保護(hù)配置方案。該水電站的勵(lì)磁變?nèi)萘?.95 MVA，勵(lì)磁變高壓側(cè)裝設(shè)了電流互感器，低壓側(cè)未裝設(shè)繼電保護(hù)專用電流互感器，且鑒于勵(lì)磁變電流中諧波成分大，諧波制動式差動保護(hù)在開/停機(jī)過程以及試驗(yàn)中大范圍調(diào)節(jié)可控硅導(dǎo)通角時(shí)易導(dǎo)致勵(lì)磁變差動保護(hù)誤動[4]。因此未采用勵(lì)磁變差動保護(hù)作為主保護(hù)，而采用勵(lì)磁變速斷+過流保護(hù)的主后備保護(hù)配置方案，保護(hù)范圍可延伸至勵(lì)磁變低壓側(cè)母排及功率柜，另配置的勵(lì)磁繞組過負(fù)荷保護(hù)，則采取反時(shí)限動作特性，雖能反應(yīng)直流側(cè)主回路及轉(zhuǎn)子繞組故障或異常運(yùn)行，但動作時(shí)間較長，下文不做分析。針對勵(lì)磁系統(tǒng)直流側(cè)故障，在功率柜交流輸入側(cè)裝設(shè)了快速熔斷器作為單個(gè)功率柜故障時(shí)的快速保護(hù)[5]，另配置了發(fā)電機(jī)注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置，作為轉(zhuǎn)子接地故障發(fā)生后的主保護(hù)。

3.2 勵(lì)磁速斷過流保護(hù)未動作原因

勵(lì)磁變壓器速斷保護(hù)若按照勵(lì)磁變低壓側(cè)最大三相短路進(jìn)行整定，則主保護(hù)范圍未伸出勵(lì)磁變，不能實(shí)現(xiàn)所有勵(lì)磁變內(nèi)部故障快速保護(hù)，因此按照最小運(yùn)行方式下勵(lì)磁變低壓側(cè)發(fā)生兩相短路情況下，保護(hù)應(yīng)具有2倍靈敏度進(jìn)行整定，勵(lì)磁變壓器連接組別為Y，d11，容量3×1.65MVA，變比20/0.95kV，高壓側(cè)CT變比為300∶1，短路阻抗(折算至100 MVA基準(zhǔn)容量為1.7)，整定計(jì)算結(jié)果如下：

=1.77 A

速斷保護(hù)延時(shí)考慮與下一級快熔元件的配合關(guān)系取0.1 s[6-7]。

勵(lì)磁變過流保護(hù)定值按發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)2倍強(qiáng)勵(lì)動作時(shí)過流保護(hù)不誤動的原則進(jìn)行整定：

延時(shí)按照躲過強(qiáng)行勵(lì)磁時(shí)的暫態(tài)過程計(jì)算[6-7]，取t=0.5 s。

故障錄波波形圖如圖1所示。

圖1 故障錄波波形

故障過程持續(xù)約220 ms，期間發(fā)生3次轉(zhuǎn)子滑環(huán)間歇性短路，分析情況見表1，可知在短路故障期間，因故障電流未達(dá)到保護(hù)動作門檻或故障時(shí)間小于保護(hù)動作時(shí)限，勵(lì)磁變速斷保護(hù)、過流保護(hù)均未動作。

表1 勵(lì)磁變壓器保護(hù)未動作原因分析

3.3 轉(zhuǎn)子接地保護(hù)報(bào)警但未動作原因

按照《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》進(jìn)行整定，該水電站轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)動作報(bào)警定值整定為20 kΩ，跳閘動作定值整定為5 kΩ，延時(shí)均整定為5 s[3]。

在4F轉(zhuǎn)子滑環(huán)短路故障發(fā)展過程中，注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置PCS-985RS啟動兩次，裝置報(bào)“轉(zhuǎn)子接地報(bào)警”兩次，11時(shí)46分05秒，PCS-985RE首次發(fā)信報(bào)警后復(fù)歸，11時(shí)46分25 s，再次啟動并發(fā)信報(bào)警，此時(shí)裝置計(jì)算的轉(zhuǎn)子對地絕緣電阻已達(dá)到保護(hù)動作門檻值，裝置報(bào)警動作波形圖如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置兩次報(bào)警動作波形

兩次報(bào)警但均未動作跳閘的分析情況見表2，原因?yàn)楸Ｗo(hù)動作時(shí)限過長，未能快速動作切除轉(zhuǎn)子滑環(huán)短路故障中伴隨發(fā)生的轉(zhuǎn)子接地故障。

表2 轉(zhuǎn)子接地保護(hù)報(bào)警但未動作原因分析

3.4 勵(lì)磁系統(tǒng)動作情況

在轉(zhuǎn)子滑環(huán)短路故障發(fā)展期間，勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)器發(fā)“轉(zhuǎn)子溫度過熱報(bào)警”信號，轉(zhuǎn)子溫度由勵(lì)磁電流和勵(lì)磁電壓計(jì)算出的轉(zhuǎn)子電阻推導(dǎo)得出，經(jīng)事后廠家根據(jù)故障時(shí)刻勵(lì)磁電流及勵(lì)磁電壓軟件模擬仿真計(jì)算，得出故障期間轉(zhuǎn)子溫度超過300℃，報(bào)警動作邏輯為：

當(dāng)轉(zhuǎn)子溫度超過定值115℃時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)轉(zhuǎn)子過熱告警信號，當(dāng)轉(zhuǎn)子溫度超過定值125℃時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)視模式控制字狀態(tài)，發(fā)轉(zhuǎn)子過熱報(bào)警或跳閘信號，該電站轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)視模式投“報(bào)警”狀態(tài)，因此當(dāng)轉(zhuǎn)子溫度超過125℃時(shí)，只發(fā)報(bào)警信號。

unitrol 5000另配置了勵(lì)磁系統(tǒng)過勵(lì)保護(hù)功能，該保護(hù)可動作跳開滅磁開關(guān)，動作電流取自勵(lì)磁變低壓側(cè)進(jìn)線柜交流側(cè)電流互感器采集的電流，過勵(lì)跳閘倍數(shù)設(shè)置為2.2倍額定電流，動作時(shí)限為系統(tǒng)固定設(shè)置延時(shí)4 s(不可調(diào))，因此由于轉(zhuǎn)子滑環(huán)間歇性短路故障的持續(xù)時(shí)間均小于4 s，勵(lì)磁系統(tǒng)過勵(lì)保護(hù)也未動作。

滅磁開關(guān)跳閘前，勵(lì)磁變高壓側(cè)二次電流最大瞬時(shí)值為2.275 A，折算至轉(zhuǎn)子側(cè)直流電流為：2.275×300×20/0.95/0.816=17 608 A，約為5.7倍額定勵(lì)磁電流，接近滅磁開關(guān)脫扣定值18 000 A，滅磁開關(guān)脫扣分閘。

4 分析及改進(jìn)方案

綜上分析，該水電站針對勵(lì)磁系統(tǒng)故障采用的繼電保護(hù)配置方案的雖保護(hù)范圍已延伸到了勵(lì)磁系統(tǒng)直流側(cè)主回路，包括勵(lì)磁變壓器內(nèi)部故障、可控硅交流側(cè)故障、轉(zhuǎn)子繞組接地故障或過負(fù)荷，但由于勵(lì)磁過流保護(hù)動作延時(shí)整定須躲過強(qiáng)勵(lì)動作時(shí)的暫態(tài)過程，動作時(shí)限較長，保護(hù)配置方案靈敏度雖高但速動性不夠，且過流保護(hù)動作延時(shí)調(diào)整減小的空間已不大，因此無論是繼電保護(hù)配置或勵(lì)磁調(diào)節(jié)器本身控制保護(hù)邏輯，均無法快速反應(yīng)勵(lì)磁系統(tǒng)直流側(cè)主回路故障從而動作跳閘，而直流側(cè)主回路特別是碳刷、滑環(huán)長時(shí)間運(yùn)行中發(fā)熱或運(yùn)行環(huán)境造成的污染、積灰等原因，若維護(hù)不及時(shí)則極易導(dǎo)致短路或接地故障發(fā)生，保護(hù)不能快速切除故障則將導(dǎo)致更嚴(yán)重的設(shè)備燒損事件，嚴(yán)重威脅發(fā)電機(jī)及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)[8]提出了在勵(lì)磁變低壓側(cè)增設(shè)過流保護(hù)的解決技術(shù)方案，通過在勵(lì)磁變低壓側(cè)已裝設(shè)電流互感器的基礎(chǔ)上，新增設(shè)一段低壓側(cè)過流保護(hù)，動作電流按照5倍額定勵(lì)磁電流整定，延時(shí)整定為0.2 s或更小以實(shí)現(xiàn)快速跳閘[8]。該方案與unitrol 5000本身配置的過勵(lì)保護(hù)原理與動作邏輯基本一致，另需新增電流互感器及繼電保護(hù)裝置，實(shí)施難度稍大，且根據(jù)該水電站過勵(lì)保護(hù)動作分析情況[9]，也難以起到快速保護(hù)的作用，為避免類似問題，可采取的解決方案如下：

1)調(diào)整滅磁開關(guān)本體脫扣機(jī)構(gòu)動作定值，將其作為勵(lì)磁系統(tǒng)直流側(cè)短路故障快速保護(hù)。滅磁開關(guān)原出廠設(shè)置的脫扣動作定值為18 000 A，約5.7倍額定勵(lì)磁電流，整定值偏高，可按照與勵(lì)磁系統(tǒng)過勵(lì)保護(hù)整定，即躲過2倍強(qiáng)勵(lì)勵(lì)磁電流進(jìn)行整定，取可靠系數(shù)1.3，動作值整定為1.3×2×3 105≈8 700 A，將其作為勵(lì)磁系統(tǒng)直流側(cè)主回路短路故障的快速主保護(hù)，結(jié)合保護(hù)裝置PCS-985GW配置的滅磁開關(guān)跳閘后聯(lián)跳發(fā)電機(jī)出口斷路器保護(hù)，可快速反應(yīng)直流側(cè)主回路短路故障保護(hù)，實(shí)現(xiàn)快速滅磁停機(jī)。

2)縮短轉(zhuǎn)子接地保護(hù)跳閘動作時(shí)限，使其快速響應(yīng)短路故障過程中伴隨發(fā)生的勵(lì)磁回路接地故障，從而迅速切除隔離故障。結(jié)合水電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，勵(lì)磁系統(tǒng)直流側(cè)主回路短路故障主要發(fā)生在滑環(huán)、碳刷，且短路故障時(shí)往往產(chǎn)生間歇性的短路電弧，該短路電弧極大可能導(dǎo)致勵(lì)磁回路接地故障發(fā)生并持續(xù)。綜合上述3.3轉(zhuǎn)子接地保護(hù)報(bào)警分析，本次設(shè)備故障過程中，兩次注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)報(bào)警持續(xù)時(shí)間長達(dá)3～4.5 s，第二次報(bào)警期間保護(hù)裝置計(jì)算的轉(zhuǎn)子對地絕緣電阻值已滿足動作條件，但因持續(xù)時(shí)間未到保護(hù)動作時(shí)限未出口跳閘。《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》要求轉(zhuǎn)子接地保護(hù)低定值段動作時(shí)限一般可整定為5～10 s，根據(jù)水電站現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，該動作時(shí)限可進(jìn)一步縮短，可整定為0.2～0.3 s，既提高轉(zhuǎn)子接地故障保護(hù)的快速性，也可一定程度上間接反應(yīng)并快速切除轉(zhuǎn)子滑環(huán)、碳刷短路故障。

3)升級勵(lì)磁系統(tǒng)控制邏輯，縮短過勵(lì)保護(hù)動作延時(shí)。原unitrol 5000勵(lì)磁系統(tǒng)配置了過勵(lì)保護(hù)功能，但動作時(shí)限為系統(tǒng)固定設(shè)置延時(shí)4 s，經(jīng)咨詢勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)備廠家，可通過升級unitrol 5000控制邏輯[10]，將過勵(lì)保護(hù)動作延時(shí)壓縮至0.2 s甚至更小，可作為勵(lì)磁系統(tǒng)直流側(cè)主回路短路故障快速主保護(hù)，該方案與文獻(xiàn)[8]提出的解決方案大致相同，但無需新增電流互感器等設(shè)備，實(shí)施便捷。

5 結(jié) 語

本文結(jié)合一起勵(lì)磁主回路短路故障跳閘事件，分析了繼電保護(hù)配置情況及報(bào)警動作原因，得出了繼電保護(hù)配置方案無法快速反應(yīng)勵(lì)磁系統(tǒng)直流側(cè)主回路短路故障的問題，提出了上述三種解決方案，在現(xiàn)有硬件條件基礎(chǔ)上即可實(shí)現(xiàn)，且靈敏度較高，無需增加額外成本，極易推廣應(yīng)用，能進(jìn)一步提升勵(lì)磁系統(tǒng)繼電保護(hù)的速動性，對避免類似事件發(fā)生具有一定的借鑒意義。