勵磁系統涉網試驗中轉子過電壓保護動作分析與處理

余 偉

（1.五凌電力有限公司，湖南 長沙 410000；2. 湖南省水電智慧化工程技術研究中心，湖南 長沙 410000）

1 引言

三板溪電廠安裝4 臺單機250 MW 混流式發電機組，總裝機1 000 MW。發電機勵磁系統選用瑞士ABB 公司生產的UNITROL5000 型靜態勵磁系統。

2020 年6 月21 日，三板溪電廠進行3 號機勵磁系統參數建模及PSS 試驗，在完成3 號機勵磁系統Ⅱ通道PSS“反調”試驗，手動退出PSS 功能后，進行勵磁系統階躍試驗過程中，勵磁系統轉子過電壓保護動作，勵磁系統退出，滅磁開關跳閘，GCB 跳閘。本文根據現場檢查情況，分析了UNITROL5000勵磁系統轉子過電壓保護動作原因。

2 轉子過電壓保護原理

UNITROL5000 勵磁系統轉子過電壓保護原理：當勵磁調節器檢測到跨接器導通電流值（P10929 霍爾元件檢測值）大于導通電流設定值（P925 廠家整定值120 A）持續20 ms 以上，則轉子過電壓保護動作[1]。

3 故障分析

3.1 GCB 跳閘原因檢查

事件發生后電廠立即根據勵磁系統、上位機告警及故障錄波圖檢查證實：事件發生時，3 號機機端電壓、機端電流、勵磁電壓、勵磁電流平穩，無波動故障現象。3 號機機組發變組保護裝置、水機保護裝置無啟動記錄。由檢查可知滅磁開關、GCB 跳閘的原因系勵磁系統退出，跳滅磁開關，同時聯跳GCB。

3.2 勵磁系統退出原因檢查

檢查勵磁系統歷史報警記錄，在3 號機勵磁系統試驗過程中，只有一條報警記錄：FAULT 35“Field overvoltage”（轉子過電壓）。查閱勵磁系統軟件圖可知，當FAULT 35“Field overvoltage”的報警開出時，直接退出勵磁系統，跳滅磁開關。

3.3 勵磁系統報警原因分析

查詢FAULT 35“Field overvoltage”的報警邏輯圖，其報警條件如下：

當勵磁通道運行情況下，勵磁系統未退出，沒有閉鎖信號且跨接器出現過電流則會報出FAULT 35“Field overvoltage”信號。

而現場檢查情況如下：

（1）通道運行：事件發生時機組并網帶220 MW負荷，勵磁系統通道Ⅱ運行，該條件滿足；

（2）勵磁系統未退出：當時勵磁系統投入，該條件滿足；

（3）無閉鎖信號：檢查勵磁系統報警記錄，無閉鎖，該條件滿足；

（4）跨接器過流：若要觸發FAULT 35“Field overvoltage”（轉子過電壓）告警，必須滿足跨接器電流采樣值大于動作定值（120 A）。

查閱故障錄波圖時發現事件發生時機端電壓、機端電流、勵磁電壓、勵磁電流波形平穩，一次設備未出現異常，轉子未出現過電壓，排除跨接器實際電流大于120 A 的情況。理論上正常運行時，霍爾電流互感器（CUS）采樣值為0，而觀察4 臺機組實際運行時CUS 采樣值不為0。因CUS 安裝在滅磁開關柜內，元件附近的勵磁直流輸出銅排裸露且不對稱，當勵磁輸出銅排通過大電流（正常運行時實際勵磁電流為1 300 A）時，因為不對稱的磁場會使霍爾元件受到感應，從而造成CUS 采樣回路電流不為0，因此確定為跨接器實際采樣電流值受到干擾或者采樣回路異常[2-3]。

3.4 跨接器電流采樣及轉子過電壓動作電流定值

轉子過電壓動作電流整定原則應為躲過最大勵磁電流運行工況下且CUS 輸出端開路時干擾信號產生的虛假電流，計算公式如下：

式中Ir.set為跨接器電流動作值，Ien為強勵情況下的勵磁電流，Ie為某已正常運行工況下的勵磁電流，Ir為該運行工況下CUS 所檢測到的跨接器電流，Kd為裕度系數（一般取1.2），Kk為可靠系數（一般取1.5~1.6）。

現場實際觀察1 號機、2 號機、4 號機勵磁系統P10929（跨接器電流）值為50 A 左右，且隨勵磁電流變化而變化。

根據計算公式，在此情況下計算1、2、4 號機勵磁系統P925（轉子過電壓）電流定值應為240 A，3號機勵磁系統P925 電流定值應為380 A，而電廠目前設置定值為120 A，明顯偏小，跨接器電流采樣回路異常或受干擾時，采樣電流瞬時大于120 A，轉子過電壓有誤動作的可能。霍爾傳感器安裝在滅磁開關柜內，周圍布滿了直流母排，機組正常運行時，勵磁電流為上千安培，強勵時更大，對CUS 存在較大干擾，電廠4 臺機組實際運行采樣電流值均已證明；過電壓保護定值設置偏小，無法躲過機組正常運行時的疊加干擾，電廠3 號機實際采樣值在后續進行4%階躍試驗時為93 A 即已證明（強勵時更大）。即3 號機在進行階躍試驗時受到干擾，采樣值大于定值，引發轉子過電壓保護動作退出勵磁系統。

4 處理措施

4.1 處理跨接器電流采樣回路的異常與干擾

電廠勵磁系統已運行14 年，因此更換3 號機勵磁系統跨接器電流采樣回路的元器件，電流檢測霍爾傳感器及FIO 板，消除元器件老化引起的誤輸出。

4.2 轉子過電壓電流定值修改

根據現場情況，母線的布置已不可能變動，故只能調整參數P925 的定值。更換3 號機勵磁系統跨接器電流檢測霍爾傳感器及FIO 板后，3 號機正常開機。并網后，記錄不同負荷下3 號機勵磁跨接器電流的采樣值，結果如表1 所示。

表1 3 號機勵磁跨接器電流采樣值

不同負荷下（勵磁電流），4 號機勵磁跨接器電流的采樣值如表2 所示。

表2 4 號機勵磁跨接器電流采樣值

CUS 采樣電流值隨勵磁電流增大而增大，且3號機運行時跨接器電流采樣值遠高于1 號、2 號及4號機（機組工況不同），尤其是在進行4%階躍試驗時達93 A。通過轉子過電壓電流整定計算公式，3號機定值應設為380 A 左右，考慮適當裕度，最終將3 號機定值設為400 A，以確保運行時不再發生同類故障。

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。本文對三板溪電廠3 號機UNITROL5000 勵磁系統轉子過電壓保護動作進行分析，描述了事件發生后排查到確定原因的過程，并給出相應的解決方案，為同類型勵磁系統發生故障時提供參考。