蘇有權(quán)（國(guó)家電網(wǎng)東北分部太平灣發(fā)電廠，遼寧 丹東 118000）

一起水輪發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動(dòng)作原因分析及處理

蘇有權(quán)
（國(guó)家電網(wǎng)東北分部太平灣發(fā)電廠，遼寧 丹東 118000）

摘要：繼電保護(hù)裝置正確動(dòng)作是保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，尤其是特殊原因?qū)е卤Ｗo(hù)動(dòng)作，更需要準(zhǔn)確快速地查清動(dòng)作原因，以最快的速度恢復(fù)設(shè)備運(yùn)行[1]。本文介紹了某發(fā)電廠2號(hào)機(jī)廠高變故障導(dǎo)致1號(hào)機(jī)失磁保護(hù)動(dòng)作的經(jīng)過(guò)及詳細(xì)分析過(guò)程，針對(duì)這一特殊故障，查明了動(dòng)作原因，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采取了相應(yīng)的處理措施,確保了發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,提高了發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行的可靠性。

關(guān)鍵詞：故障；失磁；動(dòng)作；分析

0　引言

某電廠共裝有4臺(tái)軸流轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)額定電壓10.5kV，單機(jī)容量4.75MW,總裝機(jī)容量19MW,在系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用任務(wù)。某日，2號(hào)發(fā)電機(jī)廠高變發(fā)生故障，但在2號(hào)發(fā)電機(jī)廠高變跳閘過(guò)程中，1號(hào)發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動(dòng)作跳閘，本文對(duì)1號(hào)發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動(dòng)作原因進(jìn)行了詳細(xì)分析，查明了故障原因并采取了防范措施。

1　故障前運(yùn)行方式

故障前，1號(hào)、2號(hào)發(fā)電機(jī)均并網(wǎng)發(fā)電，1號(hào)發(fā)電機(jī)帶有功4.6MW、無(wú)功2.1MW,發(fā)電機(jī)電壓10.3kV，2號(hào)發(fā)電機(jī)帶有功4.5MW、無(wú)功2.3MW，發(fā)電機(jī)電壓10.4kV，1號(hào)、2號(hào)機(jī)變組各帶1臺(tái)6.3kV廠高變運(yùn)行。發(fā)電機(jī)主接線方式如圖1示：

圖1系統(tǒng)主接線圖

2　故障經(jīng)過(guò)

3　發(fā)電機(jī)勵(lì)磁方式及保護(hù)原理

3.1發(fā)電機(jī)勵(lì)磁方式

1號(hào)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)為帶勵(lì)磁機(jī)的兩級(jí)勵(lì)磁方式，勵(lì)磁機(jī)采用正、負(fù)繞組并列工作方式，同名端極性相反，用來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的增磁和減磁操作；勵(lì)磁裝置采用兩組絕緣柵雙極型大功率晶體管IGBT，其輸出電流分別對(duì)應(yīng)勵(lì)磁機(jī)的正、負(fù)繞組；配置了A、B兩套互為冗余的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)不同運(yùn)行方式的切換和操作；配置一套過(guò)電壓保護(hù)裝置和一套滅磁裝置，其勵(lì)磁原理如圖2示。

發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，兩套調(diào)節(jié)器并列運(yùn)行，每套調(diào)節(jié)器均能滿足包括強(qiáng)勵(lì)在內(nèi)的發(fā)電機(jī)各種運(yùn)行工況對(duì)勵(lì)磁的要求。正常情況下正組IGBT工作，其電流輸出至勵(lì)磁機(jī)定子線圈，因勵(lì)磁機(jī)和發(fā)電機(jī)同軸，隨著發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出交流電，經(jīng)換向器換向后變?yōu)橹绷麟奫2]，再加至勵(lì)磁機(jī)定子線圈進(jìn)行自放大，同時(shí)將放大后的電流加至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈，隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)動(dòng)，便在發(fā)電機(jī)定子中感應(yīng)出交流電。勵(lì)磁機(jī)定子中正繞組和反繞組極性相反，當(dāng)發(fā)電機(jī)需要減磁時(shí)，反組IGBT工作，減少發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)增減磁功能。

圖2勵(lì)磁原理圖

3.2發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)原理

發(fā)電機(jī)失磁后或在失磁發(fā)展過(guò)程中，機(jī)端測(cè)量阻抗要發(fā)生變化，失磁后機(jī)端測(cè)量阻抗的變化是失磁保護(hù)的重要判據(jù)[3]。1號(hào)發(fā)電保護(hù)裝置為DGT801型微機(jī)保護(hù)，其失磁保護(hù)采用阻抗原理的動(dòng)作邏輯，由阻抗判據(jù)、轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)、機(jī)端低電壓判據(jù)和過(guò)功率判據(jù)構(gòu)成。保護(hù)輸入量有：機(jī)端三相電壓、發(fā)電機(jī)三相電流和轉(zhuǎn)子直流電壓。正常運(yùn)行時(shí)，機(jī)端測(cè)量阻抗在第一象限（滯相運(yùn)行）或第四象限（進(jìn)相運(yùn)行）內(nèi)，發(fā)電機(jī)失磁后，機(jī)端測(cè)量阻抗的軌跡將沿著等有功阻抗圓進(jìn)入動(dòng)作邊界圓內(nèi)，失磁保護(hù)即會(huì)動(dòng)作。為提高保護(hù)動(dòng)作靈敏性，現(xiàn)場(chǎng)整定的阻抗圓動(dòng)作邊界為過(guò)原點(diǎn)的下拋圓。

4　失磁保護(hù)動(dòng)作原因分析

為確定1號(hào)機(jī)組失磁保護(hù)動(dòng)作原因，首先需檢查保護(hù)裝置和勵(lì)磁裝置動(dòng)作性能。

影響傷口愈合的主要局部因素包括組織活力、愈合環(huán)境、感染三方面。剖宮產(chǎn)術(shù)后要保持引流通暢，一般在術(shù)后第10天停止引流，術(shù)后14天直接閉合，就診第19天傷口愈合。

4.1保護(hù)裝置試驗(yàn)

4.1.1保護(hù)定值檢查

核查裝置保護(hù)定值，確認(rèn)和定值單所給定值一致，保護(hù)定值如表1所示。

4.1.2動(dòng)作報(bào)告檢查

打印保護(hù)動(dòng)作報(bào)告，查明保護(hù)動(dòng)作參數(shù)，動(dòng)作報(bào)告記錄的保護(hù)參數(shù)如表2所示。

表1失磁保護(hù)定值

表2失磁保護(hù)動(dòng)作參數(shù)

4.1.3失磁保護(hù)阻抗動(dòng)作特性

根據(jù)失磁保護(hù)動(dòng)作特性和保護(hù)定值，現(xiàn)場(chǎng)整定的失磁保護(hù)阻抗圓動(dòng)作特性如圖3所示。

圖3失磁保護(hù)阻抗圓

從失磁保護(hù)動(dòng)作參數(shù)可以清晰看出，故障時(shí)機(jī)端測(cè)量阻抗軌跡已進(jìn)入失磁保護(hù)動(dòng)作區(qū)，失磁保護(hù)應(yīng)該動(dòng)作。

4.1.4動(dòng)作結(jié)果分析

從動(dòng)作報(bào)告可以看出，保護(hù)動(dòng)作時(shí)發(fā)電機(jī)定子電流增大，達(dá)到7.4A且超出額定值（二次5A）,無(wú)功反向，發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行，所有現(xiàn)象均是發(fā)電機(jī)失磁的典型表征，并且轉(zhuǎn)子電壓由正常運(yùn)行時(shí)的300多V降低至保護(hù)動(dòng)作時(shí)的32V，保護(hù)所測(cè)到的機(jī)端電阻和電抗值均小于保護(hù)定值，機(jī)端測(cè)量阻抗已越過(guò)靜穩(wěn)邊界阻抗圓進(jìn)入異步邊界阻抗圓，說(shuō)明發(fā)電機(jī)確實(shí)失磁，所以基本排除了失磁保護(hù)誤動(dòng)的可能。但因勵(lì)磁裝置不能記錄故障當(dāng)時(shí)發(fā)電機(jī)有關(guān)工況參數(shù)，沒(méi)有數(shù)值和保護(hù)記錄的數(shù)值對(duì)照，故決定對(duì)保護(hù)裝置進(jìn)行加量試驗(yàn)，以確保保護(hù)裝置不是誤動(dòng)。利用繼電保護(hù)試驗(yàn)儀向保護(hù)裝置中通入模擬電流和電壓，采集保護(hù)動(dòng)作開(kāi)關(guān)量，采用失磁保護(hù)測(cè)試菜單，由試驗(yàn)儀自動(dòng)對(duì)失磁保護(hù)進(jìn)行試驗(yàn)，失磁保護(hù)動(dòng)作正確，自動(dòng)繪制的失磁保護(hù)阻抗圓動(dòng)作特性如圖4所示：

圖4檢驗(yàn)時(shí)繪制的失磁保護(hù)阻抗圓

從試驗(yàn)可以看出，試驗(yàn)所得的失磁保護(hù)阻抗圓和保護(hù)定值完全一致，綜合保護(hù)動(dòng)作數(shù)據(jù)，可以確定失磁保護(hù)動(dòng)作正確，排除了保護(hù)誤動(dòng)的可能，繼而轉(zhuǎn)向?qū)?lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行檢查。

4.2勵(lì)磁系統(tǒng)主回路檢查

1號(hào)發(fā)電機(jī)故障時(shí)，勵(lì)磁裝置未有任何故障信息，在不確定失磁原因的情況下，先對(duì)勵(lì)磁主回路進(jìn)行檢查。對(duì)勵(lì)磁裝置輸出至勵(lì)磁機(jī)定子回路以及勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子輸出至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路的主回路進(jìn)行絕緣測(cè)量、直阻測(cè)量及其他高壓試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)值均在合格范圍之內(nèi)，說(shuō)明勵(lì)磁主回路不存在問(wèn)題。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子及勵(lì)磁機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3、表4所示：

表3發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子試驗(yàn)參數(shù)

表4勵(lì)磁機(jī)試驗(yàn)參數(shù)

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和勵(lì)磁機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和上次試驗(yàn)基本沒(méi)有差別，個(gè)別數(shù)據(jù)有差別是試驗(yàn)儀器和試驗(yàn)人員操作等方面引起的誤差，數(shù)據(jù)在合格范圍之內(nèi)。因此，排除了勵(lì)磁裝置輸出至勵(lì)磁機(jī)定子回路以及勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子輸出至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路之間設(shè)備故障的可能。由此可以確定，發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置和勵(lì)磁系統(tǒng)主回路正常，故重點(diǎn)對(duì)勵(lì)磁裝置進(jìn)行檢查。

4.3勵(lì)磁裝置檢查

因1號(hào)發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動(dòng)作時(shí)2號(hào)發(fā)電機(jī)廠高變發(fā)生短路故障，會(huì)導(dǎo)致1號(hào)發(fā)電機(jī)出口電壓嚴(yán)重降低（從錄波分析，出口電壓降至50%以下），定子電流增大，引起發(fā)電機(jī)無(wú)功功率變化，發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵(lì)會(huì)動(dòng)作。綜合分析整個(gè)動(dòng)作過(guò)程，可能存在的原因是勵(lì)磁裝置本身強(qiáng)勵(lì)功能不正確動(dòng)作導(dǎo)致發(fā)電機(jī)失磁，故首先對(duì)勵(lì)磁裝置強(qiáng)勵(lì)限制功能進(jìn)行全面檢查。

4.3.1強(qiáng)勵(lì)限制檢查

發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵(lì)對(duì)保證發(fā)電機(jī)有功功率送出以提高暫態(tài)穩(wěn)定性和維持系統(tǒng)電壓水平以提高電壓穩(wěn)定性有重要作用[4]。強(qiáng)勵(lì)頂值限制是當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)時(shí)，限制勵(lì)磁電壓（或勵(lì)磁電流）的頂值倍數(shù)，以保護(hù)發(fā)電機(jī)（勵(lì)磁機(jī)）轉(zhuǎn)子的絕緣及發(fā)電機(jī)的安全。主要采用反時(shí)限限制曲線，目的是為了保證轉(zhuǎn)子繞組的溫升在限定范圍之內(nèi)，不因長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)勵(lì)而燒毀。勵(lì)磁裝置中使用的強(qiáng)勵(lì)特性曲線如圖5所示。

圖5強(qiáng)勵(lì)反時(shí)限曲線

其中If為強(qiáng)勵(lì)頂值時(shí)的勵(lì)磁電流標(biāo)么值，現(xiàn)場(chǎng)定值設(shè)定為2，即在強(qiáng)勵(lì)2倍時(shí)允許強(qiáng)勵(lì)時(shí)間為10s；Ify為允許長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行時(shí)的勵(lì)磁電流標(biāo)么值，現(xiàn)場(chǎng)定值設(shè)定為1.1，即在1.1倍額定電流條件下允許長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行。通過(guò)驗(yàn)證，勵(lì)磁裝置強(qiáng)勵(lì)限制功能正常。

4.3.2小電流開(kāi)環(huán)試驗(yàn)

在勵(lì)磁主要回路和功能檢查均未發(fā)現(xiàn)異常的前提下，為進(jìn)一步查明失磁保護(hù)動(dòng)作原因，決定對(duì)勵(lì)磁裝置進(jìn)行小電流開(kāi)環(huán)試驗(yàn)，即將調(diào)節(jié)器的輸出回路與發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)斷開(kāi)，用一小阻值大瓦數(shù)的電阻接入調(diào)節(jié)器的輸出回路做負(fù)載，用于檢查IGBT的完好性?？煽窟B接完試驗(yàn)回路后，利用手動(dòng)方式操作勵(lì)磁調(diào)節(jié)器緩慢輸出，并測(cè)量IGBT輸出波形，發(fā)現(xiàn)正組IGBT無(wú)輸出波形，確定正組IGBT存在故障，隨即對(duì)IGBT回路進(jìn)行檢查。

該型勵(lì)磁裝置采用的功率元件為IGBT開(kāi)關(guān)管，即絕緣柵極雙極型晶體管，它可在高電壓下導(dǎo)通，并在大電流下關(guān)斷[5]，其驅(qū)動(dòng)、吸收電路經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，但I(xiàn)GBT的關(guān)斷操作將導(dǎo)致IGBT的集電極和發(fā)射極之間產(chǎn)生尖峰電壓，損壞IGBT回路，為了解決此問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)采用了緩沖保護(hù)回路，如圖6示。

圖6IGBT保護(hù)回路

檢查時(shí)，用示波表測(cè)量1號(hào)發(fā)電機(jī)正負(fù)繞組IGBT-CE兩端波形，發(fā)現(xiàn)正繞組IGBT兩端波形尖峰較大，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷過(guò)電壓最高為800V左右，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)正繞組IGBT-CE兩端阻容吸收回路電容C2漏液，說(shuō)明故障時(shí)阻容吸收回路沒(méi)有正常工作，沒(méi)有限制IGBT的集-射極之間的沖擊尖峰電壓，實(shí)際此電壓達(dá)到800V。隨后，對(duì)緩沖網(wǎng)絡(luò)的中快速二級(jí)管1、2進(jìn)行反向耐壓試驗(yàn)，其能承受的耐壓值最高不足800V，而其設(shè)計(jì)標(biāo)稱耐壓反向電壓值為1200V，實(shí)測(cè)值遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)額定值。

5　結(jié)論

從此次故障可以看出，1號(hào)發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動(dòng)作是一起典型的勵(lì)磁裝置元器件質(zhì)量不合格造成的發(fā)電機(jī)跳閘事件，因此，在確保勵(lì)磁裝置正常運(yùn)行的各環(huán)節(jié)中，不僅要在設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)保證元器件選擇正確、質(zhì)量可靠，也要在現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)前對(duì)重要元器件進(jìn)行性能復(fù)測(cè)檢查，確保整套系統(tǒng)使用優(yōu)質(zhì)可靠的元器件，滿足電網(wǎng)各種工況下對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的要求，有效保證發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]賀家李．電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理[M]．4版．北京：中國(guó)電力出版社,2010．

[2]王君亮．同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)原理與運(yùn)行維護(hù)[M]．北京：中國(guó)水利水電出版社,2010．

[3]張輯,劉亞,張明．發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)異步阻抗動(dòng)作值校驗(yàn)的幾種方法[J]．電機(jī)技術(shù)．2009(4)：63-64．

[4]吳跨宇,周平,高春如,等．基于空載誤強(qiáng)勵(lì)滅磁對(duì)發(fā)電機(jī)過(guò)電壓保護(hù)整定的研究[J]．電力系統(tǒng)控制與保護(hù),2011,39 （2）：98-101．

[5]張?jiān)旅?黃建國(guó),張羽豐．影響IGBT驅(qū)動(dòng)電路性能參數(shù)的因素分析[J]．電子元器件應(yīng)用,2010,12（12）：88-91．

中圖分類號(hào)：TM312

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5387（2015）03-0052-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.016

收稿日期：2014-12-09

作者簡(jiǎn)介：蘇有權(quán)（1981-），男，工程師，從事電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化工作。