發電機過激磁保護跳閘案例分析

劉財碧

【摘要】：本文針對某發電廠600MW發電機在一次測量軸承振動與勵磁電流關系的試驗過程中，發生發電機過激磁保護動作跳閘事件，從保護原理和保護動作情況等，分析、闡述了發電機過激磁保護動作的原因，根據現場實際情況采取了可行的防范措施，以供借鑒參考。

【關鍵詞】：發電機;過激磁保護;原因分析;防范措施

前言

某發電廠#62發電機采用東方電機廠生產的QFSN-600-2-22C型發電機，額定容量為600MW，額定無功功率為291MVar，額定定子電壓為22kV，額定勵磁電流4387.4A，采用同步發電機機端自并勵靜止勵磁調節方式。因#62機組在一次大修后#7、#8軸承運行中瓦振偏大，即發電機功率高于500MW時，#7瓦、#8瓦振動超過50微米。根據東方汽輪機廠家振動專業人員建議，應開展測試#62機軸振與勵磁電流關系的試驗，以驗明#62機組#7、#8軸振與勵磁電流變化有無關系。試驗前，該發電廠制定了《運行中測試#62機組軸振與勵磁電流關系的技術方案》，并如期按該方案做#62發電機勵磁電流變動對發電機軸振的影響試驗。在試驗過程中，發生了發電機反時限過激磁保護動作將機組跳閘事件。

【正文】

一、事件概述

某日，該發電廠#62機正常運行，發電負荷有功功率570MW，無功功率8.9MVar，勵磁電流3250A，發電機機端電壓22.03kV。發變組保護為兩套國電南自DGT801A系列微機保護裝置，運行正常，無異常報警信號。發電機勵磁調節器運行模式為恒機端電壓自動調節方式。當班值班員根據《運行中測試#62機組軸振與勵磁電流關系的技術方案》安排，將#62發電機勵磁電流由3250A增加至3480A，從DCS上監測到發電機端電壓22.3kV，無功功率69MVar，檢查集控室立屏及DCS系統所有光字牌無異常報警現象。記錄下#7及#8瓦振與軸振后，繼續做試驗。當#62發電機勵磁電流增加至3651A，從DCS上監測到發電機機端電壓22.6kV，無功功率121MVar時，#62機組發變組保護動作跳閘，首出原因為#62發變組保護B屏反時限過激磁保護動作，立即按#62機組事故跳閘緊急停機處理。

二、保護動作原因查找情況

隨后經檢查未發現#62機組一次設備異常，查閱機組故障錄波裝置錄取的發電機機端電壓曲線及機組保護動作記錄，過激磁保護動作倍數折算成發電機機端電壓值與機組故障錄波裝置采集的機端電壓值一致。初步分析認為是由于試驗過程中增加勵磁電流導致無功功率增加，從而使機端電壓升高達到發電機過激磁保護反時限I段定值而動作跳閘。

（一）機組故障錄波裝置檢查情況。

故障時刻11：35，故障錄波裝置采集到發電機機端三相的相電壓分別為Ua=13.63kV，Ub=13.62kV，Uc=13.62kV，折算成線電壓由? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?公式Ul= Uph，算得三相線電壓分別為UA=13.63×1.732=23.61kV，UB=13.62×1.732=23.59kV，UC=13.62×1.732=23.59kV，而發電機額定電壓為22kV。

（二）發變組保護屏動作記錄檢查情況。

發變組保護B屏過激磁保護反時限I段動作，CPUA、CPUB保護動作參數分別為1.0737倍、1.0733倍，動作值折算成線電壓分別是23.62kV、23.61kV。A屏過激磁保護反時限I段未動作，后經檢查發現由于B屏“過激磁”保護已先于A屏“過激磁”保護動作致使機組解列滅磁，故A屏保護未正常動作。

（三）發變組保護屏定值檢查情況。

核查該發電廠下達的發電機過激磁保護定值單：定時限段1.07倍，9S動作于報警且減勵磁;反時限段均動作于解列滅磁，第一段保護定值Uf1=1.08，tf1=40S，第二段保護定值Uf2=1.09，tf2=25S。

事故發生后，檢查發變組保護A屏及B屏“過激磁”保護定值，發現兩套“過激磁”的定時限報警值均大于反時限I段跳閘值，該保護被技術人員實際整定成為：定時限段1.08倍，9S動作于報警且減勵磁;反時限段均動作于跳閘，但第一段保護定值Uf1=1.07，tf1=40S（以下各段保護定值單定值與保護裝置內的整定值一致）?？梢?，繼保技術人員在輸入發變組A、B屏過激磁保護定值單時，將過激磁定時限段的1.07倍與反時限段的定值1.08倍輸入混淆，致使保護過激磁倍數在參數分別為1.0737倍、1.0733倍時引起反時限I段動作使機組跳閘。

（四）DCS顯示故障錄波裝置采集的機端電壓檢查情況

DCS顯示發電機機端電壓22.6kV，查故障時刻DCS歷史曲線顯示與機組故障錄波裝置采集的機端電壓（23.6kV）相差1kV。

對DCS操作員站發電機機端電壓采集回路進行了檢查并緊固端子;對機端電壓變送器、故障錄波、發變組保護A屏共用的發電機出口PT（TV2-1），以及發變組保護B屏用PT（TV3-1）進行外觀檢查，未發現異常。#62機組重新開機建壓后，檢查DCS顯示發電機機端電壓與機組故障錄波裝置采集到的發電機機端電壓顯示一致且正常。

（五）#62發電機勵磁調節裝置限制器動作檢查情況。

經核實，#62發電機勵磁調節裝置限制器并未起到限制保護作用，其原因是#62發電機勵磁調節V/Hz 限制值為1.6倍，大于發變組過激磁保護限制值，導致了發變組保護B屏過激磁保護反時限I段動作將機組跳閘。

三、本次過激磁保護動作原因分析及暴露出的問題

（一）“過激磁”保護動作原因分析

1、電壓監視回路出現異常

試驗期間DCS上顯示的機端電壓最高值22.6kV，與發變組保護B屏以及故障錄波采集到的23.6kV值出現了1kV的偏差，由于DCS上顯示發電機機端電壓出現異常，而試驗人員以DCS顯示數據作為試驗進行的依據，導致試驗人員繼續進行試驗，從而導致過激磁保護動作。

2、過激磁保護報警值高于跳閘值

發電機變壓器過激磁保護，是由定時限和反時限過激磁保護組成，整定值應按發電機變壓器過勵磁能力較低的要求整定。具體整定計算過程如下：

發電機或變壓器運行時，其感應電動勢或輸入端的電壓

U=4.44×2πfWSB? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（式1）

式中U—發電機機端或電源電壓;

W—繞組匝數;

S—變壓器或發電機定子鐵芯的有效截面積;

f—電源頻率;

B—鐵芯中的磁密度。

由于繞組匝數W，鐵芯截面S均為定數，故將（式1）簡化為

式中 K——常數， 。

由（式2）可以看出，變壓器鐵芯中的磁密度，與電源電壓成正比，與電源的頻率成反比。即電源的升高和頻率的減低，均會造成鐵芯中的磁密度增大，進而產生過激磁。

變壓器和發電機的過激磁保護就是根據上述原理構成的。

在發電機及變壓器過激磁保護中，采用一個重要的物理量，稱之為過激磁倍數。設過激磁倍數為n，它等于鐵芯中的實際磁密度B與額定工作磁密度 之比，即

式中 、 —發電機變壓器的額定電壓、頻率;

U、f—發電機變壓器的運行電壓、頻率;

U*、F*—發電機變壓器電壓、頻率的標幺值;

B、 —磁通量、額定磁通量;

n—過激磁倍數;

變壓器過激磁時，n>1。n值越大，過激磁倍數越高，對發電機變壓器的危害越嚴重。

為有效保護發電機和變壓器，定時限保護動作于告警信號及減勵磁（發電機）;反時限保護動作去切除發變組。其動作方程如下：

n—測量過激磁倍數;

—過激磁元件動作倍數低定值，定時限元件啟動值;

—過激磁元件動作倍數高定值，反時限元件啟動值。

定時限過激磁元件動作過激磁倍數的整定值，應按躲過正常運行時發電機或變壓器鐵芯中出線的最大工作磁密來整定。正常運行時，變壓器的電壓最高為額定電壓的1.05倍，系統最低頻率最低為49.5Hz，因此，鐵芯中最大的工作磁密為額定工作磁密的1.06倍，定時限元件的動作過激磁倍數應為

式中? —定時限元件動作過激磁倍數整定值;

—可靠系數，取1.05;

—返回系數，微機保護取0.95～0.98。

代入（式4）中得

=1.1～1.2

所以，定時限元件動作過激磁倍數取1.1～1.15是合理的，動作延時可取6～9S。

發電機或變壓器反時限過激磁保護的動作特性應按與制造廠給出的允許過激磁特性曲線相配合來整定。如圖1所示。

并網允許的發電機及變壓器，其電壓的頻率覺得系統的頻率，允許實踐表明，除了發生系統瓦解性事故外，系統頻率大幅度降低的可能性幾乎不存在。因此，發電機與變壓器的過激磁，多由過電壓所致。

由于由于該廠#62發變組“過激磁”保護實際整定值中的定時限報警值1.08大于反時限跳閘值1.07，致使在測試#62機軸振與勵磁電流關系試驗時增加勵磁電流過程中，機組無功增加，導致機端電壓升高，達到“過激磁”反時限保護啟動值，定時限保護由于未達啟動值，所以未報警和啟動減勵磁，最終“過激磁”反時限I段保護起動延時動作解列滅磁。

3、發電機勵磁調節器未起到正常限制保護功能

圖2 AVR V/Hz限制單元與發變組過激磁保護

及發電機允許過激磁特性配合

當發電機與變壓器之間無斷路器時，其整定值按發電機或變壓器過激勵能力低的要求整定，一般發電機過激勵能力低于變壓器。其特性曲線配合見上圖2。調節器中V/Hz 限制值（曲線5）應低于發電機過激勵定時限保護定值（曲線4），V/Hz 保護反時限（曲線3）應與發電機過勵磁保護動作（曲線4）配合，上述限制及保護曲線均應低于發電機允許過激磁特性（曲線1）。應做到發生發電機過激勵時首先由勵磁調節器判斷加以限制和保護，若失效后則啟動相應的發電機變壓器過激磁保護。

#62發電機勵磁調節V/Hz 限制值為1.6倍，大于發變組過激磁保護限制值，違反上述保護配合原則，使勵磁調節系統沒起到提前限制保護作用。

（二）暴露出的問題

1、試驗方案不完善

在方案編制時對本次試驗需注意的技術問題分析不充分，在試驗方案中未安排人員核對發變組保護定值，也未安排人員試驗期間在發變組保護裝置就地監視機端電壓及勵磁電流采樣。

2、保護定值管理不規范

電氣專業人員在#62發電機“過激磁”保護定值整定中錯誤輸入，保護定值整定制度“一人輸入一人監護”執行不到位。

3、電壓監視回路異常

試驗增加勵磁電流到3800A期間，由于DCS機端電壓采集回路測量出現較大偏差，達1kV，由于#62機組操作員站的發電機機端電壓顯示在22.6kV，致使試驗人員誤判斷。

四、防范措施

1、遵循保護定值“四統一”原則對保護定值進行逐一核對、清理，并履行檢查、復核簽字手續。

2、健全方案編制的流程制度，明確方案制定參與人員，各級審批及會簽人員，嚴格簽字手續，確保方案準確全面。

3、保護定值整定時，嚴格按保護定值整定“一人輸入一人監護”制度執行，然后需打印出整定好的保護定值清單，由運行當值電控員或運行電氣專工再次進行復核并同時履行確認簽字手續。

4、深入檢查DCS在電壓較高情況下顯示的機端電壓與發變組保護B屏（以及故障錄波裝置）采集到的電壓出現較大偏差原因;對PT回路、變送器回路進行檢查校驗，消除偏差。

5、每年核查一次勵磁調節系統過激磁保護限制和發變組保護過激磁保護限制的配合問題。不符合配合要求的應立即整改。

五、發變組過激磁保護動作原因的查找方法

1、檢查保護動作情況

2、檢查保護定值是否整定錯誤。

3、檢查勵磁調節系統過激磁保護限制功能是否起作用，若未起作用應檢查其定值設定情況、與發變組過激磁保護限制的配合是否合理;若勵磁系統激磁保護限制動作但沒能限制勵磁電流的增加，應檢查其輸出回路是否正常。

4、檢查電壓、頻率測量回路是否正常

5、若勵磁調節系統和發變組過激磁保均正確動作，則排除人為加勵磁電流的可能，應鎖定一次回路可能出現故障。

六、結束語

這是一起本不應該發生的機組跳閘事故，由于各方面的巧合集合在一起而導致了這次機組非停的發生。因此，在實際工作中，要定期對所轄設備的整定值進行全面復算和校核。在機組大、小修過程中，應規范繼電保護專業人員在各個工作環節上的行為，在檢修工作中，必須嚴格執行保護繼電器檢驗規程及反事故措施和安全技術措施。通過有序的工作和嚴格的技術監督，杜絕繼電保護人員因人為責任造成“誤碰、誤整定、誤接線”事故。

參考文獻

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