次同步諧振引發(fā)發(fā)電機(jī)組跳閘事故的原因分析

白偉神華陜西國(guó)華錦界能源有限責(zé)任公司

次同步諧振引發(fā)發(fā)電機(jī)組跳閘事故的原因分析

白偉神華陜西國(guó)華錦界能源有限責(zé)任公司

本文介紹錦界電廠的一次由于次同步諧振導(dǎo)致三臺(tái)機(jī)組跳閘事故的經(jīng)過和分析過程，分析發(fā)電廠進(jìn)行次同步諧振的研究方法和進(jìn)行次同步諧振抑制及保護(hù)的有效措施，為同行提供借鑒作用。

次同步諧振；發(fā)電機(jī)組；原因

1 引言

近年來隨著我國(guó)電力需求量的增加，加之我國(guó)能源分布的具體國(guó)情，在電力系統(tǒng)的發(fā)展變化中逐漸形成西電東送的格局，但是由于西電東送的傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸電力容量大、穩(wěn)定性差、成本高，所以采用串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)來提高輸電能力、節(jié)約投資、增加穩(wěn)定性。但是串補(bǔ)在增加線路輸送能力的同時(shí)，也容易使電網(wǎng)中產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，電氣系統(tǒng)和汽輪發(fā)電機(jī)組以低于同步頻率的自然振蕩頻率交換能量，此現(xiàn)象被成為次同步諧振，簡(jiǎn)稱SSR，容易造成感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)、機(jī)電扭振相互作用和暫態(tài)力矩放大作用，使發(fā)電機(jī)軸系產(chǎn)生疲勞損傷，造成軸系壽命縮短，甚至導(dǎo)致軸系損壞，所以應(yīng)采取有效措施對(duì)SSR進(jìn)行抑制。

2 發(fā)電機(jī)組概況

本公司為陜西國(guó)華錦界能源有限責(zé)任公司，本公司的發(fā)電廠為4×600MW亞臨界空冷火力發(fā)電廠，采用的汽輪機(jī)為上海電氣集團(tuán)生產(chǎn)的一次中間再熱、三缸四排汽、直接空冷凝汽式汽輪機(jī)，容量為600MW，型號(hào)為N600-16.67/538/538；發(fā)電機(jī)型號(hào)為QFSN—600—2，額定容量為667MVA，額定功率為600MW，額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min。#1機(jī)組于2006年9月30日投產(chǎn)，#2機(jī)組于2007年5月1日投產(chǎn)，#3機(jī)組于2007年12月22日投產(chǎn)，#4機(jī)組于2008年5月16日投產(chǎn)，經(jīng)山西忻都開關(guān)站接入河北石家莊變電所，為了有效抑制次同步諧振，本電廠將SVC應(yīng)用于其中，并將此次同步諧振抑制裝置稱為SSR-DS裝置，于2009年8月投入運(yùn)行，并且配以汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振保護(hù)裝置（TSR），防止SSR-DS裝置出現(xiàn)故障而起不到抑制作用，導(dǎo)致機(jī)組大軸損壞。

3 發(fā)電機(jī)組跳閘事故分析

本電廠于2017年4月24日發(fā)生#1、#3、#4三臺(tái)機(jī)組停機(jī)故障，三臺(tái)機(jī)組合計(jì)停機(jī)時(shí)間約56小時(shí)，共損失機(jī)會(huì)電量2700萬kWh，事故發(fā)生之后，國(guó)華電力和錦界電廠立即成立事故調(diào)查組對(duì)本次事故啟動(dòng)事故調(diào)查和追責(zé)程序，總結(jié)事故原因，提出事故防范措施，并根據(jù)考核規(guī)定對(duì)相關(guān)責(zé)任部門及責(zé)任人進(jìn)行了處理。

3.1 事故經(jīng)過

事故發(fā)生之前，四臺(tái)機(jī)組正常運(yùn)行，#1、#3、#4機(jī)組機(jī)端負(fù)荷為350MW，#2機(jī)組機(jī)端負(fù)荷為360MW，四套SSR-DS裝置按調(diào)令要求退出運(yùn)行，04時(shí)07分，網(wǎng)調(diào)通知忻都站串補(bǔ)已投入，許可錦界電廠投入四套SSR-DS裝置。約8分鐘后#3機(jī)組跳閘，隨后#1機(jī)組和#4機(jī)組相繼發(fā)生跳閘事故，DCS發(fā)電氣保護(hù)動(dòng)作，首出TSR保護(hù)動(dòng)作，跳閘事故發(fā)生1.5小時(shí)后忻都站Ⅰ、Ⅱ線串補(bǔ)退出運(yùn)行。

3.2 機(jī)組模態(tài)值分析

3.2.1 SSR激發(fā)時(shí)模態(tài)值分析

跳閘事故發(fā)生之前，四臺(tái)機(jī)組同時(shí)發(fā)生次同步諧振，模態(tài)3呈現(xiàn)喇叭形放大狀態(tài)，#1機(jī)峰值達(dá)到了0.95rad/s，#2機(jī)峰值達(dá)到0.65rad/s，#3機(jī)峰值達(dá)到0.82rad/s，#4機(jī)峰值達(dá)到0.7rad/s，四臺(tái)機(jī)組模態(tài)1和模態(tài)2峰值均小于0.05 rad/s。

3.2.2 機(jī)組跳閘時(shí)模態(tài)值分析

#1機(jī)組跳閘后模態(tài)3快速收斂，#3機(jī)組跳閘后模態(tài)3快速收斂，#4機(jī)組跳閘后模態(tài)3快速收斂。#3機(jī)跳閘后，#2機(jī)模態(tài)3有增大趨勢(shì)。#1機(jī)跳閘后，#2機(jī)模態(tài)3幅值變小。#4機(jī)跳閘后，#2機(jī)模態(tài)3快速收斂，最后趨于穩(wěn)定。

3.2.3 串補(bǔ)退出對(duì)#2機(jī)組模態(tài)值的影響

#2機(jī)發(fā)生次同步諧振時(shí)，模態(tài)3呈現(xiàn)喇叭形放大狀態(tài)，峰值達(dá)到了0.32rad/s。模態(tài)1和模態(tài)2峰值均小于0.04 rad/s。3分鐘后，#2機(jī)模態(tài)3再次收斂，結(jié)合電網(wǎng)反饋信息，此時(shí)串補(bǔ)全部退出。

3.3 TSR錄波分析

3.3.1 機(jī)組TSR定值整定

機(jī)組模態(tài)定值的計(jì)算中，模態(tài)頻率采用的是發(fā)電機(jī)組軸系扭振保護(hù)設(shè)備建設(shè)時(shí)的技術(shù)協(xié)議中提供的實(shí)測(cè)頻率，分別為模態(tài)1為13.19Hz，模態(tài)2為22.82Hz，模態(tài)3為28.19Hz。軸系參數(shù)采用《錦界電廠機(jī)組軸系參數(shù)》中提供機(jī)組的參數(shù)，采用簡(jiǎn)單集中質(zhì)量模型，具體參數(shù)不一一列出。其危險(xiǎn)截面位置如表1所示。

表1 危險(xiǎn)截面位置

3.3.2 TSR錄波分析

在事故過程中，TSR動(dòng)作中主要為模態(tài)3被激勵(lì)，模態(tài)1、2幅值低于疲勞累積起始值。激發(fā)的扭振模態(tài)3幅值為發(fā)散趨勢(shì)，最大達(dá)到0.982rad/s。根據(jù)機(jī)組TSR定值的動(dòng)作特性，模態(tài)3值為0.19rad/s時(shí)達(dá)到低發(fā)聯(lián)軸器位置疲勞極限，35695秒左右跳閘。此次故障激發(fā)的四臺(tái)機(jī)組的扭振模態(tài)3幅值緩慢發(fā)散，根據(jù)機(jī)組在TSR保護(hù)啟動(dòng)和動(dòng)作時(shí)的錄波曲線可知，#1機(jī)組TSR保護(hù)啟動(dòng)和動(dòng)作時(shí)的模態(tài)3幅值分別為0.466和0.981 rad/s；#3機(jī)組TSR保護(hù)啟動(dòng)和動(dòng)作時(shí)的模態(tài)3幅值分別為0.533和0.912 rad/s；#4機(jī)組TSR保護(hù)啟動(dòng)和動(dòng)作時(shí)的模態(tài)3幅值分別為0.381和0.724rad/s。而#2機(jī)組TSR保護(hù)啟動(dòng)時(shí)的模態(tài)3幅值為0.29 rad/s，并未動(dòng)作。

根據(jù)機(jī)組的雙套保護(hù)動(dòng)作報(bào)文信息可知，1-b機(jī)組在04：17：21時(shí)刻斷面3截面2疲勞達(dá)到1%，保護(hù)動(dòng)作出口，而1-a機(jī)組在信號(hào)返回時(shí)斷面3截面2疲勞達(dá)到0.99%，未達(dá)到跳閘值；3-b機(jī)組在04：13：58時(shí)刻斷面3截面2疲勞達(dá)到1%，保護(hù)動(dòng)作出口，而3-a機(jī)組在機(jī)組跳閘后斷面3截面2疲勞達(dá)到1%，晚于3-b裝置；4-b機(jī)組在04：21：32時(shí)刻斷面3截面2疲勞達(dá)到1%，保護(hù)動(dòng)作出口；而4-a機(jī)組在機(jī)組跳閘后斷面3截面2疲勞達(dá)到1%，晚于4-b裝置。兩臺(tái)TSR裝置完全冗余，采用不同的傳感器，可能會(huì)有微小的采樣差異，造成出口時(shí)間不絕對(duì)一致。

3.4 事故發(fā)生過程#2機(jī)組的運(yùn)行情況分析

事故發(fā)生之前，在忻都站串補(bǔ)投入之后，四臺(tái)機(jī)組的TSR保護(hù)發(fā)生數(shù)次啟動(dòng)，隨后其模態(tài)值同時(shí)增大，四臺(tái)機(jī)組的TSR保護(hù)同時(shí)啟動(dòng)，在#3、#1、#4機(jī)組的疲勞累計(jì)達(dá)到定值之后相繼發(fā)生跳閘，在#4機(jī)組跳閘之后，#2機(jī)組的模態(tài)值迅速收斂，保護(hù)動(dòng)作并未開啟。

事故過程中，在四臺(tái)機(jī)組SSR激發(fā)后，#2機(jī)組模態(tài)幅值最小。激發(fā)過程中，#3機(jī)組跳閘后，#2機(jī)組模態(tài)3幅值有大的躍升，從0.53rad/s達(dá)到0.74rad/s；之后#1機(jī)組跳閘，#2機(jī)組模態(tài)3幅值有降落，從0.74rad/s降到0.65rad/s；#4機(jī)組跳閘后，#2機(jī)組模態(tài)3幅值快速收斂。本次激發(fā)持續(xù)時(shí)間1505s，模態(tài)3最大幅值達(dá)0.74rad/s，在#2機(jī)組斷面3截面2位置疲勞累積值為0.0055。當(dāng)忻都站串補(bǔ)退出后，#2機(jī)組SSR再次激發(fā)，持續(xù)時(shí)間197s，模態(tài)3最大幅值0.36rad/s，本次激發(fā)對(duì)軸系斷面3截面2位置造成的疲勞累積估計(jì)值為0.00007，整個(gè)過程的疲勞累積估計(jì)值為0.00557，低于保護(hù)動(dòng)作值0.01。

4 發(fā)電機(jī)組次同步諧振問題的研究方法

4.1 頻率掃描法

頻率掃描就是對(duì)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)向系統(tǒng)看入的等值阻抗隨頻率變化的特性進(jìn)行計(jì)算，即系統(tǒng)阻抗頻率特性，來判斷發(fā)電機(jī)組是否存在SSR。如果是單機(jī)系統(tǒng)通過串補(bǔ)線路送出，系統(tǒng)中會(huì)存在串聯(lián)諧振頻率，在其曲線圖中電抗由負(fù)變正所對(duì)應(yīng)的頻率就是系統(tǒng)的電氣串聯(lián)諧振頻率點(diǎn)，可以由此判斷系統(tǒng)是否存在SSR；如果是多機(jī)系統(tǒng)或者并聯(lián)了其他線路時(shí)，則系統(tǒng)中不存在電抗經(jīng)過零點(diǎn)的串聯(lián)諧振頻率，但是在曲線圖中存在電抗突然下降的現(xiàn)象，如果下降幅度較大，則系統(tǒng)中可能存在SSR問題，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通常認(rèn)為電抗跌折率大于30%時(shí)SSR發(fā)生的可能性比較大[1]。

4.2 時(shí)域仿真法

用此方法研究SSR出現(xiàn)的概率比較精確，是建立電磁暫態(tài)仿真模型，通過時(shí)域求解的方法模擬系統(tǒng)故障或擾動(dòng)過程，從而求得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸系相鄰質(zhì)量塊之間的扭矩，通過扭矩變化波形判別發(fā)電機(jī)軸系是否存在SSR問題。

4.3 掃頻-復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法

在發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上施加頻率為整數(shù)倍的小值脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，當(dāng)系統(tǒng)仿真到進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)，截取脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩一個(gè)公共周期上的發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機(jī)角頻率，并對(duì)其進(jìn)行Fou?rier分解，得出不同頻率下的電磁轉(zhuǎn)矩增量和角速度增量，然后根據(jù)公式求出電氣阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)，然后根據(jù)電氣阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)與機(jī)械阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)之和大于零時(shí)的軸系扭振穩(wěn)定準(zhǔn)則來判斷其穩(wěn)定性[2]。

4.4 特征值法

即利用線性化的方法建立包括發(fā)電機(jī)軸系、發(fā)電機(jī)、網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的全系統(tǒng)的狀態(tài)方程，然后通過特征值分析方法計(jì)算特征值，并計(jì)算特征頻率及相應(yīng)頻率下的阻尼參數(shù)，由此可以判定系統(tǒng)是否存在次同步頻率的諧振問題。

5 錦界電廠次同步諧振抑制裝置

為了更好的抑制本電廠電網(wǎng)系統(tǒng)中的次同步諧振問題，本電廠于2009年正式投入運(yùn)行了SSR-DS裝置，并加裝了汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振保護(hù)裝置（TSR），防止SSR-DS裝置出現(xiàn)異常時(shí)，在機(jī)組模態(tài)值達(dá)到保護(hù)動(dòng)作值時(shí)使機(jī)組跳閘對(duì)機(jī)組大軸進(jìn)行保護(hù)。

5.1 SSR-DS裝置簡(jiǎn)介

SSR-DS裝置接至錦界電廠降壓變下口的35kV母線，主要由TCR相控電抗器、3次諧波濾波器、5次諧波濾波器部分組成。TCR是一種感性負(fù)載，流過其的電流可以通過晶間管控制，這樣TCR消耗的無功就可以調(diào)整，進(jìn)而對(duì)發(fā)電機(jī)出口的電壓進(jìn)行微調(diào)；3次諧波濾波器可以消除3次諧波，也可以提供容性無功；5次諧波濾波器可以消除5次諧波，也可以提供容性無功。

SSR-DS裝置總共有四套，正常情況下有兩套裝置就可以滿足抑制次同步的要求，考慮到可靠性及冗余需求，現(xiàn)四套裝置全部投入運(yùn)行。每套裝置主要由T C R（相控電抗器，通過晶閘管的開通角度來控制相控電抗器的電流大小，以達(dá)到控制電網(wǎng)感性無功量的目的的裝置）、H3諧波濾波器（H3通道濾波器是濾除系統(tǒng)中的3次諧波，并為系統(tǒng)提供容性無功）、H5諧波濾波器（H5通道濾波器是濾除系統(tǒng)中的5次諧波，并為系統(tǒng)提供容性無功）。

5.2 SSR-DS裝置運(yùn)行方式

正常運(yùn)行時(shí)，每臺(tái)降壓變所帶的兩組SSR－DS裝置分別抑制錦界電廠的4臺(tái)發(fā)電機(jī)組的次同步諧振（SSR）。其中SSR－DS裝置1取1#機(jī)和2#機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，SSR－DS裝置2取3#機(jī)和4#機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，這兩臺(tái)SSR-DS設(shè)備均接到電廠531B的35kV新擴(kuò)建母線；SSR－DS裝置3取1#機(jī)2#機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差信號(hào)去抑制1#機(jī)和2#機(jī)的SSR，SSR－DS裝置4取3#機(jī)和4#機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，這兩臺(tái)SSR-DS設(shè)備均接到電廠532B的35kV新擴(kuò)建母線。

5.3 SSR-DS裝置的工作原理

以轉(zhuǎn)速偏差信號(hào)作為控制器的輸入信號(hào)時(shí)，需將T C R中的無功電流調(diào)制成與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度偏差反相即錯(cuò)相1 8 0°。這樣，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，T C R中的感性電流減小，即T C R吸收的無功功率減小，則發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓上升，發(fā)電機(jī)送出的電磁功率增加，對(duì)恒定的機(jī)械輸入，電磁功率的增加將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子動(dòng)能的減小，從而最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)子速度的降低。反之，轉(zhuǎn)速減小時(shí)T C R感性電流增加，機(jī)端電壓降低，發(fā)電機(jī)送出的電磁功率減小，從而使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加速。而正常運(yùn)行時(shí)，T C R以某一個(gè)固定導(dǎo)通角穩(wěn)定運(yùn)行，相當(dāng)于一穩(wěn)定且連續(xù)的無功負(fù)荷。因T C R的控制速度快，故可達(dá)到抑制次同步諧振的目的。

6 結(jié)語

本電廠于4月份發(fā)生#1、#3、#4機(jī)組跳閘事故，經(jīng)事故分析確定直接原因?yàn)镾SR-DS裝置未投運(yùn)前，電網(wǎng)次同步諧振導(dǎo)致這三臺(tái)機(jī)組TSR保護(hù)動(dòng)作，致使發(fā)電機(jī)和汽輪機(jī)跳閘。另外間接原因有電氣專業(yè)人員專業(yè)理論知識(shí)薄弱和應(yīng)急操作能力差等因素，因此應(yīng)在今后的工作中，根除崗責(zé)不匹配現(xiàn)象，定期對(duì)員工進(jìn)行專業(yè)知識(shí)培訓(xùn)和近期事故案例討論，提高員工的責(zé)任意識(shí)和綜合能力，確保電廠的安全運(yùn)行。

[1]馬生福.SSR-DS裝置在遠(yuǎn)距離帶串補(bǔ)出現(xiàn)4×600MW機(jī)組的應(yīng)用研究[D].北京：華北電力大學(xué),2016

[2]卓華.大型火電廠串補(bǔ)輸電系統(tǒng)次同步諧振解決方案的研究與應(yīng)用[J].大電機(jī)技術(shù),2014（5）：58-62

[3]肖述林.次同步諧振抑制裝置事故案例分析[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2011（4）：184-186

[4]楊文超,尤建生,李鵬等.SSR-DS裝置抑制次同步諧振與TSR保護(hù)配合的數(shù)模仿真試驗(yàn)研究[J].神華科技,2009,7（5）：57-62