UNITROL 5000勵(lì)磁系統(tǒng)故障引起的發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動(dòng)作分析及定值優(yōu)化

陳鋒云　林彤　陳潔 金俊杰

摘要：簡(jiǎn)述了浙能樂清電廠660MW機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)故障引起的1號(hào)發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動(dòng)作的原因分析及處理措施，強(qiáng)調(diào)重大反事故措施在勵(lì)磁專業(yè)落實(shí)的重要性。繪制失磁故障過程中發(fā)電機(jī)機(jī)端正序阻抗軌跡，確認(rèn)失磁保護(hù)的靈敏性和可靠性，修改失磁保護(hù)出口方式為解列滅磁。介紹和校核發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)與AVR低勵(lì)限制的配合整定原則和計(jì)算方法，確保限制先于保護(hù)而動(dòng)作。

關(guān)鍵詞：失磁保護(hù);勵(lì)磁系統(tǒng)外部跳閘;繼電器;動(dòng)作功率;解列滅磁;正序阻抗;整定;低勵(lì)限制中圖分類號(hào)：TM 761文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16081/j.issn.1006-6047.yyyy.mm.xxx

0 ?引言

近年來，隨著繼電保護(hù)國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的深入宣貫和重大反事故措施的認(rèn)真貫徹落實(shí)。關(guān)于繼電保護(hù)的反事故措施執(zhí)行情況良好，但是，大家往往忽略了勵(lì)磁系統(tǒng)或者就地控制屏的繼電器的檢查。比如“所有跳閘回路上的觸點(diǎn)均應(yīng)采用動(dòng)合觸點(diǎn)。跳閘回路出口繼電器及用于保護(hù)判據(jù)的信號(hào)繼電器動(dòng)作電壓應(yīng)在額定直流電源電壓55%-70%范圍內(nèi)，動(dòng)作功率不宜低于5W”的反事故措施。據(jù)了解，由于勵(lì)磁系統(tǒng)繼電器或開入卡件受干擾造成發(fā)電機(jī)失磁故障也不止一例。發(fā)電機(jī)的失磁故障對(duì)發(fā)電機(jī)本身和與之相連的系統(tǒng)都會(huì)造成傷害，發(fā)電機(jī)的容量在系統(tǒng)中占比越大，對(duì)系統(tǒng)的影響也越大。低勵(lì)限制須先于失磁保護(hù)跳閘而動(dòng)作，低勵(lì)限制不應(yīng)動(dòng)作于跳閘。

2017年6月，浙能樂清電廠660MW機(jī)組1號(hào)發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動(dòng)作，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁變保護(hù)屏失磁保護(hù)動(dòng)作出口于關(guān)主汽門， 然后1號(hào)發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)動(dòng)作于分1號(hào)發(fā)電機(jī)GCB開關(guān)和滅磁開關(guān)。失磁機(jī)組進(jìn)相過程中，吸收無功最高至636Mvar，主變高壓側(cè)電壓由511kV降至496kV。

1 失磁保護(hù)動(dòng)作分析處理

1.1保護(hù)動(dòng)作現(xiàn)象

浙能樂清電廠以兩回500kV線路接入500kV天柱變，發(fā)電機(jī)為發(fā)變組接線，配發(fā)電機(jī)出口斷路器，500kV母線采用3/2接線方式，500kV啟備變直接接入500kV II母線。1號(hào)發(fā)變組和1條線路組成第一串，勵(lì)磁系統(tǒng)為自并勵(lì)方式，軟件版本為ABB UNITROL 5000。

2017年6月01日0：49分，#1機(jī)組有功功率544MW，無功功率124Mvar，機(jī)端電壓19.8kV，勵(lì)磁系統(tǒng)通道二運(yùn)行，勵(lì)磁電壓306V，勵(lì)磁電流3250A。0：49：32勵(lì)磁系統(tǒng)收到143 FCB external OFF（滅磁開關(guān)FCB外部跳閘信號(hào)），同時(shí)進(jìn)入逆變滅磁狀態(tài)，勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流迅速下降，機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行，進(jìn)相深度最高為Q=-636 Mvar，機(jī)端電壓下降至14.7 kV，機(jī)端電流上升至25.2 kA，主變高壓側(cè)電壓由511kV降至496kV。0：49：35 1號(hào)發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動(dòng)作，保護(hù)A屏和B屏失磁保護(hù)動(dòng)作均出口于關(guān)主汽門， 然后1號(hào)發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)動(dòng)作于分1號(hào)發(fā)電機(jī)GCB開關(guān)和滅磁開關(guān)。

查看勵(lì)磁系統(tǒng)報(bào)警如下：

（1）00：49：32.6600 +FCB external OFF 勵(lì)磁系統(tǒng)收到FCB外部跳閘信號(hào)。

（2）00：49：32.8600 -FCB external OFF 勵(lì)磁系統(tǒng)收到FCB外部跳閘信號(hào)復(fù)歸，此信號(hào)存在200ms。

（3）00：49：34.4800 +Fan supply2 fail 勵(lì)磁系統(tǒng)收到風(fēng)扇第2路電源故障，風(fēng)扇電源電壓低延時(shí)2s報(bào)警。

（4）00：49：34.5800 +Standby alarm 備用勵(lì)磁調(diào)節(jié)器報(bào)警。

（5）00：49：35.4200? -Stabilizer active 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS退出（由于勵(lì)磁進(jìn)入逆變，正常退出）。

（6）00：49：42.2800 -Fan supply2 fail 勵(lì)磁系統(tǒng)收到風(fēng)扇第2路電源故障復(fù)歸。

（7）00：49：42.9800 -Standby alarm 備用勵(lì)磁調(diào)節(jié)器報(bào)警復(fù)歸。

1.2保護(hù)動(dòng)作過程

2017年6月1日 00時(shí)49分，#1機(jī)組出力544MW;00：49：33.451時(shí)機(jī)組故障錄波器啟動(dòng);（該時(shí)刻為時(shí)標(biāo)0ms點(diǎn)）

2187ms A屏保護(hù)動(dòng)作總信號(hào)

2192 ms B屏保護(hù)動(dòng)作總信號(hào)

2198 ms 1號(hào)發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動(dòng)作（作用于關(guān)主汽門）

2404 ms 主汽門關(guān)閉

7395 ms? 發(fā)電機(jī)程序逆功率動(dòng)作

7421 ms GCB開關(guān)分位

7595 ms 滅磁開關(guān)分位

從保護(hù)報(bào)文來看，機(jī)組保護(hù)動(dòng)作正確。

1.3保護(hù)動(dòng)作原因分析

事故跳閘后檢查勵(lì)磁一次設(shè)備，測(cè)量回路絕緣電阻均正常，排除一次設(shè)備故障的可能。根據(jù)報(bào)警信號(hào)和現(xiàn)場(chǎng)檢查情況，結(jié)合廠家圖紙，邏輯中有機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的閉鎖條件，可判斷在勵(lì)磁系統(tǒng)正常運(yùn)行的狀態(tài)下僅有勵(lì)磁系統(tǒng)退出的命令是不會(huì)將勵(lì)磁系統(tǒng)退出運(yùn)行的，因此可排除外部切除勵(lì)磁指令造成勵(lì)磁退出失磁的可能，查看DCS畫面當(dāng)時(shí)也無退勵(lì)指令發(fā)出。

從勵(lì)磁報(bào)文看，勵(lì)磁系統(tǒng)收到三個(gè)故障：其中“風(fēng)機(jī)電源故障”和“備用調(diào)節(jié)器故障”均是因機(jī)端電壓低造成的勵(lì)磁變低壓側(cè)電壓低，屬于正?，F(xiàn)象（勵(lì)磁裝置控制電源和風(fēng)扇電源都由勵(lì)磁變低壓側(cè)再經(jīng)隔離變壓器供電）。勵(lì)磁報(bào)文143 FCB external OFF（FCB外部跳閘信號(hào)）報(bào)警信號(hào)只存在200ms。查看勵(lì)磁調(diào)節(jié)器軟件圖，當(dāng)此信號(hào)≤200ms時(shí)，報(bào)警信號(hào)會(huì)被拓寬至200ms，故推斷當(dāng)時(shí)故障瞬時(shí)發(fā)生并復(fù)歸，故障時(shí)間≤200ms。

圖 1勵(lì)磁調(diào)節(jié)器內(nèi)部及外部跳閘指令

Fig. 1? Internal and external tripping instructions to the

excitation regulator

根據(jù)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器內(nèi)部邏輯圖（含圖1）和ABB廠家指導(dǎo)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器收到外部跳閘信號(hào)（DI09）造成143 FCB external OFF（FCB外部跳閘信號(hào)）報(bào)警、滅磁程序啟動(dòng)的原因有以下兩種：

（1）勵(lì)磁系統(tǒng)外部跳閘中間繼電器K03或K04的輔助節(jié)點(diǎn)，該繼電器的兩對(duì)節(jié)點(diǎn)，一對(duì)用于跳滅磁開關(guān)，另一對(duì)用于發(fā)出外部跳閘命令DI09。DI09外部跳閘命令至U70板卡再觸發(fā)勵(lì)磁系統(tǒng)逆變滅磁，最終導(dǎo)致發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動(dòng)作關(guān)主汽門;

（2）FIO（U70）板卡故障，U70板卡故障也可能會(huì)觸發(fā)外部跳閘命令DI09，導(dǎo)致上述結(jié)果。

1.4事故處理

1、緊急采購(gòu)大功率繼電器（NR0521B），替換原外部跳閘K03、K04繼電器，對(duì)采購(gòu)的大功率繼電器進(jìn)行試驗(yàn)，新繼電器K03動(dòng)作電壓68.7V，返回電壓 35V，線圈阻值0.68 kΩ。新繼電器K04動(dòng)作電壓65V ，返回電壓32.9V ，線圈阻值0.67 kΩ。折算繼電器啟動(dòng)功率約為6.5W。同時(shí)對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)內(nèi)部故障跳閘K01、K02繼電器進(jìn)行了更換處理。

2、更換FIO（U70）板卡，對(duì)開入開出回路進(jìn)行校驗(yàn)，確認(rèn)板卡正常。為了以防萬一，同時(shí)對(duì)FIO（U71）板卡也進(jìn)行了更換，并進(jìn)行相關(guān)校驗(yàn)和勵(lì)磁系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。

2失磁過程正序阻抗軌跡和定值校核及優(yōu)化

2.1失磁保護(hù)的判據(jù)組合

（1）投失磁保護(hù)Ⅱ段（經(jīng)機(jī)端電壓低動(dòng)作于跳閘）：

機(jī)端低電壓判據(jù)+定子正序阻抗判據(jù);

原整定延時(shí)t=1.5S，在此次事件之后為躲系統(tǒng)振蕩周期1.5s（為當(dāng)?shù)厥≌{(diào)提供），將延時(shí)改為1.8s;

（2）失磁保護(hù)III段（III段經(jīng)較長(zhǎng)延時(shí)動(dòng)作于跳閘或發(fā)信）：

只投入定子側(cè)正序阻抗判據(jù);

長(zhǎng)延時(shí)動(dòng)作于跳閘，延時(shí)t3=2S。

2.2阻抗圓的整定和失磁過程正序阻抗的軌跡變化

2.2.1阻抗圓的整定

（一）異步阻抗圓

1）異步邊界圓（Xa、Xb算法按照《大型發(fā)電機(jī)變壓器組繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》整定，阻抗圓見圖2）：

式中X_d和X_d為發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗和同步電抗額定標(biāo)幺值，取不飽和值;pu即為發(fā)電機(jī)阻抗基準(zhǔn)值;U_gn和S_gn為發(fā)電機(jī)額定電壓20kV和額定視在功率733MVA;n_a和n_v為電流互感器TA變比和電壓互感器TV變比。

2）異步阻抗圓的圓心和半徑計(jì)算：

2.2.2失磁過程中正序阻抗的軌跡變化

（一）將此次失磁過程中發(fā)電機(jī)勵(lì)磁變A屏保護(hù)裝置波形導(dǎo)出，并由波形分析軟件得到正序阻抗數(shù)據(jù)如下表1所示。

（二）將得到的正序阻抗數(shù)據(jù)繪制在整定的阻抗圓中，得到下圖

由上圖可見，t1點(diǎn)機(jī)組正常運(yùn)行發(fā)出無功，t2點(diǎn)正序阻抗一進(jìn)入異步阻抗圓失磁保護(hù)便啟動(dòng)，經(jīng)1.5s后保護(hù)正確動(dòng)作。

2.3失磁保護(hù)的出口方式修改

失磁保護(hù)原出口方式整定為跳汽機(jī)，因此從發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動(dòng)作到GCB開關(guān)分開相隔了5.2s，發(fā)電機(jī)進(jìn)相深且時(shí)間長(zhǎng)，系統(tǒng)電壓被拉低較多。一旦發(fā)電機(jī)失磁，即時(shí)可以長(zhǎng)期穩(wěn)定在異步狀態(tài)運(yùn)行發(fā)出有功功率吸收無功，但是定子線圈長(zhǎng)期超額定電流運(yùn)行易損壞設(shè)備。因此，將失磁保護(hù)出口方式由“跳汽機(jī)”改為“解列滅磁”。

2.4發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)與勵(lì)磁系統(tǒng)低勵(lì)限制配合的校核

低勵(lì)限制的作用是避免發(fā)電機(jī)失去靜穩(wěn)，避免造成發(fā)電機(jī)端部過熱，避免發(fā)電機(jī)電壓、廠用電和高壓母線電壓過低。低勵(lì)限制定值按照先于失磁保護(hù)動(dòng)作設(shè)置，AVR不動(dòng)作于跳閘。

失磁保護(hù)、省調(diào)下發(fā)勵(lì)磁限制定值的配合的校核如下：

將阻抗圓映射至PQ平面上，設(shè)機(jī)端測(cè)量阻抗Z=R+jX，X₀為阻抗的圓心縱坐標(biāo)，R₀為阻抗圓半徑，不論阻抗判據(jù)采取異步阻抗圓還是靜穩(wěn)阻抗圓，在圓內(nèi)時(shí)保護(hù)動(dòng)作，滿足以下公式：

將2.2.1阻抗圓的整定值即異步阻抗圓和靜穩(wěn)阻抗圓圓心和半徑的標(biāo)幺值（以發(fā)電機(jī)額定阻抗pu為基準(zhǔn)值），代入公式（4）和（5）即可得阻抗圓映射至PQ平面的PQ圓，并將低勵(lì)限制曲線一同在繪制圖4，由圖可見以異步阻抗圓為判據(jù)的失磁保護(hù)與低勵(lì)限制配合良好。

3、結(jié)論

本文通過勵(lì)磁系統(tǒng)故障引起的失磁保護(hù)動(dòng)作案例分析，認(rèn)識(shí)到我們須重視重大反事故措施在勵(lì)磁專業(yè)的落實(shí)工作。須嚴(yán)格執(zhí)行“跳閘回路出口繼電器及用于保護(hù)判據(jù)的信號(hào)繼電器動(dòng)作電壓應(yīng)在額定直流電源電壓55%-70%范圍內(nèi)，動(dòng)作功率不宜低于5W”等反事故措施。發(fā)電機(jī)失磁故障在短時(shí)間內(nèi)一般不可能恢復(fù)勵(lì)磁，上述案例中發(fā)電機(jī)機(jī)端電流最高已到額定電流2倍，且發(fā)電機(jī)進(jìn)相較深持續(xù)6s左右，不僅拉低了系統(tǒng)電壓，而且發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期超額定電流異步運(yùn)行易損壞設(shè)備，基于以上理由將發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)出口方式由“程序跳閘”改為“解列滅磁”以縮短機(jī)組失磁后異步運(yùn)行時(shí)間?；谑Т疟Ｗo(hù)的重要性，對(duì)此次失磁故障過程中發(fā)電機(jī)機(jī)端正序阻抗軌跡進(jìn)行跟蹤，確認(rèn)失磁保護(hù)異步阻抗圓判據(jù)的靈敏度和可靠性，并校核失磁保護(hù)與省調(diào)下發(fā)的低勵(lì)限制值配合度，確保勵(lì)磁低勵(lì)限制先于失磁保護(hù)而動(dòng)作。

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作者簡(jiǎn)介：

陳鋒云（1988—），男，浙江溫州人，工程師，從事電廠電氣專業(yè)工作.

林彤（1975—），男，浙江寧波人，高級(jí)工程師，從事電廠電氣專業(yè)工作.

陳潔（1983—），男，浙江寧波人，助理工程師，從事電廠電氣專業(yè)工作.

金俊杰（1973—），男，浙江臺(tái)州人，工程師，從事電廠電氣專業(yè)工作.

Abstract： This paper briefly describe the analysis and treatment measures of the Zheneng Yueqing power plants first generator loss-of-excitation protection operating event caused by the excitation system failure.The importance of major anti-accident measures in the implementation of excitation specialty is emphasized. The positive? sequence impedance taajectories of generators in the course of loss-of-excitation fault are drawn to confirm the sensitivity and reliability of loss-of-excitation protection.Modify the operating mode of loss-of-exciation protection as deaching from the system and excitation off.This paper introduces and verifies the setting principle and calculation method of generator loss-of-excitation protection and AVR minimum-excitation limit to ensure that the limit operates before the operation.Key words： loss-of-excitation protection;external trip to the excitation regulator; relay;operating power;deach from the system and excitation off;positive sequence impedance;setting;unde-excitation limiter