蓄電池故障引發(fā)輔助強勵系統(tǒng)誤動的風(fēng)險分析

鮑克勤, 張雪健, 倪 蓉

(上海電力大學(xué) 自動化工程學(xué)院, 上海 200090)

近年來,隨著中國電網(wǎng)“西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略目標(biāo)的全面實現(xiàn)[1-2],清潔能源發(fā)展迅猛。電源結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化,系統(tǒng)規(guī)模持續(xù)擴大[3]。同時,由于我國正處于經(jīng)濟轉(zhuǎn)型期,電網(wǎng)負(fù)荷增長速度趨緩,送端集中開機和受端開機不足引起的調(diào)峰、調(diào)頻困難已經(jīng)成為電網(wǎng)運行中的關(guān)鍵問題之一[4]。大型同步發(fā)電機在電網(wǎng)運行中的調(diào)節(jié)作用和調(diào)節(jié)能力已經(jīng)引起了高度重視。為了保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行,能源監(jiān)管部門對發(fā)電機組輔助服務(wù)能力提出了更加嚴(yán)格的要求[5]。尤其是針對故障后維持電網(wǎng)穩(wěn)定運行的需求,要求各涉網(wǎng)發(fā)電機必須具備強勵能力。文獻(xiàn)[6]中要求100 MW及以上汽輪發(fā)電機勵磁頂值電壓倍數(shù)一般為1.8倍,對于勵磁電源取自發(fā)電機端的靜止勵磁系統(tǒng),其勵磁電壓倍數(shù)應(yīng)按80%的發(fā)電機額定電壓計算。

隨著國家對核電系統(tǒng)安全重視程度的提升,直流輔助強勵回路在核電廠較為常見。文獻(xiàn)[7]通過對勵磁變壓器回路進行改造,建立了優(yōu)于傳統(tǒng)強勵系統(tǒng)的新型的輔助強勵回路仿真模型。文獻(xiàn)[8]針對發(fā)電機勵磁系統(tǒng)誤強勵的問題提出了優(yōu)化方法,有效地避免了事故的發(fā)生。但在某些特殊情況下,曾經(jīng)發(fā)生由于蓄電池故障引起發(fā)電機勵磁電流示值突變的現(xiàn)象。針對這一突變現(xiàn)象,本文基于電力系統(tǒng)暫態(tài)分析軟件PSCAD/EMTDC仿真建模,并對其中的原因進行詳細(xì)分析,以期對提高核電站安全穩(wěn)定運行有所啟發(fā)[9]。

1 發(fā)電機建模

目前發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的強勵功能設(shè)計有兩種常見的情況:一是勵磁系統(tǒng)內(nèi)部強勵符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求;二是勵磁機本身不具備強勵調(diào)節(jié)的能力,需要在外部采用輔助強勵回路給勵磁機提供足夠的勵磁電流。常見的帶輔助強勵的發(fā)電機勵磁系統(tǒng)示意圖如圖1所示。由圖1可知,帶輔助強勵的發(fā)電機勵磁系統(tǒng)通常由勵磁機整流回路、輔助強勵回路、蓄電池直流回路3個部分組成。

圖1 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)

本文基于PSCAD軟件搭建了發(fā)電機勵磁系統(tǒng)及蓄電池系統(tǒng)的聯(lián)動模型,具體如圖2所示。該仿真模型由發(fā)電機、勵磁變、勵磁機、晶閘管整流橋及輔助強勵回路組成。目前發(fā)電廠勵磁系統(tǒng)采用小型變壓器代替副勵磁機的自并勵無刷勵磁方式,在已投運的發(fā)電廠有著成熟的運行經(jīng)驗[10]。發(fā)電機正常運行時,輔助強勵回路和蓄電池直流回路處于備用狀態(tài),勵磁機整流回路導(dǎo)通,發(fā)電機機端電壓通過變壓器降壓,經(jīng)過整流器整流給發(fā)電機提供勵磁電源。當(dāng)發(fā)電機機端電壓低于設(shè)定值70%時,勵磁機整流回路不能完全提供滿足設(shè)定值勵磁所需的功率,AVR勵磁控制器控制晶閘管投入輔助強勵回路,快速恢復(fù)發(fā)電機電壓。在蓄電池直流回路中,充電器和蓄電池給輔助強勵回路提供短暫激勵電流。當(dāng)發(fā)電機電壓恢復(fù)到設(shè)定值72%時,輔助強勵回路斷開,勵磁機磁極正負(fù)極將完全與直流系統(tǒng)隔開。絕緣監(jiān)測儀采用平衡橋測量母線絕緣,平衡橋直接接入母線正負(fù)極,每個平衡橋電阻為20 kΩ。

圖2 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)及蓄電池系統(tǒng)仿真模型

2 發(fā)電機勵磁電流突變現(xiàn)象分析

2.1 仿真分析

為了全面分析因蓄電池故障引起發(fā)電機勵磁電流示值突變的現(xiàn)象,對核電廠蓄電池直流回路和輔助強勵回路進行了正常運行、單點接地、兩點接地的仿真分析。

2.1.1 正常運行

在進行各種故障模擬之前,對發(fā)電機勵磁系統(tǒng)正常運行工況進行仿真[9]。發(fā)電機額定機端電壓為24 kV,發(fā)電機機端電壓仿真波形如圖3所示。

圖3 發(fā)電機機端電壓仿真波形

發(fā)電機機端電壓24 kV通過勵磁變壓器降壓到300 V,勵磁變低壓側(cè)的輸出電壓波形如圖4所示。

圖4 勵磁變輸出電壓仿真波形

勵磁變壓器的輸出端電壓經(jīng)晶閘管整流器后供發(fā)電機勵磁繞組勵磁,晶閘管整流器輸出端的勵磁電壓為51 V,勵磁額定電流為75 A,勵磁電壓與電流仿真波形如圖5所示。

圖5 勵磁電壓與電流仿真波形

通過上述仿真結(jié)果可知,本文所建模型能夠正確模擬正常運行工況時的發(fā)電機勵磁系統(tǒng),從而驗證了其具有可行性和準(zhǔn)確性。

2.1.2 單點接地

對蓄電池直流回路或者輔助強勵回路進行單點接地故障仿真分析。單點接地故障時的發(fā)電機機端電壓和勵磁電流隨時間變化曲線如圖6和圖7所示。

圖6 單點接地故障時發(fā)電機機端電壓仿真波形

圖7 單點接地故障時發(fā)電機勵磁電流仿真波形

由圖6和圖7可知,單點接地故障不會引起發(fā)電機機端電壓、勵磁電流、蓄電池電壓突變故障。單點接地故障是發(fā)電機較常見的故障形式,一般不會對發(fā)電機造成危害,故不影響發(fā)電機系統(tǒng)的正常運行。但若不及時發(fā)現(xiàn),會導(dǎo)致更大的故障,因此應(yīng)及時排查檢修。

2.1.3 兩點接地

為了進一步深入分析和研究發(fā)電機勵磁電流突變現(xiàn)象,需要進行兩點接地故障仿真分析。兩點接地故障發(fā)生時的勵磁電流隨時間變化曲線如圖8所示。

圖8 勵磁電流隨時間變化曲線

由圖8可知:第10 s時出現(xiàn)兩點接地故障,故障持續(xù)時間為20 s;在0～10 s期間,發(fā)電機勵磁系統(tǒng)處在穩(wěn)定正常運行狀態(tài);在10～30 s期間,接地故障回路導(dǎo)通,勵磁電流由正常的75 A上升至232 A,模擬故障中接地電阻為1.2 Ω左右;第30 s時接地故障消失,勵磁電流恢復(fù)正常。

2.2 故障實例及分析驗證

2016年底,某發(fā)電廠蓄電池故障引起勵磁電流示值突變。故障期間,發(fā)生接地故障、蓄電池電壓低、控制器故障、直流系統(tǒng)故障等多個報警。檢修人員立即進行現(xiàn)場檢修,發(fā)現(xiàn)蓄電池連接電纜對地放電、直流系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測儀燒毀、勵磁機勵磁電流示值多次出現(xiàn)異常突變等現(xiàn)象。勵磁電流突變時的代表性故障錄波如圖9所示。

圖9 勵磁電流突變時的故障錄波

將該發(fā)電廠相應(yīng)機組勵磁系統(tǒng)的電氣參數(shù)代入本文的風(fēng)險分析模型中,得到的仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 勵磁電流隨時間變化曲線

與圖9的實測曲線進行對比發(fā)現(xiàn),仿真結(jié)果吻合程度較好。根據(jù)仿真結(jié)果分析可知,此勵磁電流突變事件很可能是由兩點接地故障引起的。當(dāng)發(fā)電機正常運行時,發(fā)電機勵磁系統(tǒng)本身內(nèi)部提供的勵磁電流為75 A。當(dāng)發(fā)生兩點接地故障時,分流器上流過的勵磁電流是由正常勵磁電流和接地故障回路電流疊加而成的。接地阻抗呈阻性,接地阻抗的變化過程不存在規(guī)律性。接地電流的大小與波形取決于每次接地時的接地阻抗及接地故障點放電頻率等因素。接地放電過程伴有接地阻抗的非線性變化過程,與故障結(jié)果相符。據(jù)此判斷,導(dǎo)致核電機組勵磁電流示值突變上升的原因應(yīng)為兩點接地故障。

由單點接地故障分析可知,輔助強勵回路為高阻接地的直流系統(tǒng),唯一接地點是絕緣監(jiān)測儀平衡電橋電阻接地點。單點接地時,接地故障點通過絕緣監(jiān)測儀平衡電橋電阻與地連接形成接地回路,平衡橋電阻為20 kΩ,接地電流無明顯變化,與故障結(jié)果不符?？梢?高阻系統(tǒng)中的單點接地故障并不能使勵磁電流示值突變。

3 相關(guān)建議

用直流電源做輔助強勵驅(qū)動回路是一種常見的接線形式,廣泛應(yīng)用于主電源取自發(fā)電機機端勵磁變壓器的間接勵磁系統(tǒng)。根據(jù)本文的分析,建議在以下方面采取反事故技術(shù)措施。

(1) 在勵磁機負(fù)極接入晶閘管,通過AVR控制開斷,在不需要輔助強勵時,勵磁機磁極正負(fù)極將完全與直流系統(tǒng)徹底隔開,避免互相影響而造成設(shè)備損壞。

(2) 對重要直流回路進行分段在線監(jiān)測,加強輔助強勵回路等直流回路的絕緣管理。直流回路的絕緣管理參考標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)[11-12]。

(3) 增加非接觸式直流回路絕緣監(jiān)測設(shè)備,提高絕緣監(jiān)測儀的絕緣可靠性,防止發(fā)生兩點接地故障。

(4) 在發(fā)電廠的實際運行中,應(yīng)能正確區(qū)分蓄電池回路故障引起輔助強勵回路動作是否是誤動引起的,以便快速采取有效措施,保證發(fā)電廠安全穩(wěn)定運行。

4 結(jié) 論

通過以上風(fēng)險分析,可以得出如下結(jié)論。

(1) 仿真結(jié)果與故障實例吻合較好,證明本文所建仿真模型能夠用于發(fā)電機勵磁故障的風(fēng)險分析。

(2) 輔助強勵回路單點接地,在一段時間內(nèi)不會引發(fā)事故而影響發(fā)電機系統(tǒng)的正常運行。

(3) 直流供電系統(tǒng)的可靠性對帶輔助勵磁回路的發(fā)電機至關(guān)重要,兩點接地故障和接地阻抗的變化可能導(dǎo)致發(fā)電機勵磁電流突變,甚至引發(fā)跳機。