一起勵磁系統(tǒng)通道異常導致的故障分析

戴申華

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司華東分公司，安徽 合肥 230601)

一起勵磁系統(tǒng)通道異常導致的故障分析

戴申華

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司華東分公司，安徽 合肥 230601)

分析了一起勵磁調(diào)節(jié)器手動模式運行導致機組非停的案例，給出了勵磁調(diào)節(jié)器手動模式運行時，有功功率、無功功率的相互關系及變化趨勢，通過潮流仿真，再現(xiàn)了故障過程，進一步說明了分析的準確性，同時驗證了跳機過程中失磁保護定值。文章的分析結果對電廠運行維護有重要的參考價值。

手動模式;恒勵磁電流;失磁保護；勵磁系統(tǒng)

勵磁系統(tǒng)與電力系統(tǒng)穩(wěn)定有著密切的關系，其在維持發(fā)電機電壓、系統(tǒng)故障時電壓快速恢復、提高電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性等方面發(fā)揮重要作用[1，2]。勵磁系統(tǒng)是一個自動閉環(huán)控制系統(tǒng)，按勵磁系統(tǒng)動作原理，其控制對象可以選取發(fā)電機電壓、發(fā)電機勵磁電流、可控硅觸發(fā)角度、發(fā)電機勵磁電壓、發(fā)電機無功及發(fā)電機功率因數(shù)等[3，4]。其中，以發(fā)電機電壓為控制對象的控制方式通常簡稱為自動運行方式，而以勵磁電壓、勵磁電流、可控硅觸發(fā)角度為控制對象的統(tǒng)一簡稱為手動運行方式，以發(fā)電機無功或功率因數(shù)為控制對象的一般簡稱為疊加控制模式。相關研究及案例表明：勵磁系統(tǒng)采用PID控制方式時，自動運行方式有助于改善發(fā)電機電壓的動態(tài)和靜態(tài)穩(wěn)定性，而手動運行方式由于其控制簡單、環(huán)節(jié)較少等因素，一般應用于發(fā)電機特殊運行工況，如發(fā)電機短路試驗、空載試驗等，在機組正常運行期間，勵磁系統(tǒng)必需置于自動運行方式。文中采用理論研究及仿真的方法，分析了一起機組正常運行過程中，勵磁系統(tǒng)置手動運行通道導致的非停事故案例，并提出相應的預防措施。

1 故障概述

2016年4月30日08：21：14，某電廠當值值長發(fā)現(xiàn)2號發(fā)電機有功功率758 MW，無功功率-334 Mvar，立即下令2號機組手動增加勵磁，主值接令后立即準備手動增加勵磁。運行人員接增磁指令，尚未來得及操作，08：23：46.947，2號機組無功最低降至-549.77 Mvar，發(fā)變組保護A屏“失磁Ⅱ段保護動作”，發(fā)變組全停，機組跳閘，汽機跳閘，鍋爐主燃料跳閘。

檢查發(fā)現(xiàn)，保護動作后發(fā)變組保護除報“失磁Ⅱ段保護動作”信號外無其他跳閘信號，機組進相深度頗深。調(diào)閱并整理當天的發(fā)電機有功功率、無功功率等電氣量變化趨勢，選取部分數(shù)據(jù)如表1。

表1 跳機前6 h電氣量部分數(shù)據(jù)

從表1數(shù)據(jù)可見，跳機前20 min，發(fā)電機電壓、無功功率、勵磁電壓均存在單調(diào)減小趨勢，有功功率開始呈上升現(xiàn)象，但在升至763.37 MW之后維持該值不變，而發(fā)電機勵磁電流全天基本保持恒定。

檢查勵磁調(diào)節(jié)器，面板顯示正常，但“勵磁手動運行通道”燈點亮，與表1中勵磁電流保持恒定的特征吻合，正常機組運行過程中勵磁調(diào)節(jié)器應運行在自動通道。從勵磁系統(tǒng)檢查情況可見，在跳機發(fā)生前后，勵磁系統(tǒng)一直處于手動運行方式。詢問得知，凌晨1時，運行人員發(fā)現(xiàn)機組進相較多，為提高機組無功，運行操作人員退出自動電壓控制(AVC)，切換勵磁系統(tǒng)至手動通道，將機組無功增加至-30 Mvar左右，增磁操作后，勵磁系統(tǒng)運行在手動通道且保持不變直至機組跳機，在該過程中勵磁系統(tǒng)均無人為操作，且AVC裝置在退出狀態(tài)。

綜合檢查情況：該次跳機前勵磁系統(tǒng)已切換至手動運行方式，機組進相深度過深，失磁保護動作出口跳機。

2 原因分析

2.1 故障機組參數(shù)

故障機組為東方電機廠生產(chǎn)的QFSN-1000-2-27型發(fā)電機，其采用自并勵勵磁系統(tǒng)，勵磁調(diào)節(jié)器型號為ABB UN6800。發(fā)電機參數(shù)見表2。

表2 發(fā)電機技術參數(shù)

2.2 失磁保護動作分析

由于失磁保護判斷的是發(fā)電機測量阻抗，而運行人員監(jiān)視的數(shù)據(jù)一般為發(fā)電機有功、無功等電氣量，判斷失磁保護動作行為首先需進行定值映射。式(1)即給出了發(fā)電機測量阻抗值與發(fā)電機功率的映射關系[5]。

(1)

式(1)中：(R，X)為阻抗平面的失磁保護曲線各點的坐標；(P，Q)為(R，X)映射到功率平面的坐標；U發(fā)電機電壓。該機組失磁保護采用異步圓阻抗，其中XA=1.9 Ω，XB= 27.2 Ω，電流互感器的變比為30 000 A/5 A，電壓互感器的變比為27 kV/100 V。

為判斷失磁保護動作定值，按照式(1)，設定U=23.50 kV(跳機瞬間)，將失磁保護定值映射至功率平面如圖1所示。

圖1 失磁保護定值功率平面映射

從圖1可見，發(fā)電機電壓下降至23.50 kV時，失磁保護動作曲線向上平移，圖中標記點與機組跳機瞬間工況一致，失磁保護正確動作。

2.3 機組運行工況分析

2.3.1 無功功率變化趨勢

隨著有功功率的增大，發(fā)電機無功功率不斷減小。表3給出了隨著有功增加，相同有功功率變化量ΔP對應的無功功率變化量ΔQ的數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中可以看出在有功為763.37 MW時，ΔQ/ΔP急劇變大，最終機組失磁保護動作跳機。

表3 整個過程的ΔQ/ΔP值

2.3.2 有功功率變化趨勢

結合運行人員操作記錄與表1數(shù)據(jù)，從凌晨2時至8時，發(fā)電機有功逐步增加，這與運行曲線一致，屬于正常的運行操作。8時為早高峰，調(diào)度自動發(fā)電量控制指令隨負荷要求增大，發(fā)電機有功增加到763.37 MW，此時AGC指令大于763.37 MW，機組尚需繼續(xù)增加有功，但經(jīng)過15 s發(fā)電機有功仍然保持不變。

ABB UNITROL6800型勵磁調(diào)節(jié)器手動通道即恒勵磁電流控制模式，其控制對象為發(fā)電機勵磁電流，維持Eq為恒定值，發(fā)電機有功功率有一最大值，即發(fā)電機功角為90°對應的有功功率為：

Pmax=EqUt/xd

(2)

若繼續(xù)增大功角，機組即失去靜態(tài)穩(wěn)定，滑行失步，表3的有功功率變化量ΔP在8：23：30之后為零的原因即在于此。

2.3.3 仿真分析

利用matlab/simulink仿真平臺搭建發(fā)電機-無窮大電網(wǎng)的仿真模型，其中發(fā)電機參數(shù)采用表2，由于為發(fā)電機潮流穩(wěn)定仿真，發(fā)電機時間常數(shù)采用經(jīng)典數(shù)據(jù)(不影響仿真結果)，勵磁調(diào)節(jié)器采用手動運行方式，其傳遞函數(shù)為：

G(s)= 60 +20 /s

(3)

從第2 s開始，發(fā)電機有功逐步增加，仿真波形如圖2所示。從圖2可見，勵磁調(diào)節(jié)器手動運行方式下，隨著有功功率的變化，無功功率隨之減少，且有功越大，相同有功功率變化量對應的無功功率變化量ΔQ/ΔP也越大。實際機組運行分散控制系統(tǒng)(DCS)錄波圖如圖3所示，對比圖2和圖3，機組有功、無功的變化趨勢完全一致，仿真波形很好地再現(xiàn)了運行數(shù)據(jù)。

圖2 勵磁調(diào)節(jié)器手動運行方式下潮流仿真波形

圖3 跳機前后實際運行DCS錄波圖

由于采用的是單機-無窮大電網(wǎng)的仿真模型，相對于實際電網(wǎng)其發(fā)電機電壓下降的較少，發(fā)電機功角為90°對應的有功功率更大，這與圖2和圖3的曲線較為吻合。

3 結束語

綜合上述分析，該機組跳機的主要原因是運行過程中勵磁調(diào)節(jié)器誤切手動通道引起失磁保護動作，而運行監(jiān)控未設置專門的電氣運行監(jiān)控電腦，不能及時掌握機組的運行狀況，是導致非停的間接原因。

勵磁調(diào)節(jié)器手動模式可短期運行，但禁止長期運行。為避免發(fā)生類似事故，結合該案例，提出以下幾點建議：(1) 加強運行人員電力系統(tǒng)基礎知識培訓，特別是勵磁調(diào)節(jié)器各運行模式的物理概念、運行操作的步驟的培訓；(2) 運行監(jiān)控應設置專門的電氣運行監(jiān)控電腦，機組運行過程中時刻關注無功、電壓趨勢，發(fā)現(xiàn)異常應及時排查；(3) 在DCS中設置勵磁系統(tǒng)運行異常報警光字牌，如手動通道運行超過一定時限、機組功角超過70°、功率異常波動等信號應重點關注；(4) 編制詳細的運行操作規(guī)范，特別是勵磁系統(tǒng)投退、磁場開關操作、增磁減磁、通道切換、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器投退等重要操作，必須要一人監(jiān)護一人操作；(5) 重要的勵磁系統(tǒng)操作，如運行中勵磁系統(tǒng)退出、磁場開關分閘需有閉鎖邏輯，防止運行中誤操作；(6) 加強勵磁系統(tǒng)巡視，至少保證一值2次，且巡視結束應記錄勵磁系統(tǒng)運行狀態(tài)，以備查閱。

[1] 劉 取. 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性及發(fā)電機的勵磁控制[M]. 中國電力出版社，2007：136-154，266.

[2] 王清明. 300 MW機組勵磁低勵限制引起功率異常波動分析[J].熱力發(fā)電，2009，38(12)：75-77.

[3] 丁 傲，謝 歡，劉 平，等. 發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器低勵限制協(xié)調(diào)控制分析[J]. 電網(wǎng)技術，2012，36(8)：193-198.

[4] 薛小平，王文新. 二灘水電站機組無功功率波動分析[J]. 水電自動化與大壩監(jiān)測，2012，36(4)：17-19.

[5] 陳 晶，劉明群，吳水軍. 發(fā)電機勵磁限制與相應機組保護的配合[J]. 南方電網(wǎng)技術，2012，6(1)：6-9.

戴申華

戴申華(1984 —)，男，安徽池州人，工程師，從事發(fā)電機勵磁系統(tǒng)試驗及理論研究工作。

Analysis of the Trip Caused by Abnormal Channel of Excitation System

DAI Shenhua

(China Datang Corporation Science and Technology Research Institute Co. Ltd. East China Branch, Hefei 230601, China)

A case of the unit’s abnormal outage under the situation of the manual mode operation of excitation regulator was analyzed. Based on the analysis, the relationship between active power and reactive power as well as their trend under the situation of the manual mode operation of excitation regulator were discussed. The accuracy of the analysis has been proved through a simulation which reproduce the fault process. The simulation has also verified the setting value of excitation-loss protection for generation trip. The analysis results in this paper will have important reference value for the operation and maintenance of power plant.

manual mode; constant exciting current; excitation-loss protection; excitation system

2016-08-29；

2016-10-13

TM621

B

2096-3203(2017)01-0106-03