肖华宾， 赵曙伟

(1.神华广东国华粤电台山发电有限公司，广东 台山 529228；2.苏州热工研究院有限公司，广东 深圳 518120)

大型发电机组失磁故障的分析与处理

肖华宾1， 赵曙伟2

(1.神华广东国华粤电台山发电有限公司，广东 台山 529228；2.苏州热工研究院有限公司，广东 深圳 518120)

接入电网的大型发电机组发生故障后，会影响到系统的运行稳定性，继电保护的任务就是快速的、可靠的、有选择的将故障切除，维持系统稳定，因此对继电保护装置提出不误动、不拒动的基本要求。同时为尽快恢复电力输出，就必须快速定位故障点，并做相应的故障排除。针对一起由于励磁系统电源故障引起的发电机失磁保护动作事件，分析保护动作行为的正确性，开展一、二次设备的全面检查，并采取有效的故障隔离措施，经静态、动态测试证明是行之有效的，终使机组在最短的时间内投入商业运营。

失磁；励磁系统；阻抗；机端电压；转子

Abstract: A failure of a large generating unit connected to the power grid will affect stability of system operation, and the task of relay protection is to remove the fault in a rapid, reliable and selective way and keep the system stable. In this background, it is basically required that the relay protection device should have no maloperation or refusing action. On the other hand, to restore electric output as soon as possible, it is necessary to quickly locate the fault point and remove the fault correspondingly. For an event of excitation loss protection of the generator caused by a power failure in the excitation system, we analyse correctness of the protection action, carry out a comprehensive inspection of primary and secondary equipment, and take effective measures to isolate the fault. Static and dynamic tests prove that these are effective measures which eventually put the generating unit into commercial operation in the shortest possible time.

Keywords: excitation loss; excitation system; impedance; terminal voltage; rotor

0 引 言

同步发电机是根据电磁感应原理工作的，发电机转子电流(励磁电流)用于产生电磁场，正常运行工况下，转子电流必须保持在一定水平上。发电机失磁故障是指励磁系统提供的励磁电流部分或全部消失，同步发电机失磁后将转入异步运行状态，从原来的发出无功功率转变为吸收无功功率。大型发电机组失磁故障反映为吸收系统无功功率、系统电压下降，严重时将造成系统电压崩溃，引发系统性事故[1]。在这种情况下，失磁保护必须快速可靠动作，将失磁的发电机组从系统中切除，保证系统正常运行。

引起发电机失磁的原因主要有：发电机转子绕组故障、励磁系统故障、自动灭磁开关跳闸及其回路故障等[2]。

1 系统概况

1.1 一次系统

南方电网某电厂6号、7号1 000 MW级发电机组采用的是上海电气电站设备有限公司生产的三机无刷励磁系统。其中主励磁机选型为ELR-70/90-30/6-20N，额定容量4 500 kW，额定直流电压600 V，额定直流电流7 500 A；副励磁机额定容量65 kVA，额定电压220 V，额定电流195 A，功率因数0.6，频率400 Hz[3]；发电机选型为THDF-125/67，额定容量为1 112 MVA，额定功率为1 000 MW，额定电压为27 kV，额定电流为23 778 A，额定励磁电压为437 V，额定励磁电流为5 887 A[4]，系统接线如图1所示。电源选择开关(简称Q70开关)选型为C125 150A/690V，额定电流125 A；励磁开关(简称Q02开关)为SACE TMAX 3P T30 250 400 Hz的三相250 A塑壳断路器。

图1中的三机无刷励磁系统是由永磁副励磁机产生400 Hz三相交流电，通过励磁调节器AVR(Automatic Voltage Regulator)整流和控制提供一可变的直流电流给主励磁机励磁。在主励磁机转子感应的150 Hz三相交流电经旋转整流桥整流后，通过转轴内的直流引线提供给发电机转子绕组。整流后的直流电流不经过滑环和电刷，直接与发电机的励磁绕组相连[5-7]。

图1 三机无刷励磁发电机组系统接线原理图

1.2 保护系统

图2 G60失磁保护逻辑图

图3 G60失磁保护阻抗元件特性图

两台1 000 MW机组的双重化发电机保护使用的是GE公司的G60微机保护装置，其失磁保护是根据发电机失磁后转子、定子绕组和所联系统诸电气量的变化特性，利用发电机机端测量阻抗、机端电压、系统电压发生变化所构成的，逻辑如图2所示。

逻辑图中，失磁保护由三部分组成：阻抗元件与系统低电压均动作后经T1延时程序跳闸、阻抗元件与机端低电压均动作后经T2延时程序跳闸、阻抗元件动作后经T3延时程序跳闸。其中作为主元件的阻抗元件采用的是两个偏移异步边界阻抗圆，动作特性曲线如图3所示。

表1 失磁保护整定值

2 发电机失磁故障

2014年12月10日8时56分，6号机组负荷923 MW，无功132 Mvar，发电机转子电压312 V，副励磁机励磁电压44 V,励磁电流88 A，机组各运行参数正常。8时56分24.589秒，6号发电机突然跳闸，汽轮机联跳，锅炉甩负荷，DCS(Distribute Control System)报警首出记录为“6号发电机失磁保护动作”，两套(分为A、B屏)G60保护装置记录故障波形如图4、图5所示，故障录波器故障记录如图6所示。

图4 A屏G60失磁保护动作事件录波图

图5 B屏G60失磁保护动作事件录波图

图6 6号发电机组故障录波图

2.1 失磁保护动作分析

图3中机端测量阻抗9 Ω至186 Ω (最小和最大值)区域都为失磁保护的动作区。由于G60保护装置录波是以保护出口为触发源(而非失磁保护元件动作为触发源)，所以G60保护装置录到波形为出口前150 ms～500 ms时的波形，即此时显示的点为机端电压已经开始下降了一段时间了，经逻辑延时后出口跳闸。

2.1.1保护启动时刻

从故障录波器录取的波形分别得到A屏和B屏保护启动时刻各电气量的信息如表2和表3，因为为对称故障，故只取A屏A相进行分析。根据机端测量阻抗Zm在角度为α=-32.44°的轨迹如图7所示，在直角三角形OO2C中，直角边O2C的长度如式1。

表2 保护启动时刻参数表

图7 机端测量阻抗特性

(1)

Zma=R2×=79.63∠-32.44° (2)

根据保护启动时的机端电压和机端电流值，可以得到此刻的测量阻抗Zm,见式4。

(4)

通过比较可以确定，Zm在第四象限并位于动作边界Zma、Zmb之间，处于动作区，同时机端电压51.13 V(相电压)大于整定值端低电压85%(相电压49.08 V)，所以仅有阻抗元件正确启动。

2.1.2保护出口时刻

从各录波图和表4、表5中各项参数指标可以看出，保护动作时刻无论是故障录波器还是双重化的保护装置，记录到的数据保持一致。

以保护A屏A相为例，保护装置录波起始点机端电流为1.15 A，机端电压为47.02 V(相电压)左右，已经满足机端低电压85%(相电压49.08 V)的判据条件。

起始点电流超前电压43.03°，可以计算得出测量阻抗Zm(如式5)：

Zm==40.89∠-43.03° (5)

表5 保护出口时刻相位关系表

在机端测量阻抗特性图中，将α=-43.03°分别代入式2和式3，可以得到两点的边界动作阻抗Zma、Zmb，结果如式6和式7：

Zma=112.80∠-43.03°

(6)

Zmb=14.12∠-43.03°

(7)

显然，测量阻抗Zm介于Zma、Zmb之间且位于第四象限内，满足阻抗元件的动作条件，从保护启动至保护出口约1 332 ms，符合机端低电压失磁电气量特征，据此判断两套完全双重化的G60失磁保护同时动作出口属于正确动作。

2.2 二次设备检查及分析

图8 Q70开关故障外观图

就地拆开灭磁开关柜背板，发现励磁系统Q70开关烧损，故障情况如图8所示。7号端子接线严重烧损，该端子为副励磁机输出B相电源。分析认为6号机组励磁系统Q70开关内部触点故障，导致励磁系统主电源失电，引起发电机失磁保护动作跳闸。

2.3 一次设备检查及分析

图9 转子负极滑环放电灼伤点

图10 刷架紧固穿心螺杆放电灼伤点

图11 刷架紧固穿心螺杆与刷把结构

6号发电机转子电压测量碳刷架紧固穿心螺杆与正、负极电刷把铜套止动销均有灼伤。间歇停运盘车后，发现正极滑环引线接线端侧的负极滑环表面有严重的电灼伤痕迹(如图9所示)，测量正极滑环引线接线端对负极滑环绝缘低至约0.1兆欧。转子电压测量刷架紧固穿心螺杆放电灼伤(如图10所示)。分析认为在电刷架设计上存在缺陷，电刷把上的铜套止动销与刷架穿心紧固螺杆距离太近(如图11所示)，因沿海空气潮湿、灰尘和发电机润滑油油气等的影响，易造成刷架紧固螺杆和正负极刷把爬电，导致正负极瞬间短路放电。

根据上述检查以及转子电压测量负极滑环出现电灼伤的故障情况，实测转子电压测量正极滑环引线连片与负极滑环之间绝缘距离仅有1.6 cm，再加上转子测量滑环与8号瓦安装紧凑，且同在滑环罩内，罩内电刷粉及油雾较多，滑环运行环境比较差，更容易造成转子正极引线与滑环间绝缘薄弱。

2.4 综合分析

励磁系统Q70开关故障主要是由于发电机转子电压测量正极滑环引线连片与负极滑环之间绝缘距离过短、滑环运行环境较差，在机组较长时间有功功率特别是无功功率都处于高峰负荷(此时发电机转子电压处于高值)的情况下，发电机转子正极引线端对负极滑环放电击穿、发电机转子正极滑环-碳刷与转子负极滑环-碳刷接触面间歇性拉弧、甚至瞬间短路所致。因Q70开关触点损伤，导致发电机组励磁电源部分失去，从而引起发电机组失磁保护正确动作。

3 故障处理及试验

3.1 转子电压测量刷架紧固穿心螺杆放电灼伤处理

打磨电刷把上的铜套止动销与刷架穿心紧固螺杆，并在螺杆与铜套止动销间加垫绝缘块进行隔离处理，以加强电刷及其回路绝缘。

3.2 转子电压测量正极引线连片及负极滑环电灼伤处理

更换正负极滑环引线的连接片，在正负极滑环两侧面及正极滑环与转轴间加刷绝缘漆；清理正极滑环引线接线端螺杆，打磨灼伤的滑环端表绝缘层并刷绝缘漆，以加强滑环部位绝缘。

3.3 Q70开关触点故障处理

将烧损的Q70开关拆除，励磁系统电源一次输入回路直接从副励磁机输出母排端子并引至Q02开关上口。同时加装二次回路端子排，并根据Q70开关处于正常运行状态位置触点进行安装、接线，以满足发电机组励磁系统正常运行状态。

3.4 发电机转子绕组及其回路绝缘检查

用直流电阻测试仪测量转子绕组和测量滑环引线的直流电阻、测量主励磁机及副励磁机绕组直流电阻，经比对均合格；用1 000 V兆欧表测量转子绕组和测量滑环引线对地及正负极间绝缘、测量主励磁机及副励磁机绕组对地绝缘，均合格。

3.5 静态及动态试验

分别进行副励磁机电源输出相序幅值测试、给定阶跃试验、发电机零起升压和起励试验、手/自动切换试验、双通道切换试验、灭磁试验、脉冲波形测试分析以及发电机假同期试验[9-10]。

静态、动态等功能性试验的顺利完成以及18时12分发电机组的并网发电，充分验证了励磁系统电源故障处理的可行性。

4 有关问题的建议

(1)如果是基建初期大型发电机组设计选型阶段，发电机励磁方式最好设计选型为静态励磁，这样机组励磁系统的冗余度和安全性相对会更可靠一些。

(2)考虑冗余的需要，可以将两个原设计选型的Q70开关进行并联使用，以提高百万机组的运行可靠性。

(3)Q70开关的额定电流125 A选型偏小，建议选择在250～300 A，以提高该设备的带负荷能力。

(4)根据Q70开关PMG、OFF及AUX/TEST(正常运行状态位置、机组停运状态位置、辅助或试验状态位置)三种可选择的工作位置，建议采用三相式单刀双掷刀闸来代替，同时增加一组AUX/TEST位置的重动继电器来切换对应运行状态的辅助触点。

(5)对于已经投运的机组，每逢发电机组停运检修，建议仔细检查、测试发电机转子电压回路的各励磁开关、刷架、穿心螺杆、滑环引线、正负极滑环等有关部件，确保相关电气设备绝缘、电气回路连接完好。

5 结束语

本次发电机失磁保护正确动作后，及时拆除故障的Q70开关并改动有关回路接线，以及紧急处理转子电压测量刷架、紧固穿心螺杆、测量滑环引线、转子滑环等有关部件存在的问题，相关电气设备绝缘、电气回路接线以及发电机静态、动态试验等均满足国标和设备参数要求，是一种成功的处理方法。本文仅从百万机组ABB UNITROL 5000三机无刷励磁系统生产实际经验出发，系统故障后因地制宜，灵活应对，措施得当，摸索出了一套三机励磁系统电源故障处理的有效措施，以供同行们探讨、参考。

[1] 林莉，张向伍，郭文宇,等.同步发电机失磁过程分析与保护方法研究[J].高电压技术,2014,40(11)：3544-3553.

[2] 李艳君.浅析发电机失磁保护原理及整定计算[J].黑龙江科技信息,2009,13(16):36.

[3] 上海电气电站设备有限公司.4 500 kW无刷励磁机操作和维护手册[Z].上海：上海电气电站设备有限公司，2008.

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[5] 宋香荣.三级无刷同步发电机励磁控制研究[D].沈阳:东北大学，2009.

[6] 侯亚敏. 无刷励磁同步发电机励磁控制系统的研究[D].广州：华南理工大学，2009.

[7] 朱立军，王顺莹，陈祖德，等.华能玉环电厂无刷励磁系统的调试实践和分析[J].电力建设，2009,30(7)：79-82.

[8] GE MULTILIN.G60 generator protection system UR series instruction manual[Z].Ontario Canada:GE Multilin,2009.

[9] 电力行业电机标准化技术委员会：DL/T 1166-2012 大型发电机励磁系统现场试验导则[S].北京：中国电力出版社,2012.

[10] 竺士章. 发电机励磁系统试验[M].北京：中国电力出版社，2005.

Analysis and Treatment of Excitation Loss Fault for Large Generating Units

Xiao Huabin1, Zhao Shuwei2

(1.Shenhua Guangdong Guohua Yudian Taishan Power Generation Co. Ltd., Taishan Guangdong 529228, China;2. Suzhou Nuclear Power Research Institute, Shenzhen Guangdong 518120, China)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.03.019

TM77

A

1000-3886(2017)03-0061-04

定稿日期: 2017-10-18

肖华宾(1970-)，男，江西南昌人。高级工程师、高级技师,工学学士，从事继电保护研究工作。 赵曙伟(1977-)，男，山西长治人。工程师、技师,工学学士，从事继电保护研究工作。