戴申華

(中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華東分公司，安徽 合肥 230601)

一起勵(lì)磁系統(tǒng)通道異常導(dǎo)致的故障分析

戴申華

(中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華東分公司，安徽 合肥 230601)

分析了一起勵(lì)磁調(diào)節(jié)器手動(dòng)模式運(yùn)行導(dǎo)致機(jī)組非停的案例，給出了勵(lì)磁調(diào)節(jié)器手動(dòng)模式運(yùn)行時(shí)，有功功率、無(wú)功功率的相互關(guān)系及變化趨勢(shì)，通過(guò)潮流仿真，再現(xiàn)了故障過(guò)程，進(jìn)一步說(shuō)明了分析的準(zhǔn)確性，同時(shí)驗(yàn)證了跳機(jī)過(guò)程中失磁保護(hù)定值。文章的分析結(jié)果對(duì)電廠運(yùn)行維護(hù)有重要的參考價(jià)值。

手動(dòng)模式;恒勵(lì)磁電流;失磁保護(hù)；勵(lì)磁系統(tǒng)

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

1 故障概述

2016年4月30日08：21：14，某電廠當(dāng)值值長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)2號(hào)發(fā)電機(jī)有功功率758 MW，無(wú)功功率-334 Mvar，立即下令2號(hào)機(jī)組手動(dòng)增加勵(lì)磁，主值接令后立即準(zhǔn)備手動(dòng)增加勵(lì)磁。運(yùn)行人員接增磁指令，尚未來(lái)得及操作，08：23：46.947，2號(hào)機(jī)組無(wú)功最低降至-549.77 Mvar，發(fā)變組保護(hù)A屏“失磁Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作”，發(fā)變組全停，機(jī)組跳閘，汽機(jī)跳閘，鍋爐主燃料跳閘。

檢查發(fā)現(xiàn)，保護(hù)動(dòng)作后發(fā)變組保護(hù)除報(bào)“失磁Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作”信號(hào)外無(wú)其他跳閘信號(hào)，機(jī)組進(jìn)相深度頗深。調(diào)閱并整理當(dāng)天的發(fā)電機(jī)有功功率、無(wú)功功率等電氣量變化趨勢(shì)，選取部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1。

表1 跳機(jī)前6 h電氣量部分?jǐn)?shù)據(jù)

從表1數(shù)據(jù)可見，跳機(jī)前20 min，發(fā)電機(jī)電壓、無(wú)功功率、勵(lì)磁電壓均存在單調(diào)減小趨勢(shì)，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(jī)勵(lì)磁電流全天基本保持恒定。

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

綜合檢查情況：該次跳機(jī)前勵(lì)磁系統(tǒng)已切換至手動(dòng)運(yùn)行方式，機(jī)組進(jìn)相深度過(guò)深，失磁保護(hù)動(dòng)作出口跳機(jī)。

2 原因分析

2.1 故障機(jī)組參數(shù)

故障機(jī)組為東方電機(jī)廠生產(chǎn)的QFSN-1000-2-27型發(fā)電機(jī)，其采用自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器型號(hào)為ABB UN6800。發(fā)電機(jī)參數(shù)見表2。

表2 發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)

2.2 失磁保護(hù)動(dòng)作分析

由于失磁保護(hù)判斷的是發(fā)電機(jī)測(cè)量阻抗，而運(yùn)行人員監(jiān)視的數(shù)據(jù)一般為發(fā)電機(jī)有功、無(wú)功等電氣量，判斷失磁保護(hù)動(dòng)作行為首先需進(jìn)行定值映射。式(1)即給出了發(fā)電機(jī)測(cè)量阻抗值與發(fā)電機(jī)功率的映射關(guān)系[5]。

(1)

式(1)中：(R，X)為阻抗平面的失磁保護(hù)曲線各點(diǎn)的坐標(biāo)；(P，Q)為(R，X)映射到功率平面的坐標(biāo)；U發(fā)電機(jī)電壓。該機(jī)組失磁保護(hù)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(hù)動(dòng)作定值，按照式(1)，設(shè)定U=23.50 kV(跳機(jī)瞬間)，將失磁保護(hù)定值映射至功率平面如圖1所示。

圖1 失磁保護(hù)定值功率平面映射

從圖1可見，發(fā)電機(jī)電壓下降至23.50 kV時(shí)，失磁保護(hù)動(dòng)作曲線向上平移，圖中標(biāo)記點(diǎn)與機(jī)組跳機(jī)瞬間工況一致，失磁保護(hù)正確動(dòng)作。

2.3 機(jī)組運(yùn)行工況分析

2.3.1 無(wú)功功率變化趨勢(shì)

隨著有功功率的增大，發(fā)電機(jī)無(wú)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(duì)應(yīng)的無(wú)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(shí)，ΔQ/ΔP急劇變大，最終機(jī)組失磁保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)。

表3 整個(gè)過(guò)程的ΔQ/ΔP值

2.3.2 有功功率變化趨勢(shì)

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

ABB UNITROL6800型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器手動(dòng)通道即恒勵(lì)磁電流控制模式，其控制對(duì)象為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，維持Eq為恒定值，發(fā)電機(jī)有功功率有一最大值，即發(fā)電機(jī)功角為90°對(duì)應(yīng)的有功功率為：

Pmax=EqUt/xd

(2)

若繼續(xù)增大功角，機(jī)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(tái)搭建發(fā)電機(jī)-無(wú)窮大電網(wǎng)的仿真模型，其中發(fā)電機(jī)參數(shù)采用表2，由于為發(fā)電機(jī)潮流穩(wěn)定仿真，發(fā)電機(jī)時(shí)間常數(shù)采用經(jīng)典數(shù)據(jù)(不影響仿真結(jié)果)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用手動(dòng)運(yùn)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(jī)有功逐步增加，仿真波形如圖2所示。從圖2可見，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器手動(dòng)運(yùn)行方式下，隨著有功功率的變化，無(wú)功功率隨之減少，且有功越大，相同有功功率變化量對(duì)應(yīng)的無(wú)功功率變化量ΔQ/ΔP也越大。實(shí)際機(jī)組運(yùn)行分散控制系統(tǒng)(DCS)錄波圖如圖3所示，對(duì)比圖2和圖3，機(jī)組有功、無(wú)功的變化趨勢(shì)完全一致，仿真波形很好地再現(xiàn)了運(yùn)行數(shù)據(jù)。

圖2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器手動(dòng)運(yùn)行方式下潮流仿真波形

圖3 跳機(jī)前后實(shí)際運(yùn)行DCS錄波圖

由于采用的是單機(jī)-無(wú)窮大電網(wǎng)的仿真模型，相對(duì)于實(shí)際電網(wǎng)其發(fā)電機(jī)電壓下降的較少，發(fā)電機(jī)功角為90°對(duì)應(yīng)的有功功率更大，這與圖2和圖3的曲線較為吻合。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜合上述分析，該機(jī)組跳機(jī)的主要原因是運(yùn)行過(guò)程中勵(lì)磁調(diào)節(jié)器誤切手動(dòng)通道引起失磁保護(hù)動(dòng)作，而運(yùn)行監(jiān)控未設(shè)置專門的電氣運(yùn)行監(jiān)控電腦，不能及時(shí)掌握機(jī)組的運(yùn)行狀況，是導(dǎo)致非停的間接原因。

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器手動(dòng)模式可短期運(yùn)行，但禁止長(zhǎng)期運(yùn)行。為避免發(fā)生類似事故，結(jié)合該案例，提出以下幾點(diǎn)建議：(1) 加強(qiáng)運(yùn)行人員電力系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)，特別是勵(lì)磁調(diào)節(jié)器各運(yùn)行模式的物理概念、運(yùn)行操作的步驟的培訓(xùn)；(2) 運(yùn)行監(jiān)控應(yīng)設(shè)置專門的電氣運(yùn)行監(jiān)控電腦，機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中時(shí)刻關(guān)注無(wú)功、電壓趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時(shí)排查；(3) 在DCS中設(shè)置勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行異常報(bào)警光字牌，如手動(dòng)通道運(yùn)行超過(guò)一定時(shí)限、機(jī)組功角超過(guò)70°、功率異常波動(dòng)等信號(hào)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注；(4) 編制詳細(xì)的運(yùn)行操作規(guī)范，特別是勵(lì)磁系統(tǒng)投退、磁場(chǎng)開關(guān)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(hù)一人操作；(5) 重要的勵(lì)磁系統(tǒng)操作，如運(yùn)行中勵(lì)磁系統(tǒng)退出、磁場(chǎng)開關(guān)分閘需有閉鎖邏輯，防止運(yùn)行中誤操作；(6) 加強(qiáng)勵(lì)磁系統(tǒng)巡視，至少保證一值2次，且巡視結(jié)束應(yīng)記錄勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)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(jī)的勵(lì)磁控制[M]. 中國(guó)電力出版社，2007：136-154，266.

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戴申華

戴申華(1984 —)，男，安徽池州人，工程師，從事發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)試驗(yàn)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