白偉神華陜西國華錦界能源有限責(zé)任公司

次同步諧振引發(fā)發(fā)電機組跳閘事故的原因分析

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本文介紹錦界電廠的一次由于次同步諧振導(dǎo)致三臺機組跳閘事故的經(jīng)過和分析過程，分析發(fā)電廠進行次同步諧振的研究方法和進行次同步諧振抑制及保護的有效措施，為同行提供借鑒作用。

次同步諧振；發(fā)電機組；原因

1 引言

近年來隨著我國電力需求量的增加，加之我國能源分布的具體國情，在電力系統(tǒng)的發(fā)展變化中逐漸形成西電東送的格局，但是由于西電東送的傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸電力容量大、穩(wěn)定性差、成本高，所以采用串聯(lián)補償技術(shù)來提高輸電能力、節(jié)約投資、增加穩(wěn)定性。但是串補在增加線路輸送能力的同時，也容易使電網(wǎng)中產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，電氣系統(tǒng)和汽輪發(fā)電機組以低于同步頻率的自然振蕩頻率交換能量，此現(xiàn)象被成為次同步諧振，簡稱SSR，容易造成感應(yīng)發(fā)電機效應(yīng)、機電扭振相互作用和暫態(tài)力矩放大作用，使發(fā)電機軸系產(chǎn)生疲勞損傷，造成軸系壽命縮短，甚至導(dǎo)致軸系損壞，所以應(yīng)采取有效措施對SSR進行抑制。

2 發(fā)電機組概況

本公司為陜西國華錦界能源有限責(zé)任公司，本公司的發(fā)電廠為4×600MW亞臨界空冷火力發(fā)電廠，采用的汽輪機為上海電氣集團生產(chǎn)的一次中間再熱、三缸四排汽、直接空冷凝汽式汽輪機，容量為600MW，型號為N600-16.67/538/538；發(fā)電機型號為QFSN—600—2，額定容量為667MVA，額定功率為600MW，額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min。#1機組于2006年9月30日投產(chǎn)，#2機組于2007年5月1日投產(chǎn)，#3機組于2007年12月22日投產(chǎn)，#4機組于2008年5月16日投產(chǎn)，經(jīng)山西忻都開關(guān)站接入河北石家莊變電所，為了有效抑制次同步諧振，本電廠將SVC應(yīng)用于其中，并將此次同步諧振抑制裝置稱為SSR-DS裝置，于2009年8月投入運行，并且配以汽輪發(fā)電機組軸系扭振保護裝置（TSR），防止SSR-DS裝置出現(xiàn)故障而起不到抑制作用，導(dǎo)致機組大軸損壞。

3 發(fā)電機組跳閘事故分析

本電廠于2017年4月24日發(fā)生#1、#3、#4三臺機組停機故障，三臺機組合計停機時間約56小時，共損失機會電量2700萬kWh，事故發(fā)生之后，國華電力和錦界電廠立即成立事故調(diào)查組對本次事故啟動事故調(diào)查和追責(zé)程序，總結(jié)事故原因，提出事故防范措施，并根據(jù)考核規(guī)定對相關(guān)責(zé)任部門及責(zé)任人進行了處理。

3.1 事故經(jīng)過

事故發(fā)生之前，四臺機組正常運行，#1、#3、#4機組機端負(fù)荷為350MW，#2機組機端負(fù)荷為360MW，四套SSR-DS裝置按調(diào)令要求退出運行，04時07分，網(wǎng)調(diào)通知忻都站串補已投入，許可錦界電廠投入四套SSR-DS裝置。約8分鐘后#3機組跳閘，隨后#1機組和#4機組相繼發(fā)生跳閘事故，DCS發(fā)電氣保護動作，首出TSR保護動作，跳閘事故發(fā)生1.5小時后忻都站Ⅰ、Ⅱ線串補退出運行。

3.2 機組模態(tài)值分析

3.2.1 SSR激發(fā)時模態(tài)值分析

跳閘事故發(fā)生之前，四臺機組同時發(fā)生次同步諧振，模態(tài)3呈現(xiàn)喇叭形放大狀態(tài)，#1機峰值達(dá)到了0.95rad/s，#2機峰值達(dá)到0.65rad/s，#3機峰值達(dá)到0.82rad/s，#4機峰值達(dá)到0.7rad/s，四臺機組模態(tài)1和模態(tài)2峰值均小于0.05 rad/s。

3.2.2 機組跳閘時模態(tài)值分析

#1機組跳閘后模態(tài)3快速收斂，#3機組跳閘后模態(tài)3快速收斂，#4機組跳閘后模態(tài)3快速收斂。#3機跳閘后，#2機模態(tài)3有增大趨勢。#1機跳閘后，#2機模態(tài)3幅值變小。#4機跳閘后，#2機模態(tài)3快速收斂，最后趨于穩(wěn)定。

3.2.3 串補退出對#2機組模態(tài)值的影響

#2機發(fā)生次同步諧振時，模態(tài)3呈現(xiàn)喇叭形放大狀態(tài)，峰值達(dá)到了0.32rad/s。模態(tài)1和模態(tài)2峰值均小于0.04 rad/s。3分鐘后，#2機模態(tài)3再次收斂，結(jié)合電網(wǎng)反饋信息，此時串補全部退出。

3.3 TSR錄波分析

3.3.1 機組TSR定值整定

機組模態(tài)定值的計算中，模態(tài)頻率采用的是發(fā)電機組軸系扭振保護設(shè)備建設(shè)時的技術(shù)協(xié)議中提供的實測頻率，分別為模態(tài)1為13.19Hz，模態(tài)2為22.82Hz，模態(tài)3為28.19Hz。軸系參數(shù)采用《錦界電廠機組軸系參數(shù)》中提供機組的參數(shù)，采用簡單集中質(zhì)量模型，具體參數(shù)不一一列出。其危險截面位置如表1所示。

表1 危險截面位置

3.3.2 TSR錄波分析

在事故過程中，TSR動作中主要為模態(tài)3被激勵，模態(tài)1、2幅值低于疲勞累積起始值。激發(fā)的扭振模態(tài)3幅值為發(fā)散趨勢，最大達(dá)到0.982rad/s。根據(jù)機組TSR定值的動作特性，模態(tài)3值為0.19rad/s時達(dá)到低發(fā)聯(lián)軸器位置疲勞極限，35695秒左右跳閘。此次故障激發(fā)的四臺機組的扭振模態(tài)3幅值緩慢發(fā)散，根據(jù)機組在TSR保護啟動和動作時的錄波曲線可知，#1機組TSR保護啟動和動作時的模態(tài)3幅值分別為0.466和0.981 rad/s；#3機組TSR保護啟動和動作時的模態(tài)3幅值分別為0.533和0.912 rad/s；#4機組TSR保護啟動和動作時的模態(tài)3幅值分別為0.381和0.724rad/s。而#2機組TSR保護啟動時的模態(tài)3幅值為0.29 rad/s，并未動作。

根據(jù)機組的雙套保護動作報文信息可知，1-b機組在04：17：21時刻斷面3截面2疲勞達(dá)到1%，保護動作出口，而1-a機組在信號返回時斷面3截面2疲勞達(dá)到0.99%，未達(dá)到跳閘值；3-b機組在04：13：58時刻斷面3截面2疲勞達(dá)到1%，保護動作出口，而3-a機組在機組跳閘后斷面3截面2疲勞達(dá)到1%，晚于3-b裝置；4-b機組在04：21：32時刻斷面3截面2疲勞達(dá)到1%，保護動作出口；而4-a機組在機組跳閘后斷面3截面2疲勞達(dá)到1%，晚于4-b裝置。兩臺TSR裝置完全冗余，采用不同的傳感器，可能會有微小的采樣差異，造成出口時間不絕對一致。

3.4 事故發(fā)生過程#2機組的運行情況分析

事故發(fā)生之前，在忻都站串補投入之后，四臺機組的TSR保護發(fā)生數(shù)次啟動，隨后其模態(tài)值同時增大，四臺機組的TSR保護同時啟動，在#3、#1、#4機組的疲勞累計達(dá)到定值之后相繼發(fā)生跳閘，在#4機組跳閘之后，#2機組的模態(tài)值迅速收斂，保護動作并未開啟。

事故過程中，在四臺機組SSR激發(fā)后，#2機組模態(tài)幅值最小。激發(fā)過程中，#3機組跳閘后，#2機組模態(tài)3幅值有大的躍升，從0.53rad/s達(dá)到0.74rad/s；之后#1機組跳閘，#2機組模態(tài)3幅值有降落，從0.74rad/s降到0.65rad/s；#4機組跳閘后，#2機組模態(tài)3幅值快速收斂。本次激發(fā)持續(xù)時間1505s，模態(tài)3最大幅值達(dá)0.74rad/s，在#2機組斷面3截面2位置疲勞累積值為0.0055。當(dāng)忻都站串補退出后，#2機組SSR再次激發(fā)，持續(xù)時間197s，模態(tài)3最大幅值0.36rad/s，本次激發(fā)對軸系斷面3截面2位置造成的疲勞累積估計值為0.00007，整個過程的疲勞累積估計值為0.00557，低于保護動作值0.01。

4 發(fā)電機組次同步諧振問題的研究方法

4.1 頻率掃描法

頻率掃描就是對發(fā)電機中性點向系統(tǒng)看入的等值阻抗隨頻率變化的特性進行計算，即系統(tǒng)阻抗頻率特性，來判斷發(fā)電機組是否存在SSR。如果是單機系統(tǒng)通過串補線路送出，系統(tǒng)中會存在串聯(lián)諧振頻率，在其曲線圖中電抗由負(fù)變正所對應(yīng)的頻率就是系統(tǒng)的電氣串聯(lián)諧振頻率點，可以由此判斷系統(tǒng)是否存在SSR；如果是多機系統(tǒng)或者并聯(lián)了其他線路時，則系統(tǒng)中不存在電抗經(jīng)過零點的串聯(lián)諧振頻率，但是在曲線圖中存在電抗突然下降的現(xiàn)象，如果下降幅度較大，則系統(tǒng)中可能存在SSR問題，根據(jù)經(jīng)驗，通常認(rèn)為電抗跌折率大于30%時SSR發(fā)生的可能性比較大[1]。

4.2 時域仿真法

用此方法研究SSR出現(xiàn)的概率比較精確，是建立電磁暫態(tài)仿真模型，通過時域求解的方法模擬系統(tǒng)故障或擾動過程，從而求得發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸系相鄰質(zhì)量塊之間的扭矩，通過扭矩變化波形判別發(fā)電機軸系是否存在SSR問題。

4.3 掃頻-復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法

在發(fā)電機組正常運行時，在發(fā)電機的轉(zhuǎn)子上施加頻率為整數(shù)倍的小值脈動轉(zhuǎn)矩，當(dāng)系統(tǒng)仿真到進入穩(wěn)態(tài)時，截取脈動轉(zhuǎn)矩一個公共周期上的發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機角頻率，并對其進行Fou?rier分解，得出不同頻率下的電磁轉(zhuǎn)矩增量和角速度增量，然后根據(jù)公式求出電氣阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)，然后根據(jù)電氣阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)與機械阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)之和大于零時的軸系扭振穩(wěn)定準(zhǔn)則來判斷其穩(wěn)定性[2]。

4.4 特征值法

即利用線性化的方法建立包括發(fā)電機軸系、發(fā)電機、網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的全系統(tǒng)的狀態(tài)方程，然后通過特征值分析方法計算特征值，并計算特征頻率及相應(yīng)頻率下的阻尼參數(shù)，由此可以判定系統(tǒng)是否存在次同步頻率的諧振問題。

5 錦界電廠次同步諧振抑制裝置

為了更好的抑制本電廠電網(wǎng)系統(tǒng)中的次同步諧振問題，本電廠于2009年正式投入運行了SSR-DS裝置，并加裝了汽輪發(fā)電機組軸系扭振保護裝置（TSR），防止SSR-DS裝置出現(xiàn)異常時，在機組模態(tài)值達(dá)到保護動作值時使機組跳閘對機組大軸進行保護。

5.1 SSR-DS裝置簡介

SSR-DS裝置接至錦界電廠降壓變下口的35kV母線，主要由TCR相控電抗器、3次諧波濾波器、5次諧波濾波器部分組成。TCR是一種感性負(fù)載，流過其的電流可以通過晶間管控制，這樣TCR消耗的無功就可以調(diào)整，進而對發(fā)電機出口的電壓進行微調(diào)；3次諧波濾波器可以消除3次諧波，也可以提供容性無功；5次諧波濾波器可以消除5次諧波，也可以提供容性無功。

SSR-DS裝置總共有四套，正常情況下有兩套裝置就可以滿足抑制次同步的要求，考慮到可靠性及冗余需求，現(xiàn)四套裝置全部投入運行。每套裝置主要由T C R（相控電抗器，通過晶閘管的開通角度來控制相控電抗器的電流大小，以達(dá)到控制電網(wǎng)感性無功量的目的的裝置）、H3諧波濾波器（H3通道濾波器是濾除系統(tǒng)中的3次諧波，并為系統(tǒng)提供容性無功）、H5諧波濾波器（H5通道濾波器是濾除系統(tǒng)中的5次諧波，并為系統(tǒng)提供容性無功）。

5.2 SSR-DS裝置運行方式

正常運行時，每臺降壓變所帶的兩組SSR－DS裝置分別抑制錦界電廠的4臺發(fā)電機組的次同步諧振（SSR）。其中SSR－DS裝置1取1#機和2#機的轉(zhuǎn)速信號，SSR－DS裝置2取3#機和4#機的轉(zhuǎn)速信號，這兩臺SSR-DS設(shè)備均接到電廠531B的35kV新擴建母線；SSR－DS裝置3取1#機2#機的轉(zhuǎn)速偏差信號去抑制1#機和2#機的SSR，SSR－DS裝置4取3#機和4#機的轉(zhuǎn)速信號，這兩臺SSR-DS設(shè)備均接到電廠532B的35kV新擴建母線。

5.3 SSR-DS裝置的工作原理

以轉(zhuǎn)速偏差信號作為控制器的輸入信號時，需將T C R中的無功電流調(diào)制成與發(fā)電機轉(zhuǎn)子速度偏差反相即錯相1 8 0°。這樣，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時，T C R中的感性電流減小，即T C R吸收的無功功率減小，則發(fā)電機機端電壓上升，發(fā)電機送出的電磁功率增加，對恒定的機械輸入，電磁功率的增加將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子動能的減小，從而最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)子速度的降低。反之，轉(zhuǎn)速減小時T C R感性電流增加，機端電壓降低，發(fā)電機送出的電磁功率減小，從而使發(fā)電機轉(zhuǎn)子加速。而正常運行時，T C R以某一個固定導(dǎo)通角穩(wěn)定運行，相當(dāng)于一穩(wěn)定且連續(xù)的無功負(fù)荷。因T C R的控制速度快，故可達(dá)到抑制次同步諧振的目的。

6 結(jié)語

本電廠于4月份發(fā)生#1、#3、#4機組跳閘事故，經(jīng)事故分析確定直接原因為SSR-DS裝置未投運前，電網(wǎng)次同步諧振導(dǎo)致這三臺機組TSR保護動作，致使發(fā)電機和汽輪機跳閘。另外間接原因有電氣專業(yè)人員專業(yè)理論知識薄弱和應(yīng)急操作能力差等因素，因此應(yīng)在今后的工作中，根除崗責(zé)不匹配現(xiàn)象，定期對員工進行專業(yè)知識培訓(xùn)和近期事故案例討論，提高員工的責(zé)任意識和綜合能力，確保電廠的安全運行。

[1]馬生福.SSR-DS裝置在遠(yuǎn)距離帶串補出現(xiàn)4×600MW機組的應(yīng)用研究[D].北京：華北電力大學(xué),2016

[2]卓華.大型火電廠串補輸電系統(tǒng)次同步諧振解決方案的研究與應(yīng)用[J].大電機技術(shù),2014（5）：58-62

[3]肖述林.次同步諧振抑制裝置事故案例分析[J].自動化與儀器儀表,2011（4）：184-186

[4]楊文超,尤建生,李鵬等.SSR-DS裝置抑制次同步諧振與TSR保護配合的數(shù)模仿真試驗研究[J].神華科技,2009,7（5）：57-62