亓劼

(構(gòu)皮灘發(fā)電廠，貴州 遵義 564408)

0 引言

發(fā)電機(jī)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，是一種比較發(fā)電機(jī)兩端電流大小和方向的保護(hù)，是發(fā)電機(jī)相間短路的主保護(hù)?？v聯(lián)差動(dòng)保護(hù)能靈敏地反應(yīng)內(nèi)部相間短路狀態(tài)動(dòng)作出口，而在正常運(yùn)行和區(qū)外故障時(shí)可靠不動(dòng)作[1]，從而達(dá)到保護(hù)元件的目的。

發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障是發(fā)電機(jī)一種常見的電氣故障。定子繞組單相接地,流過故障點(diǎn)的電容電流還可能產(chǎn)生電弧燒毀定子鐵心，進(jìn)一步造成匝間短路或相間短路，使發(fā)電機(jī)遭受更嚴(yán)重破壞，破壞的嚴(yán)重程度取決于短路電流大小和持續(xù)時(shí)間長短[1]。

啟停機(jī)保護(hù)用于反應(yīng)發(fā)電機(jī)低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)的定子接地及相間故障。該保護(hù)主判據(jù)為發(fā)電機(jī)差流與機(jī)端零序電壓，輔以發(fā)電機(jī)頻率為閉鎖條件，即發(fā)電機(jī)頻率超過45 Hz后保護(hù)閉鎖[2]。

1 故障描述

1.1 差動(dòng)保護(hù)原理

某水電站裝機(jī)容量大且處于“西電東送”的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，全電站共安裝 5臺(tái)600 MW水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量3 000 MW。該水電廠為保護(hù)發(fā)電機(jī)配置有發(fā)電機(jī)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)作為主保護(hù)，保護(hù)動(dòng)作方程如下，

1.2 故障過程

2014-02-15 T 09：39：00，該廠根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度要求，啟動(dòng)#4發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，09：39：00上位機(jī)下發(fā)開機(jī)令，09：41：42勵(lì)磁自動(dòng)投入。09：41：55，當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓上升到80%額定電壓(Ue)時(shí)，現(xiàn)場聽到發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)出一聲異響，同時(shí)發(fā)電機(jī)A/B套保護(hù)差動(dòng)、不完全差動(dòng)、裂相橫差、單元件橫差保護(hù)動(dòng)作，跳開發(fā)電機(jī)滅磁開關(guān)，緊急停機(jī)動(dòng)作，關(guān)停發(fā)電機(jī)。

發(fā)生故障的機(jī)組額定容量600 MW，額定電壓18 kV，額定功率因數(shù) 0.9，三相8分支繞組波繞，中性點(diǎn)通過接地變壓器接地，發(fā)電機(jī)和主變壓器組成單元接線。水輪機(jī)由哈爾濱電機(jī)有限責(zé)任公司生產(chǎn)，發(fā)電機(jī)由東方電機(jī)有限責(zé)任公司生產(chǎn)，故障機(jī)組于2009年8月投入運(yùn)行。截止至故障時(shí)累計(jì)運(yùn)行18 575.89 h。保護(hù)動(dòng)作前的一次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)為：500 kV系統(tǒng)各串開關(guān)均為完整串運(yùn)行，系統(tǒng)頻率50.01 Hz；500 kV母線電壓為538.1 kV；廠用電系統(tǒng)運(yùn)行正常，全廠自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)功能投入，運(yùn)行在調(diào)頻模式；全廠總有功給定值710 MW，有功實(shí)發(fā)值712 MW，無功實(shí)發(fā)值-20.1 MV·A；由于保護(hù)動(dòng)作時(shí)該機(jī)組未并網(wǎng)(負(fù)荷為0 MW)，故本次保護(hù)動(dòng)作未造成甩負(fù)荷。

故障發(fā)生后，發(fā)電機(jī)機(jī)坑內(nèi)出現(xiàn)大量濃煙，現(xiàn)場人員佩戴安全防護(hù)工具后進(jìn)入機(jī)坑內(nèi)檢查無明顯著火部位，待濃煙排出后對(duì)發(fā)電機(jī)整體進(jìn)行全面檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)X方向定子下部線圈6根線棒局部燒損、斷裂，相鄰線棒表面有電弧灼傷痕跡，2處鐵心局部燒損。隨后對(duì)轉(zhuǎn)子磁極間擋塊、拉桿、阻尼環(huán)軟連接等部位進(jìn)行了排查，在發(fā)電機(jī)下風(fēng)洞地面上發(fā)現(xiàn)1塊有燒損痕跡的方形金屬物體，后經(jīng)確認(rèn)該金屬物為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子下部磁極擋塊。

2 故障原因分析

在進(jìn)行故障檢查及處理的同時(shí)，現(xiàn)場專業(yè)人員就繼電保護(hù)與故障錄波裝置開展本次故障分析。該水電站故障機(jī)組保護(hù)裝置為南瑞繼保公司RCS-985GW型發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置，按雙重化配置分為A，B套，兩者在發(fā)電機(jī)完全差動(dòng)啟動(dòng)定值整定為0.25Ie，完全差動(dòng)速斷定值整定為4.00Ie；不完全差動(dòng)保護(hù)1啟動(dòng)定值整定為0.25Ie，不完全差動(dòng)1速斷定值整定為4.00Ie；不完全差動(dòng)保護(hù)2啟動(dòng)定值整定為0.25Ie，不完全差動(dòng)2速斷定值整定為4.00Ie；裂相橫差保護(hù)啟動(dòng)定值整定為0.25Ie，裂相橫差保護(hù)速斷定值整定為4.00Ie；單元件橫差定值整定為1.07 A，單元件橫差高定值整定為5.36 A。

2.1 發(fā)電機(jī)差動(dòng)錄波分析

調(diào)取發(fā)電機(jī)保護(hù)A套裝置動(dòng)作時(shí)發(fā)電機(jī)差動(dòng)錄波圖(如圖1所示)和發(fā)電機(jī)保護(hù)B套裝置動(dòng)作時(shí)發(fā)電機(jī)差動(dòng)錄波圖(如圖2所示)進(jìn)行分析。

圖1 發(fā)電機(jī)保護(hù)A套裝置動(dòng)作時(shí)發(fā)電機(jī)差動(dòng)錄波

圖2 發(fā)電機(jī)保護(hù)B套裝置動(dòng)作時(shí)發(fā)電機(jī)差動(dòng)錄波

在發(fā)電機(jī)A套、B套保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)，發(fā)電機(jī)保護(hù)A套發(fā)電機(jī)完全差動(dòng)差流值最大達(dá)4.329Ie(B相)、發(fā)電機(jī)保護(hù)B套發(fā)電機(jī)完全差動(dòng)差流值最大達(dá)4.365Ie(B相)，超過發(fā)電機(jī)A套、B套保護(hù)裝置完全差動(dòng)速斷定值整定(4.00Ie)，故發(fā)電機(jī)A套、B套保護(hù)裝置完全差動(dòng)速斷動(dòng)作。

2.2 發(fā)電機(jī)不完全差動(dòng)錄波分析

調(diào)取發(fā)電機(jī)保護(hù)A套裝置動(dòng)作時(shí)發(fā)電機(jī)不完全差動(dòng)錄波圖(如圖3所示)、發(fā)電機(jī)保護(hù)B套裝置動(dòng)作時(shí)發(fā)電機(jī)不完全差動(dòng)錄波圖(如圖4所示)進(jìn)行分析。

圖3 發(fā)電機(jī)保護(hù)A套裝置動(dòng)作時(shí)發(fā)電機(jī)不完全差動(dòng)錄波

圖4 發(fā)電機(jī)保護(hù)B套裝置動(dòng)作時(shí)發(fā)電機(jī)不完全差動(dòng)錄波

在發(fā)電機(jī)A套、B套保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)，發(fā)電機(jī)保護(hù)A套發(fā)電機(jī)不完全差動(dòng)1差流值最大達(dá)6.565Ie(A相)、發(fā)電機(jī)保護(hù)A套發(fā)電機(jī)不完全差動(dòng)2差流值最大達(dá)4.526Ie(B相)；發(fā)電機(jī)保護(hù)B套發(fā)電機(jī)不完全差動(dòng)1差流值最大達(dá)6.658Ie(A相)、發(fā)電機(jī)保護(hù)B套發(fā)電機(jī)不完全差動(dòng)2差流值最大達(dá)4.571Ie(B相)，超過發(fā)電機(jī)A套、B套保護(hù)裝置不完全差動(dòng)1、不完全差動(dòng)2速斷定值整定為4.00Ie，故發(fā)電機(jī)A套、B套保護(hù)裝置不完全差動(dòng)1、不完全差動(dòng)2速斷動(dòng)作。

故障時(shí)，一次側(cè)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)一分支A相最大故障電流為69 450 A，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)一分支B相最大故障電流為42 800A，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)一分支C相最大故障電流為36 813 A；發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)二分支A相最大故障電流為2 138 A，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)二分支B相最大故障電流為47 313 A，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)二分支C相最大故障電流為8 188 A。

2.3 發(fā)電機(jī)裂相橫差錄波分析

調(diào)取發(fā)電機(jī)保護(hù)A套裝置動(dòng)作時(shí)發(fā)電機(jī)裂相橫差錄波(如圖5所示)和發(fā)電機(jī)保護(hù)B套裝置動(dòng)作時(shí)發(fā)電機(jī)裂相橫差錄波(如圖6所示)進(jìn)行分析。

圖5 發(fā)電機(jī)保護(hù)A套裝置動(dòng)作時(shí)發(fā)電機(jī)裂相橫差錄波

圖6 發(fā)電機(jī)保護(hù)B套裝置動(dòng)作時(shí)發(fā)電機(jī)裂相橫差錄波

在發(fā)電機(jī)A套、B套保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)，發(fā)電機(jī)保護(hù)A套發(fā)電機(jī)裂相橫差差流值最大達(dá)5.786Ie(A相)、發(fā)電機(jī)保護(hù)B套發(fā)電機(jī)裂相橫差差流值最大達(dá)5.617Ie(A相)，超過發(fā)電機(jī)A套、B套保護(hù)裝置裂相橫差速斷定值整定為4.00Ie，故發(fā)電機(jī)A套、B套保護(hù)裝置裂相橫差速斷動(dòng)作。

該廠發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置單元件橫差保護(hù)采用相電流比率制動(dòng)的橫差保護(hù)原理，其動(dòng)作方程為

式中：Ihczd為橫差電流定值；Imax為機(jī)端三相電流中最大相電流；Iezd為發(fā)電機(jī)額定電流；Khczd為制動(dòng)系數(shù)， 取1.07。

由于發(fā)電機(jī)A套、B套保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)，發(fā)電機(jī)在“空載”態(tài)，未并網(wǎng)帶負(fù)荷，故發(fā)電機(jī)A套、B套保護(hù)裝置采集機(jī)端電流值均為0 A，即Imax≤Iezd，故單元件橫差動(dòng)作方程選擇為Id>Ihczd。

2.4 發(fā)電機(jī)單元件橫差電流錄波分析

調(diào)取發(fā)電機(jī)保護(hù)A套裝置動(dòng)作時(shí)發(fā)電機(jī)單元件橫差電流錄波圖(如圖7所示)、發(fā)電機(jī)保護(hù)B套裝置動(dòng)作時(shí)發(fā)電機(jī)單元件橫差電流錄波圖(如圖8所示)分析。

在發(fā)電機(jī)A套、B套保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)，發(fā)電機(jī)保護(hù)A套發(fā)電機(jī)單元件與發(fā)電機(jī)保護(hù)B套發(fā)電機(jī)單元件的橫差電流最大值均超過發(fā)電機(jī)A套、B套保護(hù)裝置單元件橫差保護(hù)定值(1.07 A)，超過單元件橫差保護(hù)高定值段定值(5.36 A)，故發(fā)電機(jī)A套、B套保護(hù)裝置單元件橫差保護(hù)動(dòng)作、單元件橫差高定值段保護(hù)動(dòng)作。故障時(shí)發(fā)電機(jī)一分支、二分支中性點(diǎn)連線最大故障電流為25 243 A。

圖7 發(fā)電機(jī)保護(hù)A套裝置動(dòng)作時(shí)發(fā)電機(jī)單元件橫差電流錄波

圖8 發(fā)電機(jī)保護(hù)B套裝置動(dòng)作時(shí)發(fā)電機(jī)單元件橫差電流錄波

2.5 發(fā)電機(jī)零序電壓及三次諧波錄波分析

調(diào)取發(fā)電機(jī)保護(hù)A套裝置動(dòng)作時(shí)發(fā)電機(jī)零序電壓及三次諧波錄波圖(如圖9所示)、發(fā)電機(jī)保護(hù)B套裝置動(dòng)作時(shí)發(fā)電機(jī)零序電壓及三次諧波錄波圖(如圖10所示)分析。

圖9 發(fā)電機(jī)保護(hù)A套裝置動(dòng)作時(shí)發(fā)電機(jī)零序電壓及三次諧波錄波

圖10 發(fā)電機(jī)保護(hù)B套裝置動(dòng)作時(shí)發(fā)電機(jī)零序電壓及三次諧波錄波

在發(fā)電機(jī)A套、B套保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)，發(fā)電機(jī)機(jī)端及中性點(diǎn)出現(xiàn)零序電壓，發(fā)電機(jī)A套保護(hù)裝置采集發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電壓值為11.389 V，采集發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)零序電壓值為4.533 V；發(fā)電機(jī)B套保護(hù)裝置采集發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電壓值為11.201 V，采集發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)零序電壓值為4.517 V，故判斷定子回路中出現(xiàn)接地故障。

2.6 發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓波形圖分析

調(diào)取發(fā)變組故障錄波裝置在故障發(fā)生時(shí)的發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓波形圖(如圖11所示)分析。

在故障發(fā)生前發(fā)電機(jī)機(jī)端B相電壓值出現(xiàn)突然下降，發(fā)電機(jī)機(jī)端B相電壓值為52.990 2 V(圖11左側(cè)豎線處)，三相電壓相序正確，相角正確；發(fā)電機(jī)機(jī)端B相電壓值為41.767 3 V(圖11右側(cè)豎線處)，三相電壓相序正確，相角正確，A相電壓、C相電壓值隨之下降。

圖11 故障錄波裝置在故障發(fā)生時(shí)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓波形

綜上所述，本次故障的原因?yàn)榘l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子#3磁極下端部磁極擋塊運(yùn)行中脫落，脫落的擋塊在機(jī)組旋轉(zhuǎn)慣性力的作用下?lián)糁邪l(fā)電機(jī)定子線圈，造成絕緣損壞，定子線棒靠近中性點(diǎn)側(cè)B相出現(xiàn)接地故障，隨后演變?yōu)橄嚅g短路故障，導(dǎo)致接地點(diǎn)附近發(fā)電機(jī)定子線棒及鐵心燒損。

3 故障處理

本次故障之后，該電站共用76 d時(shí)間對(duì)有損壞的定子線棒拆除、清掃、下線安裝、穿芯螺栓換絕緣套、重新進(jìn)行鐵損試驗(yàn)。對(duì)引發(fā)故障的轉(zhuǎn)子磁極下端部磁極擋塊重新進(jìn)行了滿焊，并在該處增焊了擋板，避免今后在機(jī)組運(yùn)行過程中磁極擋塊再次脫落造成的一次設(shè)備損壞。技術(shù)管理上定期就該部位進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，且在2015年對(duì)其余同類型機(jī)組該處進(jìn)行了焊接反措。

4 故障分析后的思考與建議

從此次發(fā)電機(jī)故障過程及繼保錄波現(xiàn)象進(jìn)行分析，當(dāng)發(fā)電機(jī)處于開機(jī)過程，轉(zhuǎn)速已達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，且處于空載狀態(tài)時(shí)，磁極擋塊在運(yùn)行中脫落擊中定子線圈導(dǎo)致定子接地故障及相間短路故障。在定子線圈損壞期間，若故障電流未達(dá)到發(fā)電機(jī)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作值，則繼電保護(hù)不動(dòng)作。而當(dāng)前國內(nèi)大多數(shù)大型水輪發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)均配置了啟停機(jī)保護(hù)，當(dāng)以啟停機(jī)保護(hù)的差流為判據(jù)，發(fā)電機(jī)在啟動(dòng)過程中發(fā)生相間短路故障，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)在機(jī)組未到額定轉(zhuǎn)速時(shí)便投入勵(lì)磁，此時(shí)啟停機(jī)保護(hù)在判斷出相間短路故障后動(dòng)作。由于發(fā)電機(jī)啟動(dòng)或停機(jī)過程中，定子電壓頻率很低，因此啟停機(jī)保護(hù)采用了不受頻率影響的算法，保證了啟停機(jī)過程中對(duì)發(fā)電機(jī)的保護(hù)。

水輪發(fā)電機(jī)啟停機(jī)保護(hù)整定情況可作如下參考：

(1)頻率閉鎖定值fop=0.9×50=45(Hz)；

(2)定子接地保護(hù)定值Uop=10 V，t=2 s；

(3)發(fā)電機(jī)差流啟停機(jī)定值按額定頻率，大于滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的差動(dòng)回路中的不平衡電流整定Iop=KrelIunb=0.3Ie；

(4)動(dòng)作出口，跳發(fā)電機(jī)出口開關(guān)、滅磁開關(guān)，發(fā)電機(jī)停機(jī)。

不平衡電流整定Iop根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)取0.3Ie，時(shí)間定值無延時(shí)。

對(duì)于零序過電壓啟停機(jī)保護(hù)，配置了靈敏度更高的定子接地保護(hù)動(dòng)作，跳閘延時(shí)?？紤]到發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)的差流算法與啟停機(jī)保護(hù)的差流算法略有不同，發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)在頻率未達(dá)到45 Hz前仍有可能測算不準(zhǔn)確[3]。

5 結(jié)束語

此次故障主要是由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極在設(shè)計(jì)上的隱患和安裝施工時(shí)發(fā)電機(jī)內(nèi)部擋塊焊接工藝細(xì)節(jié)的疏忽造成的，后果相當(dāng)嚴(yán)重。故障過程中啟停機(jī)保護(hù)靈敏地反映出磁極處擋塊脫落至定子線圈，從而減小了定子線圈因故障電流的損傷。雖然文中描述的故障為小概率事件，但發(fā)電機(jī)差動(dòng)仍無法完全替代發(fā)電機(jī)啟停機(jī)差動(dòng)保護(hù)判據(jù)。因此，在大型水輪發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)整定配置啟停機(jī)保護(hù)是很有必要的。