在發(fā)電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)或已起動(dòng)但未同步并網(wǎng)時(shí)，如果并網(wǎng)斷路器不受控突然合閘，會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)遭受非常嚴(yán)重的損壞。此時(shí)的發(fā)電機(jī)如同一臺異步電動(dòng)機(jī)，在轉(zhuǎn)差很大的情況下起動(dòng)，會(huì)在轉(zhuǎn)子回路中感應(yīng)出超出允許值的大電流，最終可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子損壞，甚至破壞電力系統(tǒng)穩(wěn)定。

1 事故前概況

某電廠6號機(jī)組為9F級燃機(jī)，該機(jī)組為日起停調(diào)峰機(jī)組。機(jī)組以發(fā)電機(jī)-變壓器組接線接入220kV升壓站，設(shè)置發(fā)電機(jī)出口開關(guān)（generator circuit breaker, GCB）和主變高壓開關(guān)（high voltage circuit breaker, HVCB）兩個(gè)同期點(diǎn)。

事故發(fā)生前機(jī)組已經(jīng)通過GCB完成了首次并網(wǎng)。根據(jù)電網(wǎng)下發(fā)的起動(dòng)方案，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定后，需要拉開HVCB，對HVCB同期點(diǎn)進(jìn)行假同期試驗(yàn)以驗(yàn)證同期回路的正確性。最后機(jī)組經(jīng)HVCB與電網(wǎng)第二次并列。執(zhí)行時(shí)在拉開HVCB后，機(jī)組因高壓管道法蘭漏氣停機(jī)，發(fā)電機(jī)解列，燃機(jī)控制系統(tǒng)（turbine control system, TCS）順控停機(jī)分GCB，主變失電。

2 事故過程

搶修結(jié)束后，計(jì)劃先通過同期裝置的雙側(cè)無壓合閘功能合GCB，然后發(fā)電機(jī)帶主變零起升壓，再對HVCB進(jìn)行假同期試驗(yàn)。過程中在合上GCB后，發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)閉鎖，機(jī)組無法起勵(lì)。經(jīng)與勵(lì)磁廠家溝通，確認(rèn)GCB已合閘，勵(lì)磁系統(tǒng)將閉鎖起勵(lì)。分析邏輯后，決定在機(jī)組起勵(lì)后通過同期裝置的單側(cè)無壓合閘功能給主變反充電，再對HVCB進(jìn)行假同期試驗(yàn)。

在通過同期裝置單側(cè)無壓合閘功能合GCB對主變反充電時(shí)，發(fā)電機(jī)“誤上電”保護(hù)動(dòng)作，跳GCB、跳靜止變頻裝置（static frequency converter, SFC）、跳滅磁開關(guān)、停燃機(jī)。

3 事故處理及分析過程

3.1 誤上電保護(hù)動(dòng)作分析

事故發(fā)生后，檢查發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置、GCB本體、發(fā)電機(jī)本體、機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)、發(fā)變組故障錄波系統(tǒng)，調(diào)取錄波、保護(hù)動(dòng)作記錄。發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置定值，發(fā)電機(jī)誤上電保護(hù)定值見表1。

表1 發(fā)電機(jī)誤上電保護(hù)定值

經(jīng)查看保護(hù)裝置報(bào)文及錄波，初步判斷發(fā)電機(jī)保護(hù)中的誤上電動(dòng)作正確。本機(jī)組裝置采用南瑞繼保PCS—985BG發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置，版本3.0，發(fā)電機(jī)誤上電保護(hù)邏輯如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)誤上電保護(hù)邏輯

如圖1所示，誤上電保護(hù)可認(rèn)為是一個(gè)主判據(jù)加三個(gè)輔助判據(jù)。這四個(gè)判據(jù)組合對應(yīng)發(fā)電機(jī)各種誤上電工況。特別地，本版本中斷路器位置輔助判據(jù)加發(fā)電機(jī)過電流判據(jù)可以應(yīng)對非同期工況。各種誤上電工況及動(dòng)作邏輯在各文獻(xiàn)及廠家說明書里已經(jīng)有比較詳細(xì)的說明及分析，在此不再復(fù)述。

定值中動(dòng)作電流按照發(fā)電機(jī)二次額定電流的0.2倍計(jì)算，6號機(jī)組誤上電電流定值為0.81A。事故發(fā)生后，調(diào)取發(fā)電機(jī)保護(hù)A柜裝置錄波記錄，保護(hù)動(dòng)作時(shí)序如下：10:51:22.4467，發(fā)電機(jī)出口斷路器分位消失；10:51:22.4750，發(fā)電機(jī)誤上電保護(hù)啟動(dòng)；10:51:22.4900，發(fā)電機(jī)負(fù)序過負(fù)荷保護(hù)啟動(dòng)；10:51:22.6750，發(fā)電機(jī)誤上電保護(hù)動(dòng)作；10:51:22.6997，發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作開入；10:51:22.7523，發(fā)電機(jī)出口斷路器分閘位置；10:51:23.1158，發(fā)電機(jī)負(fù)序過負(fù)荷返回。

發(fā)電機(jī)保護(hù)B柜保護(hù)裝置波形記錄與發(fā)電機(jī)保護(hù)A柜保護(hù)裝置波形時(shí)間記錄基本一致。發(fā)電機(jī)保護(hù)A柜保護(hù)錄波波形如圖2所示。

圖2 發(fā)電機(jī)保護(hù)A柜保護(hù)錄波波形

發(fā)電機(jī)保護(hù)A柜保護(hù)裝置所錄波形顯示誤上電保護(hù)啟動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)定子A相電流為1.39A，B相電流為1.48A，C相電流為0.4A，其中A、B相電流大于誤上電保護(hù)動(dòng)作電流值Iop，發(fā)電機(jī)誤上電保護(hù)啟動(dòng)。誤上電保護(hù)經(jīng)0.2s延時(shí)后動(dòng)作出口，此時(shí)發(fā)電機(jī)定子A相電流為1.29A，B相電流為1.38A，C相電流為0.39A，其中A、B相電流仍大于誤上電保護(hù)動(dòng)作電流定值Iop，保護(hù)動(dòng)作正確。

調(diào)取發(fā)變組故障錄波波形，對事故發(fā)生時(shí)發(fā)電機(jī)機(jī)端電流、發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電流、主變低壓側(cè)電流、廠變高、低壓側(cè)電流進(jìn)行檢查分析。波形顯示誤上電保護(hù)啟動(dòng)時(shí)發(fā)電機(jī)定子中正序電流0.81A、負(fù)序電流0.77A、主變低壓側(cè)電流0.80A、廠變高壓側(cè)電流0.18A。發(fā)電機(jī)負(fù)序過負(fù)荷保護(hù)定值為0.57A，這解釋了發(fā)電機(jī)負(fù)序過負(fù)荷保護(hù)啟動(dòng)的原因。各處電流均未超過額定值。經(jīng)檢查一次設(shè)備確認(rèn)，此次保護(hù)動(dòng)作未對設(shè)備造成傷害。

3.2 動(dòng)作原因分析

對故障錄波系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)及機(jī)端電流波形進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)端及中性點(diǎn)電流波形均偏向時(shí)間軸一側(cè)，且有間斷角，初步認(rèn)定此電流為勵(lì)磁涌流。為進(jìn)一步確認(rèn)此電流是否為勵(lì)磁涌流，對誤上電保護(hù)動(dòng)作時(shí)的發(fā)電機(jī)機(jī)端電流諧波含量進(jìn)行分析，發(fā)電機(jī)機(jī)端各次諧波含量對比如圖3所示，發(fā)電機(jī)機(jī)端電流諧波含量見表2。

圖3 發(fā)電機(jī)機(jī)端各次諧波含量對比

表2 發(fā)電機(jī)機(jī)端電流諧波含量

由圖3與表2可見，故障錄波波形顯示，在發(fā)電機(jī)出口斷路器合上之后，機(jī)端電流諧波主要表現(xiàn)為2次諧波，A相2次諧波在保護(hù)啟動(dòng)至出口期間一直在55%～60%之間，B相2次諧波在保護(hù)啟動(dòng)未出口期間一直在47%～51%之間。

以上幾點(diǎn)符合勵(lì)磁涌流波形的特征，為典型的勵(lì)磁涌流波形。變壓器勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生機(jī)理是基于電感線圈遵循磁鏈?zhǔn)睾阍?，即與電感線圈交鏈的磁通不能突變。波形顯示發(fā)電機(jī)機(jī)端及中性點(diǎn)二次電流峰值為4.47A，為主變低壓側(cè)二次額定峰值電流的0.76倍。勵(lì)磁涌流與電源電壓大小、合閘初相位、系統(tǒng)等值阻抗、剩磁大小和方向等因素有關(guān)。

同期裝置單側(cè)無壓合閘功能只能判斷主變側(cè)無壓狀態(tài)，并不能通過控制合閘角度來減小主變空載合閘時(shí)的勵(lì)磁涌流。在GCB合閘時(shí)，涌流超過了誤上電保護(hù)動(dòng)作定值，導(dǎo)致此次誤上電保護(hù)動(dòng)作。

4 改進(jìn)措施的分析及驗(yàn)證

事故處理完成后，對發(fā)電機(jī)保護(hù)定值、勵(lì)磁啟動(dòng)邏輯、TCS起勵(lì)邏輯等進(jìn)行梳理分析。

4.1 發(fā)電機(jī)保護(hù)定值

PCS—985BG誤上電保護(hù)采用低頻低電壓過電流原理。相關(guān)規(guī)程中關(guān)于此原理規(guī)定為：以誤上電時(shí)應(yīng)可靠啟動(dòng)為條件，動(dòng)作電流應(yīng)為誤上電最小電流的50%，一般可整定為（0.3～0.8）In。根據(jù)各廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)此動(dòng)作電流定值一般設(shè)為0.5In。

對發(fā)電機(jī)反充主變進(jìn)行簡單仿真，仿真模型如圖4所示。

圖4 簡單的發(fā)電機(jī)反充主變仿真模型

圖4的仿真模型設(shè)置主變、廠高變鐵心剩磁為0.9倍額定磁鏈。發(fā)電機(jī)反充主變仿真結(jié)果如圖5所示，涌流峰值最大可接近9kA。

圖5 發(fā)電機(jī)反充主變仿真結(jié)果

主變反充電時(shí)，勵(lì)磁涌流會(huì)在發(fā)電機(jī)定子中產(chǎn)生很大的負(fù)序電流，可能會(huì)對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子造成損傷。故不采取發(fā)電機(jī)反充主變方式并網(wǎng)，也應(yīng)避免發(fā)電機(jī)反充主變。另考慮到誤上電啟動(dòng)電流需躲過同期裝置最大電壓差并網(wǎng)時(shí)的沖擊電流，故調(diào)整誤上電啟動(dòng)電流至0.5In。該定值滿足規(guī)程對誤上電保護(hù)定值的規(guī)定。

4.2 抑制涌流措施

為盡可能地減小主變沖擊時(shí)勵(lì)磁涌流的幅值，應(yīng)在主變預(yù)試后對主變進(jìn)行退磁或者其他抑制涌流的處理。用GCB作為同期點(diǎn)時(shí)，主變由220kV母線倒送，主變高壓側(cè)采用SID—3YL涌流抑制器來抑制涌流，表3為五次主變沖擊時(shí)涌流倍數(shù)，可以看出該裝置的涌流抑制效果較好。用HVCB作為同期點(diǎn)時(shí)，經(jīng)對勵(lì)磁起勵(lì)邏輯進(jìn)行修改，發(fā)電機(jī)可帶主變零起升壓后與電網(wǎng)并列，故發(fā)電機(jī)低壓側(cè)不需要抑制涌流的措施。

表3 主變沖擊時(shí)涌流倍數(shù)

4.3 勵(lì)磁系統(tǒng)邏輯

該電廠設(shè)置機(jī)端斷路器GCB和主變高壓側(cè)HVCB兩個(gè)同期點(diǎn)，各控制系統(tǒng)應(yīng)滿足任一開關(guān)作為同期點(diǎn)進(jìn)行并網(wǎng)。勵(lì)磁系統(tǒng)雖然采樣HVCB和GCB的節(jié)點(diǎn)來判斷機(jī)組是否在并網(wǎng)狀態(tài)，但是其邏輯起勵(lì)的允許條件為GCB必須在分位，并未考慮發(fā)電機(jī)帶主變零起升壓通過HVCB并列的情況。

經(jīng)與廠家討論，勵(lì)磁系統(tǒng)邏輯中增加發(fā)電機(jī)帶主變零起升壓工況，將勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)允許條件中的GCB分位條件改為HVCB或GCB在分位即可起勵(lì)，修改后的勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)邏輯如圖6所示。

圖6 修改后的勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)邏輯

4.4 燃機(jī)控制系統(tǒng)中的起勵(lì)邏輯

檢查TCS中有關(guān)勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)指令允許邏輯，該指令的允許條件中需GCB分位且HVCB合位。TCS起勵(lì)允許邏輯中同樣沒有考慮發(fā)電機(jī)帶主變零起升壓通過HVCB并列的情況。經(jīng)與設(shè)計(jì)院討論，在該邏輯中刪除GCB和HVCB位置條件。修改后的TCS起勵(lì)允許邏輯如圖7所示。

4.5 效果驗(yàn)證

根據(jù)以上分析，對勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)邏輯及TCS中的允許起勵(lì)邏輯進(jìn)行修改，另考慮到并網(wǎng)時(shí)的沖擊電流，調(diào)整誤上電保護(hù)的啟動(dòng)電流值。修改邏輯后進(jìn)行發(fā)電機(jī)帶主變零起升壓。11:15，發(fā)電機(jī)帶主變零起升壓波形如圖8所示。

圖7 修改后的TCS起勵(lì)允許邏輯

圖8 發(fā)電機(jī)帶主變零起升壓波形

在整個(gè)升壓過程中，發(fā)電機(jī)定子中涌流最大為0.05A，幾乎為零，其他參數(shù)無異常，表明機(jī)組帶主變零起升壓通過HVCB并列是安全可行的。13:26，6號機(jī)組經(jīng)HVCB并網(wǎng)，沖擊電流為1712.00A，并網(wǎng)后發(fā)電機(jī)有功功率為23.45MW，其他設(shè)備無異常。

5 結(jié)論

本文介紹了一起誤上電保護(hù)動(dòng)作事故及其分析過程，提出了幾個(gè)預(yù)防措施及改進(jìn)建議，對修改后的邏輯進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)帶主變零起升壓。修改后的機(jī)組可任選GCB和HVCB作為同期點(diǎn)進(jìn)行并網(wǎng)，并網(wǎng)方式更加靈活，保證了機(jī)組的良性運(yùn)行。

本文編自2021年第10期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“一起燃機(jī)誤上電保護(hù)動(dòng)作案例分析”，作者為紀(jì)虎軍、趙俊杰 等。