汽轮发电机过励限制导致失磁的故障分析.pdf

40 东北电力技术NORTHEAST ELECTRIC POWER TECHNOLOGY2023 年第 44 卷第 7 期发电技术汽轮发电机过励限制导致失磁的故障分析毛爱民(张家港保税区长源热电有限公司,江苏 苏州 215634)摘要:某热电厂 1 台 30 MW 汽轮发电机因过励限制失败导致机组失磁跳闸。首先,通过对励磁调节器故障录波数据初步分析,明确了故障过程。然后,结合现场检查、试验和对比,从过励限制动作原因、限制效果、通道和运行模式的切换、低励限制与失磁保护的配合等方面进行进一步分析,指出虽然故障主要在于发电机转子匝间短路,但也暴露出励磁调节器的设计和运行管理存在不足。最后,提出改进措施,为优化励磁调节器的辅助限制控制策略、完善辅助控制环与电压控制主环的配合提供参考,也对调节器的运行管理提供借鉴。关键词:汽轮发电机;励磁调节器;过励限制;低励限制;失磁保护中图分类号 TM31文献标志码 A文章编号 1004-7913(2023)07-0040-06Analysis of Loss of Excitation Fault Caused by Over Excitation Limiter for Turbo-GeneratorMAO Aimin(Zhangjiagang Free Trade Zone Changyuan Thermal Power Co.,Ltd.,Suzhou,Jiangsu 215634,China)Abstract:There is a trip on 30 MW turbo-generator caused by loss of excitation for over excitation limiter failure in a thermal power plant.Firstly,the fault process is defined through the primary analysis of fault recorded data of the excitation regulator.Secondly,combining with field inspection,testing and comparison,it conducts further analysis from the aspects of over excitation limiter the cau-ses of over excitation limiter action,limit effect,switching of channel and operation mode,coordination between low excitation limiter and loss of excitation protection.It is pointed out that although the fault is mainly caused by the short circuit between windings of the generator rotor,it also exposes the deficiencies in the design and operation management of the excitation regulator.Finally,some im-provement measures has been proposed which provide a reference for optimizing the auxiliary limiting control strategy of the excitation regulator and perfecting the coordination between the auxiliary control ring and the voltage control main ring,and also has a reference significance for the operation management of the regulator.Key words:turbo-generator;excitation regulator;over excitation limiter;under excitation limiter;loss of excitation protection0 引言在发电机励磁方式中,自并励静止励磁系统因接线简单、可靠性高、并具有高起始快速响应特性等优点,得到越来越广泛应用1-2。励磁调节器作为励磁系统的核心部件,包括电压控制主环和辅助限制环节。作为调节器辅助限制环节,过励限制(over excitation limiter,OEL)包括顶值电流瞬时限制和过励反时限制,并要求过励限制环节应具备规定的反时限特性,目的是将励磁系统输出电流限制在允许值之内;低励限制(under excitation limiter,UEL)目的是在不同有功负荷下,限制同步发电机无功功率不低于规定值3-6。失磁保护由发电机综保装置实现,将部分或完全失去励磁的发电机解列,并要求低励限制先于失磁保护动作,而低励限制在 P-Q 坐标整定,失磁保护的阻抗判据在 R-X 坐标整定,因而存在低励限制和失磁保护的配合问题。而过励和失磁反映的是转子电流不同方向的变化,一般不存在过励限制与失磁保护的配合。但是,如果辅助限制环节控制策略不完善,与电压控制主环配合不当,可能出现过励限制失败导致发电机失磁保护动作的情况。本文通过实际案例分析,为存在类似问题的电厂提供参考。2023 年第 44 卷第 7 期毛爱民:汽轮发电机过励限制导致失磁的故障分析41 1 故障概况1.1 设备概况某热电厂 2 台 30 MW 背压式汽轮发电机,各自通过主变压器升压至 110 kV 接入电网。发电机参数为电压 10.5 kV,功率 30 MW,电流 2062 A,功率因数 0.8(滞后),同步电抗 228%(6.7),瞬变电抗 21.8%(0.64);采用自并励静止励磁方式,励磁功率单元取自机端励磁变压器,通过三相全控整流桥提供励磁电流。其中 1 号发电机空载励磁电压 50 V,空载励磁电流 135 A;满载励磁电压 196 V,满载励磁电流 385 A;配置 PWL-3 型微机双通道励磁调节器,控制理论采用 PSS+PID,稳定器采用 PSS2B 模型;转子电流采样设计两路,一路在整流桥交流侧经 TA 采样接入调节器,另一路在整流桥直流侧安装的 500 A/75 mV 分流器采样接入综保后台系统。1.2 故障过程该热电厂 1 号发电机失磁四段保护动作,发电机开关及灭磁开关跳闸,汽轮机自动主汽门关闭,1 号机组解列停机。初步了解,故障前 1 号发电机有功功率 32 MW,无功功率 11 Mvar,励磁调节器在“自动”、“恒无功”模式运行。现场调取励磁调节器故障录波数据,将发电机故障过程简述如下:相对时间 12.460 s,A 套励磁调节器过励限制动作;相对时间 35.005 s,A 套过励限制失败,过励保护动作,调节器故障退出,切换至 B 套调节器运行;相对时间 676.060 s,B 套调节器过励限制动作;相对时间 693.389 s,B 套过励限制失败,过励保护动作,调节器由自动模式切换至手动模式运行;发电机失磁保护动作。调节器动作情况见表1。依照上述故障过程,结合故障录波图,围绕过励限制如何动作,限制为何失败,调节器切换至手动模式后如何稳定运行,低励限制为何不先于失磁保护动作等进行分析。2 故障分析2.1 过励限制动作机组停运后,测量转子绕组 25 直流电阻为0.3443,换算至 75 直流电阻为 0.4105,测量转子交流阻抗为 22.1。对比出厂数据:75 直流电阻 0.434,交流阻抗 24.62,直流电阻减小 5.4%,交流阻抗值减小 10.2%。结合故障前发电机转子绝缘出现不定期晃动的情况,初步判断发电机转子存在匝间短路故障7-8。通过故障前 2 台发电机后台历史运行数据对比发现,相近负荷工况下,1 号发电机转子电流比 2表 1 发电机励磁调节器动作情况项别时间有功功率/MW无功功率/Mvar定子电流/kA转子电压/V转子电流/A控制角/(?)动作状态08:17:577 5537.02810.7842.2158.05413.163.87断08:17:577 7537.0410.7912.2158.12413.2963.96断08:17:577 9537.03510.7792.2158.08413.1963.96动作A 套过励限制08:17:578 1537.05910.7842.2158.05413.163.87动作08:18:203 0037.19410.6692.21157.47411.663.87断08:18:203 2037.1810.662.21157.47411.663.87断08:18:203 4037.17110.6552.21157.44411.563.87动作A 套故障限制08:18:203 6037.1410.6412.1879.29207.2563.87动作08:29:013 5534.4869.7592.05146.02421.7564.89断08:29:013 7534.5199.7812.05146.18422.2264.89断08:29:013 9534.4749.7592.04145.82421.1864.8动作B 套过励限制08:29:014 1534.4559.7242.05145.92421.4664.8动作08:29:186 8434.32410.0262.04145.21419.464.68断08:29:187 0434.26210.0052.04145.66420.7164.8断08:29:187 2434.2339.9692.04145.99421.6581.23动作B 套切至手动08:29:187 4434.1819.9792.03145.56420.4380.92动作42 东北电力技术2023 年第 44 卷第 7 期号发电机大 5060 A,见表 2,进一步说明 1 号发电机转子存在匝间短路故障。对2 台励磁调节器进行检查和试验9,结果显示,调节器定子电流和转子电流存在零点漂移,个别电容和部分元件老化。表 2 历史运行数据对比项别有功功率/MW无功功率/Mvar定子电流/A转子电流/A32.310.719323831 号机32.310.4191038333.210.5199039133.210.219543282 号机33.210.2195432533.410.41984334综合上述检查对比和试验结果分析,过励限制动作的根本原因在于发电机转子存在匝间短路故障;诱发因素为励磁调节器部分元件老化,励磁电流存在零点漂移,导致调节器励磁电流的采样值比实际值大,更容易达到过励限制启动值。2.2 过励限制失败根据国家标准 GB/T 70642008 隐极同步发电机技术要求,发电机磁场绕组应具有如下规定的过电流能力。(I2-1)t=33.75(1)式中:I 为磁场电流,%;t 为时间,s。过励限制应先于发电机转子绕组过负荷保护动作,时间配合上应留有级差,文献10提出选择顶值电流下过励限制比转子过负荷保护提前 2 s 动作确定过励限制过电流常数的方法进行配合。本案例中调节器过励限制采用式(1)反时限特性,顶值电流整定为1.8 倍,时限 10 s,过励限制启动值整定为 1.06 倍,时限8 s,见表3,符合时间级差配合要求。表 3 过励限制及过励保护整定值项别数值强励电压限制倍数1.6顶值电流瞬时限制倍数1.8快速过励限制电流倍数1.3过励限制电流倍数1.06强励电流倍数1.6过励保护反时限/s10过励限制反时限/s8过流限制时开放角/(?)70.3强励电流开放角/(?)59.4根据调节器说明书并与厂家技术人员交流,案例中调节器过励限制执行流程为:励磁电流大于整定值 1.8 倍,瞬时执行顶值电流限制;小于 1.8 倍并大于启动值 1.06 倍时,启动热积分累积,当热积分累积值达 8 s 整定值的 1.6 倍时,过励限制动作;此时判断,如励磁电流大于 1.3 倍,迅速限制,如励磁电流小于 1.3 倍,缓慢限制。过励保护程序执行流程为:热积分累积值达 9 s 设定值的1.6 倍时,过励保护动作;此时判断,如另外 1 套调节器正常,则切换至另外 1 套调节器运行,否则切至本套调节器手动模式运行,并报“故障退出”信号。励磁系统控制部分包括主控制环和附加控制环,附加控制环包括恒无功功率闭环、恒功率因数闭环等,采用外环闭环控制方式,其 PID 闭环控制输出量直接叠加到主控制环的给定值上。恒无功功率闭环控制方式目的是减少运行人员增减磁操作,维持发电机无功功率恒定。但采用离散式的恒无功功率调节方式,具有调节死区、调节速度、单次调节步长等限制,调节主控制环给定值的过程相对缓慢9。案例中励磁电流小于 1.3 倍,执行缓慢限制,限制值比启动值低 5%10%以释放积累的热量。调节器在“恒无功”模式运行,因而限制过程非常缓慢。故障录波数据显示,从调节器过励限制动作到故障退出,整流桥控制角的变化非常小,控制角的大小决定整流桥输出电流大小,因而转子电流基本没有变化,最终导致限制失败,过励保护启动,进行通道切换或模式切换。2.3 手动模式不能稳定运行相对时间 693.389 s,B 套调节器退出自动模式,切换至手动模式运行。此时,整流桥控制角出现大幅波动,由 64.8升至超过 80再迅速回落振荡,最后逐渐稳定在 70左右;转子电流瞬间跌落后持续下降,见图 1。无功功率、机端电压也出现持续下降,见图 2 和图 3。根据调节器程序设计,过励保护动作切手动模式运行后,调节器的可控硅控制角会限制在某一角度。表 3 中过流限制时开放角整定值为 70.3,与故障录波数据吻合。根据电力电子技术知识,三相全控整流电路带阻感负载时整流输出电压的平均值为Ud=2.34U2 cos(2)式中:Ud为整流桥输出直流电压;U2为整流桥交流侧相电压;为控制角。自并励静止励磁的功率单元取自机端励磁变压2023 年第 44 卷第 7 期毛爱民:汽轮发电机过励限制导致失磁的故障分析43 图 1 B 套调节器切手动时转子电流和控制角曲线图 2 B 套调节器切手动时有功和无功功率曲线图 3 B 套调节器切手动时机端电压和定子电流曲线器,在机端电压稳定时,励磁变压器低压侧电压与负载系数有关,在某一负载电流小范围内变化时,可认为 U2不变,此时整流输出直流电压仅与控制角有关。但是,在调节器切手动时的动态过程中,控制角突升,转子电流瞬间减小,机端电压开始出现下降。即使整流桥控制角限制在某一角度,输出的直流电压也会随机端电压下降而减小,转子电流随之减小;随着转子电流减小,机端电压继续下降,如此循环,无功功率持续减小,从而使机组不能稳定运行。在无功功率持续下降过程中,如果运行人员及时进行人工干预,增加无功,减少有功,维持发电机滞相运行,可避免失磁保护动作跳机。2.4 低励限制与失磁保护2.4.1 同步电抗计算为校核失磁保护定值是否正确,先计算发电机同步电抗。利用发电机交接试验的空载特性和短路特性数据,在同一坐标系内绘制空载和短路特性曲线,通过线性拟合得到过原点的气隙线和短路特性直线方程,见图 4。图 4 发电机空载和短路特性曲线机端电压采用相电压,通过计算发现,不饱和同步电抗值可简化为气隙线斜率与短路特性直线斜率之比,发现比发电机厂家提供数据略小。2.4.2 失磁保护定值核算发电机失磁保护由定子侧判据、低电压判据、转子判据和减出力判据不同组合,实现四段失磁保护功能11,见图 5。四段失磁保护由定子侧判据启动,其阻抗元件整定采用异步阻抗圆。根据整定计算方法12-14,采用电抗值计算失磁保护阻抗定值为XA=-Xd2 nTAnTV=-1.92(3)XB=-XdnTAnTV=-39.98(4)式中:Xd为瞬态电抗值,取 0.64;Xd为不饱和同步电抗值,取 6.496;nTA 为电流互感器变比,取 600;nTV 为电压互感器变比,取 100。图 5 失磁保护示意图核对继电保护整定通知书:XA=-1.92;XB=-40.2。XA值相同,XB值稍有误差,原因在44 东北电力技术2023 年第 44 卷第 7 期于整定通知书采用发电机出厂同步电抗值。核算结果认为失磁保护定值正确。2.4.3 低励限制与失磁保护配合校核励磁调节器中,低励限制设计为三点两折线15-16。整定值为 P1=0 MW,Q1=-4 Mvar;P2=15 MW,Q2=-4 Mvar;P3=30 MW,Q3=0 Mvar。低励保护采用低励限制线整体向下平移 2 Mvar,见图 6。图 6 低励限制与失磁保护配合校核图为校核失磁保护与低励限制的配合关系,将 R-X 坐标的阻抗圆转换至 P-Q 坐标进行比较17-18。设发电机机端测量阻抗为 Z,则:Z=R+jX=U3I=U2P-jQ=PU2P2+Q2+jQU2P2+Q2(5)R=PU2P2+Q2;X=QU2P2+Q2(6)在 R-X 坐标中,异步阻抗圆方程为R2+(X-X0)2=R20(7)将式(6)带入式(7),整理得转换至 P-Q坐标内异步阻抗圆方程:P2+Q+X0U2R20-X20()2=R0U2R20-X20()2(8)发电机低励或失磁时,伴随着机端电压降低,P-Q 坐标内异步阻抗圆将上移。关于式(8)中 U的取值,考虑最极端情况,采用失磁保护中的低电压判据整定值 0.85UN进行校核19-20。将圆心纵坐标 X0=-3.51,半径 R0=3.19,并取 U=8.9 kV 代入式(8),整理得:P2+(Q+129.68)2=117.852(9)按式(9)在 P-Q 坐标中绘制出异步阻抗圆,并与低励限制线比较,见图 6。由图 6 可知,低励限制与失磁保护的配合符合规程要求。图 6 中发电机 P-Q 曲线已穿越低励限制线,但低励限制并未动作,原因在于过励限制信号接入调节器综合放大单元的负竞比门,而低励限制信号接入正竞比门,过励限制动作后,正竞比门输出被封锁,调节器只能由负竞比门的励磁限制信号进行控制。3 改进措施a.调节器转子电流采用 2 种不同的采样方式,并在程序中对比判断,出现超过设定的偏差能及时发出信号提醒,如整流桥交流侧 TA 采样和直流侧霍尔电流传感器采样等。暂时不具备条件的现有运行设备,要注意检查核对转子电流采样的准确性,发现偏差及时校准。b.优化调节器辅助限制控制策略,以及辅助限制环节与电压控制主环的配合21-22。限制动作后通过限制整流桥控制角的方式来考虑交流侧的电压变化,综合考虑限制输出信号介入主控制环的方式。c.提高调节器生产中对电子元器件的质量标准,减少因元器件老化产生测量误差对调节器性能的影响。d.加强调节器的运行管理。发电机正常并网运行方式下,调节器应选择“恒电压”模式运行,不宜采用“恒无功”或“恒功率因数”模式运行。提高运行监测质量,及时发现运行参数的异常并正确处理。4 结语汽轮发电机过励限制导致失磁的故障主要在于发电机转子存在匝间短路,励磁调节器对转子电流的采样值偏大诱发了过励限制动作,离散式的“恒无功”模式具有调节死区、调节速度、单次调节步长等限制,调节主控制环给定值的过程相对缓慢,容易导致限制失败,限制保护动作后进行模式切换时通过限制可控硅控制角的方式来考虑交流侧电压的变化,对功率单元取自机端励磁变的系统,可能存在整流输出电压持续下降或升高的风险,过励限制输出信号接入竞比门的方式会封锁正常的电压调节信号和低励限制信号。通过本次故障分析,优化了励磁调节器的辅助限制控制策略,完善了辅助控制环与电压控制主环的配合,也为调节器的运行管理提供参考。参考文献:1 李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用 M.北京:中国电力出版社,2017.2023 年第 44 卷第 7 期毛爱民:汽轮发电机过励限制导致失磁的故障分析45 2 陆继明,毛承雄,范澍,等.同步发电机微机励磁控制M.北京:中国电力出版社,2005.3 同步发电机励磁系统技术条件:DL/T 8432021 S.4 同步电机励磁系统大、中型同步发电机励磁系统技术要求:GB/T 7409.32007 S.5 隐极同步发电机技术要求:GB/T 70642008 S.6 数字式励磁调节器辅助控制技术要求:DL/T 17672017 S.7 隐极同步发电机转子匝间短路故障诊断导则:DL/T 15252016 S.8 李建明,朱 康.高压电气设备试验方法 M.北京:中国电力出版社,2001.9 张俊峰.发电厂励磁系统现场试验 M.北京:中国电力出版社,2016.10 竺士章,陈新琪.励磁系统的过励限制和过励保护 J.电力系统自动化,2010,34(5):112-115.11 苏为民,谢欢,吴涛,等.励磁调节器辅助限制特性及技术指标探讨 J.中国电力,2012,45(12):52-56,70.12 大型发电机变压器继电保护整定计算导则:DL/T 6842012 S.13 王维俭.电气主设备继电保护原理与应用 M.北京:中国电力出版社,2005.14 许正亚.发电厂继电保护整定计算及其运行技术 M.北京:中国水利水电出版社,2009.15 解 兵,徐珂,刘建坤,等.励磁调节器低励限制整定原则和整定方法研究 J.电力系统保护与控制,2018,46(8):142-147.16 王 青,刘肇旭,孙华东,等.发电机低励限制功能的设置原则 J.电力系统保护与控制,2011,39(6):55-60.17 郭春平,余振,殷修涛.发电机低励限制与失磁保护的配合整定计算 J.中国电机工程学报,2012,32(28):129-132.18 李 楠,冯伟,王秀霞.发电机失磁保护定值与欠励限制参数的校核方法 J.东北电力技术,2018,39(1):39-42.19 谢 欢,吴 涛,王 超,等.发电机过励限制网源协调性能优化技术 J.电力自动化设备,2020,40(2):123-128.20 王维俭,桂林,王雷,等.发电机失磁保护定值整定的讨论 对 2007 年版 IEEE Guide for AC Generator Pro-tection 的斟酌 J.电力自动化设备,2009,29(3):1-3.21 吕 齐,周华良,朱宏超,等.新一代励磁调节器平台的研制及应用 J.电力系统自动化,2018,42(20):165-170.22 吴 涛,梁浩,谢欢,等.励磁系统控制关键技术与未来展望 J.发电技术,2021,42(2):160-170.作者简介:毛爱民(1973),男,学士,高级工程师,从事热电厂技术管理和技术改造工作。(收稿日期 2023-02-27)(编辑:刘 娟)(上接第 39 页)具有代表性的指标构成评价体系。利用可拓综合评价结合组合赋权的方法对油配变进行综合评价,通过实例进行计算分析,验证了方法的可行性。其结果不仅可用于同批次样品的横向比较判断优劣,还可以对不同年限的样品纵向比较,有利于发现家族性缺陷等。本次算例中样本数量较低,取得的客观权重缺乏代表性,实际操作时随着样本数据的积累会使结果更加可靠。参考文献:1 陈 奎,侯壵.浅析中电协团标 T/CEEIA 258-2016 6 kV35 kV 变压器能效限定值及能效等级 与 GB 20052-2013 的技术差异 J.电器工业,2017(2):48-49.2 黄伟宏.10 kV 配电变压器故障分析与诊断技术研究 J.现代商贸工业,2019,40(10):173-174.3 熊学勇.10 kV 配电变压器故障分析与诊断技术研究 J.百科论坛电子杂志,2019(8):434.4 电力变压器 第 1 部分:总则:GB 1094.12013 S.5 王曜飞,叶吉超,宋亚夫.试论电力企业技术标准评价方法 J.大众用电,2016,4(S1):102-106.6 何永秀.电力综合评价方法及应用 M.北京:中国电力出版社,2011:21-56.7 国家电网有限公司物资部.配电变压器抽检工作规范M.北京:中国电力出版社,2019.8 HUMMEL J M,VAN RW,VERKERKE G J,et a1.Medical tech-nology assessment:The use of the analytic hierarchy process as a tool for multidisciplinary evaluation of medical devices J.Inter-national Journal of Artificial Organs,2000,23(11):782-787.9 谢承华.AHP 及其应用 J.兰州商学院学报,2001(2):79-82.10 徐晓敏.层次分析法的运用 J.统计与决策,2008(1):156-158.11 宋海洲,王志江.客观权重与主观权重的权衡 J.技术经济与管理研究,2003(3):62.12 蔡 文,杨春燕,何斌.可拓学基础理论研究的新进展J.中国工程科学,2003,5(2):80-87.13 李泓泽,郭 森,唐 辉,等.基于改进变权物元可拓模型的电能质量综合评价 J.电网技术,2013,37(3):653-659.14 王旭,黄俊辉,谈健,等.国际电网评价关键指标“一流水平”量化评估 J.电力系统及其自动化学报,2016,28(2):5.15 刘钧迪.基于 AHP熵权法赋权的水电厂安全性可拓评价D.郑州:郑州大学,2019.作者简介:刘钧迪(1993),男,硕士,助理工程师,从事高电压强电流试验及真型检测试验技术研究。(收稿日期 2023-02-30)(编辑:孙丝萝)