发电机失磁跳机故障的分析.doc

发电机低励失磁跳机故障分析

〔摘 要〕 针对一起200MW机组低励失磁故障，分析了发电机低励失磁的过程及保护动作情况，作出跳机的原因是发电机失磁造成厂用电压过低使给粉机变频器停止工作而引起锅炉MFT动作，提出了反事故措施。
〔关键词〕 发电机；低励失磁；厂用电；变频器；
　　武汉钢电股份有限公司2台200 MW机组是东方电机厂生产的QFSN-200-2型水氢氢汽轮发电机，7回110 kV联络线分别与武钢变、冶金变、轧钢变三变电站相连，与220 kV系统联系紧密，系统无功功率储备充足。为考核机组的进相运行能力以及对系统电压的调节能力，　对发电机组进行了进相运行试验，并根据试验结果给出了发电机进相运行时，110 kV母线电压的调压率为0.21～0.5 kV/10 Mvar，220 kV系统的调压率为0.1～0.254 kV/10 Mvar。
1 故障简况
　2001-09-27，武汉钢电股份有限公司1号机备用，2号机在手动励磁运行方式下发生失磁故障，失磁保护动作切换厂用电，锅炉MFT动作跳机。
　　故障发生前，2号机满载运行，发电机有功200 MW，无功20 Mvar，机端电压15.29 kV。05∶02∶00，2号集控室发出“失磁”信号，6 kV快切装置“021切换”、“022切换”，随即锅炉MFT动作，机组跳闸。
2 故障分析 2.1 发电机运行中出现低励失磁故障的分析
　　发电机励磁系统接线，因副励磁机烧瓦，励磁系统暂运行于手动方式，这就需要运行人员根据有功变化及时调整无功，使发电机运行在稳定状态。
　　可看出，失磁前发电机有功198.65 MW，而无功只有16.29 Mvar，此时机组运行于静态稳定曲线上部，静稳裕度较小，且发电机端电压、6 kV厂用电压均较低。当机组受到外界小的扰动，负荷由198.65 MW逐渐升至205.04 MW时，由于运行人员没能及时增加励磁，发电机的功角 将逐渐增大，使发电机无功逐渐降低，机端电压和厂用电源电压也随即下降，而手动励磁电源取自380 V厂用电，在手动励磁不作调整的情况下，就使得发电机转子电压和电流相应下降，从而使发电机无功和电压进一步下降，进而又造成转子电压、电流下降，如此反复，最终导致发电机失磁。因发电机失磁前带满负荷，则进入异步运行后，其等效电抗降低较多，发电机从系统吸收的无功功率也较多，无功进相最大达-150 Mvar。
　2.2 发电机失磁保护动作分析
　　武汉钢电股份有限公司发电机失磁保护由静态极限机端阻抗ZK-1、转子低电压ZY-1、系统母线低电压DY-1三部分组成，阻抗整定为32 。转子低电压作为系统故障或系统振荡时的闭锁元件，整定为100 V，系统母线低电压整定为80% Un，该保护逻辑框图如图2所示。
　　解列动作于跳发电机出口开关；程序跳闸动作于主汽门关闭9 s后，　跳发电机主开关、灭磁开关、6 kV各分支开关。
　　从表1数据可知，发电机由低励失磁运行逐步进入失步运行阶段，无功进相最大达150 Mvar，此时机端测量阻抗由正常位于第一象限过渡到第四象限，并进入异步运行阻抗园内，在转子低电压低于100 V时，　失磁保护t1 延时0.5 s动作出口，发“失磁”信号并切换厂用电。整个发电机失磁过程中，造成系统无功缺损近170 Mvar，按机组进相试验所提供的调压率0.21～0.5 kV/10 Mvar(即发电机每少发无功10 Mvar，110 kV母线电压下降0.21～0.5 kV)，则110 kV母线电压下降约3.57～8.5 kV，且考虑系统中其它机组的作用，110 kV系统电压并不会下降到其额定值的80%，网控的数据录波也显示，发电机失步时，110 kV系统电压仍高于80% Un，故失磁保护的系统低电压条件未满足，失磁保护t2不出口跳机。
2.3 锅炉MFT动作分析
　当炉膛压力大幅波动(±1 500 Pa)或主燃料丧失(给粉机全跳)时，都会引起锅炉MFT动作。MFT动作后，延时9 s联跳发电机出口开关及灭磁开关。
　　武汉钢电股份有限公司于1999年对给粉机进行了变频器改造，其变频调速器为三菱电机株式会社生产的FR-E500型变频器。给粉机原控制回路仍保留，即仍由同操器送出信号给控制器，再由控制器输出4～20 mA的直流信号给变频器控制给粉机转速。FR-E 500型变频器的工作电压为325～528 V， 即变频器在工作电压为0.8～1.3 Un时正常工作，若超出此范围时，变频器将停止工作，使给粉机跳闸造成主燃料丧失，MFT动作。厂用电压过低或瞬时停电时，变频器自保持时间设定为1 s，当电源电压低于变频器最低工作电压或消失超过1 s时，变频器无输出，给粉机跳闸。
　　从表1可知，发电机从开始进相到失磁保护动作，整个过程33 s，在此过程中，6 kV母线电压大幅下降，直至低于额定值的80%(5.04 kV)，若不考虑变压器的压降，则380 V母线电压也降低至额定值的80%(320 V)以下，且失磁保护动作切换厂用电时，又产生瞬时失压(厂用电切换时间约120 ms)，最终造成变频器停止工作，使给粉机全跳，锅炉MFT动作跳机。
　　由上面分析可知，发电机低励失磁后，失磁保护仅动作于“失磁”信号并切换厂用电，因厂用电降得过低且维持时间较长，造成给粉机变频器停止输出，给粉机跳闸使锅炉MFT动作跳机。
建议和措施
3.1 加强运行人员的技术和工作责任心培训
　发电机手动励磁方式只是在自动励磁调节器故障或副励机不具备投入运行的情况下，临时满足发电的需要。机组手动励磁运行时，运行人员应有高度的工作责任心，集中精力监盘，并能根据负荷的变化，及时调整励磁，　使发电机有功和无功的比值小于3，同时应抓紧抢修，尽快恢复自动励磁运行。
失磁保护重新整定
　当发电机失磁造成静态稳定破坏进入异步运行后，从系统吸收大量无功，此时系统电压仍未降到低电压整定值，失磁保护不能动作将机组从系统解列，这将使邻近机组过载，系统稳定受到威胁，同时6 kV母线电压急剧下降，严重威胁厂用辅机的安全运行；　还会使定子过流，定子电枢绕组温度上升，定子端部发热及转子发热，对机组自身安全造成很大威胁。故应根据现场实际，进行合理计算，适当整定，使发电机失磁时，保护能及时将机组从系统解列，确保系统稳定及机组自身安全。
3.3 改变变频器工作电源
　　由于给粉机变频器工作电源接于380 V厂用电，当厂用电电压异常降低或消失(如切换缓慢)时，将会影响变频器正常工作，从而导致给粉机跳闸使MFT动作，为此，可将变频器工作电源接至厂用UPS，这样变频器工作就不会受厂用电压的影响了。
某热电公司四号发电机失磁故障的分析报告
一、 故障现象及处理经过:
2006年2月18日23时10分，#4机有功46MW,无功28MVar。电气运行值班人员发现＃4机滑环A4电刷过热发红，立即告知电气班长，值班员随即将＃4机无功负荷减到0 MVar，汇报值长并通知电气检修值班人员，此时＃4机滑环A4电刷过热发红消失，但仍有约20cm弧光，值班员用螺丝刀压住A4电刷弧光明显减小。23时20分，电机一班人员到达现场。23时35分左右，在运行和检修人员准备更换A4电刷，提起压在A4电刷上的螺丝刀时，正极上除A9外的其他电刷全部发出强烈弧光，此时主盘来＃4机转子一点接地信号，监盘人员发现＃4机有、无功表出现较大摆动，发电机失磁，按值长令拉开＃4机励磁开关，23时40分将有功负荷减至30MW，23时53分有功负荷减至0MW，23时57分发电机解列。经全力抢修、试验正常后，#4发电机于2月19日17时55分并网。
二、 设备损坏情况
1. #4发电机滑环正极固定于滑环刷架西侧一电缆头烧断，同侧另一电缆头烧损，#4发电机滑环正极东侧两个电缆头外绝缘层相色带烧熔。
2. #4发电机滑环正极圆周表面多处附着凸状铜溶渣。
#4机正极滑环刷握及电刷除A9外，其他均严重损坏。
4. #4发电机励磁机护罩靠发电机侧档板上有二个约25cm2电弧烧伤孔洞。
三、 抢修、试验情况
1.损坏电缆头重新制作，滑环正极表面进行打磨处理。
2.正极刷握及电刷全部更换，并进行调整。
3.负极刷握及电刷接触面及接触情况进行检查、清理。
4.对#4发电机励磁回路进行检查，具体情况如下：
4.1 对#4发电机励磁回路的绝缘及直阻检查正常。（见附件1）
4.2 主励磁机空载特性试验正常。（见附件2）
四、故障原因分析
1、滑环冒火
1.1 滑环电刷（型号：D172；尺寸：25 mm×32 mm×45 mm）额定电流密度12A/cm2，每块额定电流96A，当有功46MW,无功0MVar时，转子电流约为430A，所以每块平均电流48A。若运行中有三块电刷完全失去作用，其余每块平均电流只有72A，远远小于额定电流，不至于发生过载情况。由此判断，故障时至少有50%及以上电刷不能正常工作。
1.2 造成电刷不能正常工作的主要原因：
1.2.1 在A9电刷空悬未通过负载电流前提下， A3电刷过载首先烧溶， A4电刷过热发红起弧，电流分布严重不均匀，形成环弧，导致工况进一步恶化。
1.2.2 电刷标准尺寸为25 mm×32 mm×45 mm（宽×长×高）。而运用中电刷尺寸长度至少有6个、宽度至少有至少有5个小于标准尺寸0.5 mm，造成电刷与刷握间隙超过规定的0.1-0.2 mm，致使电刷在刷握中摇摆，不能正常工作。
1.2.3 运用中电刷未能按电刷高度磨损的情况及时调整压簧，不能保持所需压力，致使电刷与滑环间接触电阻不一，同极滑环上不同电刷间电流分配不均匀，造成部分电刷过载。
2、失磁原因
因滑环正极出现强烈环弧，造成电刷刷辫烧断、刷握烧溶，致使发电机失磁。
五、责任分析
1. 2月16日13时30分，检查发现A4滑环碳刷、刷辨过热，虽然更换后温度由150℃下降至69℃。但事后电运专业和电气分场并未对缺陷进行认真全面分析和跟踪检查，为此次故障留下隐患。
2. 2月19日在电刷冒火处理过程中，在A9、A3两个电刷失去作用的情况下，不按规定及时恢复A9、A3电刷，继续更换A4电刷，是造成本次故障的直接原因。
3. 励磁系统维护工作规定执行不到位，运行中未按电刷磨损情况及时调整压簧压力，电刷磨配不符合规定要求，是造成本次故障的根本原因。
六、防范及整改措施
1．加强励磁系统设备异常情况的分析工作，提高运行人员异常情况下判断和处理能力。
2．加强励磁技术监督工作，熟悉各种技术标准，认真落实励磁系统维护的规定，熟练掌握电刷压簧压力调整、电刷磨配及更换等技能。
3.电运专业设立电刷更换登记本，认真做好电刷更换纪录。电气检修更换电刷也应及时向运行进行书面交代。
4.有关部门应配置必要的检测装置如红外测温仪、直流钳型表、压簧压力检测仪等，定期监测并记录温度、电流、电压等数值。
5.进一步做好电刷、刷握的订购、验收、保管、安装调试工作，作到全过程有效管理。
附件：
#4发电机励磁回路的绝缘检查：（1000V摇表）
转子线圈本体对地：2000ΜΩ
转子回路对地（不含转子线圈）：1000ΜΩ-r
转子回路±之间：400ΜΩ 主励电枢本体对地：4ΜΩ
#Em-V8H0q-T.P 主励电枢回路+对地：500ΜΩ 主励电枢回路-对地：5ΜΩ
主励电枢±之间：200ΜΩ 副励回路对地：100ΜΩ
转子大轴碳刷对地：1000ΜΩ
对#4发电机励磁回路的接线检查情况为（用万用表检查）：
转子回路：无开路、短路现象，励磁开关接点良好。
主励定子绕组：D1～D4:6.8Ω D1～D2:2.8Ω D3～D4:4.0Ω
转子大轴碳刷接地电阻：247Ω
对#4发电机转子直阻检查情况为：换算至20℃的直阻为0.3153Ω。
测量#4发电机主励磁机转子片间电阻情况为：最大值：0.0005610Ω，最小值：0.0005406Ω，互差：3.7% ，结论：合格。
对#4发电机主励磁机进行特性试验，结果如下：
主励电枢绝缘：汽机3000转，500V兆欧表测试。
提起碳刷前：4ΜΩ
提起碳刷后：5ΜΩ