700MW水轮发动机三相突然短路灭磁分析

700MW水轮发电机三相突然短路灭磁分析
关杰林、陈小明、朱梅生、邵秋葵
（长江电力股份有限公司湖北宜昌市443002）
一、发电机灭磁系统简介
某700MW大型水轮发电机，额定励磁电流If为3779A，配置西门子THYRIPOL自并励静止晶闸管励磁系统，双通道SIMADYN D全数字调节器，5个额定输出2200A的励磁功率柜并联，采用了交直流灭磁开关的双重化灭磁方式，安全可靠(1)。

交流灭磁开关选用真空断路器，型号为3AH3078-8，免维护。

直流灭磁开关选用双断口配常闭辅助断口，具有最好的灭磁开关结构型式(2)，型号为2CEX985000 4.2，其原理接线如图1所示。

图1 700MW机组交直流灭磁系统原理图
从原理接线上看，该灭磁系统有两种独立的跳闸灭磁途径。

第一种是S101+SiC灭磁，即直接跳开直流灭磁开关S101，其放电（常闭）断口先闭合，将SiC电阻接入发电机转子两端，接着其主（常开）断口断开转子回路，建压换流，迫使转子磁能被SiC电阻吸收；第二
种是S107+S102+SiC灭磁，即首先合上S107开关，将SiC电阻接入发电机转子两端，同时S107的辅助接点接通交流灭磁开关S102的跳闸回路，接着S102开关断开整流器输入电源，并依靠逆变等辅助措施，迫使转子磁能被SiC电阻吸收。

从灭磁时序上看(3)，首先启动第一种灭磁即跳直流灭磁开关，紧接着启动第二种灭磁即跳交流灭磁开关。

两种途径构成冗余灭磁系统，增加了工作可靠性，同时，跳开交流灭磁开关方便励磁变压器和励磁功率柜单独维护检修，跳开双断口直流灭磁开关方便发电子转子绝缘检查工作，都值得推荐。

二、发电机灭磁试验分析
发电机灭磁分析，主要是灭磁时间分析。

对于大型水轮发电机励磁系统灭磁时间的定义，通常应用较多的有以下三种(4)：（1）按发电机转子电流为零定义为灭磁时间。

这是现场技术人员常用的灭磁时间判断标准，简单实用。

（2）按转子电流下降到10%初始值定义为灭磁时间。

机组励磁厂家一般选用此定义，认为在转子电流初始值10％以下，转子绕组回路储存的磁场能量数值相对较低，继续以此灭磁延时时间判定灭磁性能无太大意义。

（3）按发电机端电压下降到接近残压或小于500V作为灭磁时间的定义，因为当定子电压小于500V时电弧会自动熄灭。

按照这个标准，非机端短路的发电机灭磁一般以机端电压的3%作为判断标准。

该700MW水轮发电机，在启动试验报告中，机组带有功545MW，无功168Mvar，模拟变压器差动保护动作，出口跳断路器、
跳灭磁开关、停机。

按照本文三种灭磁时间整理如下，其灭磁录波如图2所示。

（1）当发电机转子电流下降到零时（T1）的灭磁时间为4秒，此时机端电压约为7%；
（2）当转子电流下降到10%初始值时（T2）的灭磁时间为2.3秒。

此时机端电压约为40%；
（3）当发电机端电压下降到3%时（T3）的灭磁时间为5秒。

图2 700MW机组空载灭磁录波图
对于发电机灭磁分析，国内外主要励磁厂家都采用仿真计算，但同一个项目，仿真计算结果和表述方法也不尽相同。

下面以国内另一个700MW机组为例（If=3298A），国内四个励磁厂家进行了三相突然短路时的灭磁计算(5)，结果如表1所示。

由于该项目没有规定统一的灭磁时间定义，出现了不同定义的灭磁时间。

表1 700MW机组（If=3298A）三相短路灭磁仿真计算结果
分别采用ZnO和SiC灭磁电阻灭磁，南瑞继保的仿真计算结果是前者比后者快31%。

上海ABB也在某一个700MW机组上（If=4158）进行了仿真计算，合肥科聚公司改选灭磁电压后进行估算补充，结果如表2所示，结果显示ZnO灭磁时间比SiC快30%。

三、故障情况简述(6)
2006年8月16日下午19时28分，该700MW水轮发电机内部故障短路引起保护动作，机组解列、停机、灭磁。

现场查看保护面
板，动作信号有差动保护、裂相横差保护、低阻抗保护、定子一点接地共计4种保护。

故障发生一刻钟后现场检查励磁装置，没有任何故障信息，灭磁开关已经断开，灭磁电阻处于微温状态，约为30度左右，环境温度25度。

该水轮发电机采用立轴半伞式结构，额定转速为75r/min，定子绕组采用直接水冷方式，定子铁芯和转子绕组采用空冷方式。

现场检查发现，发电机盖板掀开并散发少量烟尘（如图3所示）。

下风洞地面积有定子冷却纯水，散落定子线棒绝缘盒，多处绝缘盒有熏黑损害痕迹（如图4所示）。

部分汇流环断裂损害，A相出口支架和短路点的电缆线管损害严重（如图5所示）。

线棒绑扎带多处断裂，部分线棒出现明显变形位移、更有甚者被甩出铁心槽口（如图6所示）。

有的线棒绝缘层裂开，上下端部均有明显变形及过流痕迹、水接头处有烧熔，造成铁心齿部部分熔化及卷边（如图7所示）。

部分转子磁极表面有爬电放电现象，对地绝缘检查为零。

图3 发电机盖板被掀开图4 下风洞线棒和绝缘盒损害
图5 发电机出口汇流环管图6 部分线棒被打散离槽
图7 部分线棒和铁心过流受损
此前，该机组于16日上午8时10分中控室发令开机至并网。

故障前监控系统没有与其相关的可疑告警和动作情况出现。

机组有功、无功运行平稳，没有大的波动。

系统没有冲击，天气良好。

该发电机的故障前运行参数如下：有功P=543MW，无功Q=48Mvar，励磁电压Uf＝200V，励磁电流If＝2719A，定子电压Ug＝19.78KV，定子电流Ig＝16.14KA。

该发电机额定电压和电流参数为20KV/22453A，额度励磁电压和电流参数为364V/3779A，机组的残压为300V左右。

四、故障性质分析
该发电机保护装置双重化配置2个保护盘，保护事件记录有如下
保护动作：A 盘-发电机纵差保护、发电机裂相横差保护、100%定子一点接地保护；B 盘-低阻抗保护、100%定子一点接地保护。

其中100%定子一点接地保护为跳闸停机后动作。

分析上述保护动作行为，首先是19:28:43.343时刻C 相过流元件启动，9毫秒即达到差动速断定值，保护C 相差动保护动作跳闸，与此同时，A 、B 相亦跟着启动，20ms 时差动特性段动作跳闸。

保护装置本身录波图如图8所示，从这里基本可以看出，故障性质为发电机三相突然短路。

在故障20ms 时刻的机端电压和故障电流值，如图9所示。

可见短路电流很大，所产生的电动力巨大，给短路点和发电机定子线棒造成了很大的破坏。

图8 保护装置本身录波图
iL1-S1—机端A 相电流；iL2-S1—机端B 相电流；iL3-S1—机端C 相电流。

iL1-S2—
113.12k
118.37k 113.17k 116.39k 103.20k
90.68kA
0.71kV 1.09kV 0.86kV
中性点A相电流；iL2-S2—中性点B相电流；iL3-S2—中性点C相电流。

图9 发电机内部三相短路参数值
综合上述分析，得出如下结论：故障初期为机端相间短路故障，因此发电机纵差保护及裂相横差保护首先都是C相速断保护出口。

在故障发生后的几毫秒内迅速由机端AC相相间短路发展为三相对称短路故障，发电机纵差保护其他两相相继动作出口。

五、发电机故障录波分析
该发电机组配置有故障录波装置，调用发电机机端电压和电流、发电机中性点裂相3分支电流、励磁电压和电流、励磁变压器低高压侧电流，发电机交流和直流灭磁开关以及出口断路器位置状态，如图10所示。

该发电机定子绕组采用5Y接线，机端电压和电流由每相出口的PT和CT测量，中性点电流由两个CT测量，一个是2Y中性点CT，一个是3Y中性点CT，即裂相3分支电流。

发电机励磁电压和电流由励磁调节器测量并经过一个变送器输出4-20mA给故障录波装置，由于这两个量采用了时间常数为1秒的滤波器，故不能反映暂态量。

另外，由于励磁电压和电流测量点取值直流灭磁开关进线侧（整流侧），故直流灭磁开关跳闸后就不能采集。

t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8
t9
图10 发电机三相短路故障录波图
在该故障录波图上，从左到右用了10个红线标注时间（从t0－t9），并且将各时刻的电气量记录汇总在表3中。

Ugb为发电机Ｂ相电压；Igb为发电机Ｂ相电流；Ig3b为发电机中性点裂相３分支Ｂ相电流；Uf为励磁电压；If为励磁电流；Ie2为励磁变二次电流；Ie1为励磁变一次电流。

图中蓝色标记线表示励磁电压电流为零的时刻应该同直流灭磁开关跳闸时刻相同。

造成励磁电压电流录波量滞后和过小的原因是这两个量经过了一个软件滤波器，其滤波时间常数等于1秒。

表3 发电机故障录波分析表
对表3中的时刻点以及相关参数进行分析得出：
（1）发电机t0显示跳闸前的运行参数，从t1时刻开始内部故障，t2发展为三相短路，t3短路电流最大，励磁变高低压两侧电流波形紊乱，整流装置换向失败。

t4开始跳灭磁开关，其主触头开始拉弧建压，t5显示发电机出口断路器跳闸，t6时刻灭磁开关主触头电弧熄灭，灭磁电阻投入灭磁。

t7时刻显示的励磁参数实际上是灭磁开关跳闸前的参数。

作为后备灭磁的交流灭磁开关在t8时刻断开，比直流灭磁开关晚75ms，显示双灭磁开关配合正确。

故障录波器在t9结束，总共录波816ms。

（2）t3时刻，是机端短路最大时刻，此时转子感应最大电流，励磁变二次电流幅值约为10000A，大约经过一个周波就下降为5000A左右。

可见，发电机三相短路时的励磁电流衰减很快。

（3）t4时刻，是直流灭磁开关跳闸时刻，此时励磁变二次电流约为5000A左右，随后发电机断路器跳闸，机端电流等于零（t5），该电流继续下降。

从直流灭磁开关跳闸拉弧开始，经过15毫秒开关断口的电弧熄灭，励磁变二次电流等于零（t6）。

可见，该灭磁开关
拉弧建压很快，即灭磁能量的换流转移很快，灭磁安全可靠。

（4）将励磁变二次电流10000A折算为转子电流为11628A，符合多家励磁厂家（上海ABB、南京南瑞）关于700MW发电机灭磁仿真计算值(5)。

将励磁变二次电流5000A折算为转子电流为6127A，考虑到灭磁开关在分断中消耗，初步认定灭磁时的转子电流等于6000A，此电流流经SiC灭磁电阻，按照该机组配置的SiC灭磁电阻伏安特性(6)u = 84.5 i 0.3132得到灭磁最大电压约为1289V。

（5）从灭磁开关跳闸开始（t4），到录波结束（t9），经过0.75秒，发电机中性点裂相３分支电流由跳前的6.44倍下降为3.82倍。

裂相３分支电流下降到零，也就意味着定子电流电弧熄灭，如果按照该电流最后两点规律线性正常下降，则定子电流熄弧灭磁时间为2.3秒。

六、发电机裂相横差保护录波分析
发电机裂相横差保护，是一种多分支分布中性点接线的发电机内部短路时主保护，对大型发电机定子匝间故障，包括同槽故障、端部故障、开焊故障具有很高的灵敏度。

该发电机裂相横差保护，在发电机中性将同相5Y定子线棒分为2分支(2Y)和3分支(3Y)进行测量比较，即在2Y线圈并联后套一个CT测量2分支电流，3Y线圈并联后套一个CT测量３分支电流，一旦其不平衡电流达到整定值，就认为发生定子匝间短路。

在该发电机三相短路故障中，裂相横差保护启动4次，并对2分支和３分支电流进行了录波。

将这4次录波组合起来，从而形成一
个组合录波，如图11所示。

t4
图11 发电机裂相横差保护录波组合图
在该组合录波中，注明了录波启动时间和两次启动之间的间隔时间。

第一次启动电流是指短路瞬间的分支电流，第四次结束电流是指最后一次录波所记载的最后时刻的分支电流，并按照2分支和3分支A/B/C/三相排列。

在组合录波中，将直流灭磁开关的动作时刻标准在第一个录波中（t4），并且在录波图中表明分支电流等于零的位置。

分析这个组合录波，我们可以看到如下现象：
（1）第一次启动时因为发电机发生短路，后几次启动主要有定子线棒变位、出槽、开焊、熔断等原因引起。

（2）在第一个录波中，灭磁开关在短路发生后约60ms后跳闸，此时短路电流大约衰减了20%，励磁电流衰减的比例更大，整个分支电流的非周期分量衰减时间约为0.15秒。

（3）从第二个录波图开始，2分支电流已经只有10∼15KA，并继续衰减至零，此后又开始增加，最大幅值又上升至10∼15KA，存在一个明显的振荡过程，包络线震荡频率约为2Hz。

3分支电流也
是如此。

本文初步分析，这种振荡过程主要原因是定子线棒受到非对称的破坏以及部分转子磁极过压对地击穿引起磁场不对称所造成。

（4）整个定子分支电流录波时间为6.212秒，此时的电流在0.32∼4.95KA之间，可以初步认为是转子阻尼绕组和残压的作用，励磁灭磁任务早已结束。

2分支电流首次为零的时间距故障开始约为4.48秒，3分支电流首次为零的时间为4.78秒，取该时间作为本次故障的灭磁时间。

七、故障原因分析与处理简述(6)
由于某定子线棒局部存在冷却纯水泄露，引起汇流环过流脱焊、断裂，造成AC两相直接短路接触，并迅速发展为3相短路。

三相短路产生的巨大电磁力造成发电机出口处汇流环破坏严重，电弧烧损线棒、CT、励磁电缆、软连接、绝缘盒、绝缘板、RTD等众多设备，转子瞬间过压引起多个磁极放电。

经过3个月的抢修，修复了受到烧灼的铁芯，更换150多根线棒，全面增强了线棒的绑扎强度，重新布局并加强了汇流环的固定，增加了磁极表面的绝缘强度，全面检查了发电机及其电气控制设备。

修复后的发电机出口以及汇流环照片如图12所示。

图12 正常的发电机出口照片
八、励磁装置检查
该励磁系统在故障后进行了仔细检查，灭磁开关外观正常，灭弧罩有明显拉弧痕迹；励磁调节器没有任何信号，励磁装置小电流通电检查正常。

2006年9月28日29日，该700MW发电机进行首次启动试验，主要内容有：瓦温温升试验与监测，过速试验，自动开停机、发变组升流、升压及热稳定试验，励磁系统自励试验，假同期试验，并网小负荷检查主变差动保护，甩负荷试验。

在发电机的两次甩负荷试验中，进行了灭磁试验并录波，如图
13所示。

录波显示该励磁系统正常，满足机组灭磁要求。

图13 励磁系统甩负荷灭磁波形
第一次录波条件：P＝179MW，Q＝16Mvar；If＝2234A，灭磁时间按转子电流等于零来确定是4.01秒。

第二次录波条件：P＝556MW，Q＝200Mvar；If＝3132A，灭磁时间按转子电流等于零来确定是4.68秒。

九、结论
（1）700MW水轮发电机发生三相短路，对定子线棒和汇流环冲击很大，造成变形、错位、断裂、开焊，引起多点烧伤和烧熔。

转子磁极过压放电。

但在励磁装置正常情况下，三相短路所引起的铁芯破坏不大，而铁芯损害很难处理。

因此，灭磁安全比灭磁快速更为重要。

（2）该三相短路的转子电流最大值为11628A，66毫秒后灭磁开关开始跳闸，此时已经衰减为6000A。

再经过15毫秒，灭磁开关彻底分断。

此前9毫秒，发电机出口断路器已经断开。

可见，发电机三相短路后的转子电流衰减很快，这对于灭磁仿真计算和灭磁设计计算有一定的参考价值。

另外，建议发电机三相短路灭磁时间应以10%额定励磁电流作为判断标准。

（3）正常情况下，本次三相短路按照短路电流衰减到零的灭磁时间为2.3秒，但是由于三相短路造成线棒和汇流环多点破坏，延长了短路电流的衰减速度，按照分支短路电流下降零定义的灭磁时间为4.78秒，大大小于励磁厂家保证的最严重工况灭磁时间不大于8秒的技术规范。

（4）该励磁系统在发电机三相短路中经受了巨大考验，安全可靠的灭磁设计和灭磁设备，特别是CEX98双断口灭磁开关安全性得到考验。

如果将SiC灭磁电阻换成ZnO，灭磁时间会减少30%，可以减少短路点后期的烧熔程度，但不能阻止短路点产生烧熔现象，无法减轻三相短路电磁破坏力。

参考文献
（1）陈小明、胡先洪，三峡励磁系统交直流灭磁原理分析，水电厂自动化，2006/4 （2）陈小明、胡先洪等，国内外大型灭磁开关结构评价，大电机技术，2004/4
（3）陈小明，章俊等，三峡左岸电厂励磁装置灭磁时序分析，水电厂自动化与大坝监测.2005/2
（4）李基成，大型水轮发电机组励磁系统设计新理念，水电厂自动化，2007/1
（5）上海ABB工程公司等，黄河拉西瓦水电站静止励磁系统计算书
（6）TGHP电气部等，700MW发电机内部故障简要报告，2006年
作者简介
关杰林，男，高级工程师（教授级），从事水电厂生产技术管理工作。

陈小明，男，高级工程师，从事水电厂励磁设备检修与维护工作。

朱梅生，男，高级工程师，从事水电厂继电保护检修与维护工作。

邵秋奎，女，高级工程师，从事水电厂生产技术管理工作。