发电机逆功率保护

某汽轮发电机逆功率停机录波分析

(2013-01-14 20:12:10)

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某大型汽轮发电机，正常运行发出有功和无功。正常停机，首先将有功和无功减到零附近，然后关闭汽轮机主汽门，并且利用主汽门辅助接点启动发电机逆功率保护，按照程序跳闸逆功率保护逻辑分断发电机出口断路器，再分断发电机灭磁开关，其全过程录波图如下，录波量共用15个，从上到下分部是：发电机定子电压B相和C相，发电机定子电流ABC三相，励磁变压器低压侧电流ABC三相，发电机转子电压，发电机转子电流，发电机频率，发电机出口断路器位置，发电机失磁保护报警信号、发电机程跳逆功率信号、发电机灭磁开关位置。

所谓逆功率保护，是防止同步发电机进入同步电动机状态的一种保护，其主要保护对象是原动机，整定值是发电机从系统吸收了一定数量的有功。单纯的逆功率保护，水轮发电机也配置，且整定值比汽轮机小，延时也比汽轮机小。但是，程序控制跳闸的逆功率保护只有汽轮机有，是一种利用汽轮机主汽门辅助接点启动发电机逆功率保护动作，整定值比单纯的逆功率保护小，延时时间也短很多的汽轮机停机过程控制器逻辑。按照这个程序逻辑，当发电机从发电状态进入电动机状态，吸收的有功大于整定值后，程跳逆功率保护动作（14录波量0变1），13.4ms后断开发电机出口开关（12录波量1变0）。此时，励磁变低压侧电流波形消失（6-8录波量），表明励磁整流柜的脉冲被闭锁，三相晶闸管整流电路不再换相，原来导通的晶闸管继续导通，没有导通的不再导通，转子电流（10录波量）经晶闸管和励磁变低压侧续流导通，慢速衰减，转子电压（9录波量）也跟着慢速衰减，发电机频率（11录波量）也开始慢速下降，发电机失磁报警始终没有动作，表示发电机只是有功反向，无功没有反向。

由于发电机吸收了超过整定值的逆功率，发电机定子电流较大，尽管发电机出口断路器开始分断，但是需要一定的时间才完全到位，分断瞬间会产生电弧，发电机定子电流不会马上切断，即便经过1或2个自然过零点定子电流等于零，但是灭弧室的去游离作用还不强，定子电流会因电弧的重燃而再次产生，但是幅值已经开始变小。经过21.6ms后，定子电流才真正分断，发电机出口才真正断开，此时，发电机转子电压开始突降到零，而转子电流几乎

没有改变下降速率。从程逆功率保护动作，到发电机定子电流分断共用了35ms，动作速度较快。至于发电机转子电压波形的突然降到0，缺少分析材料，无法判断其原因，估计是该测点突然没有了，真正原因有待读者进一步探讨。

在发电机出口断路器分断182.8ms后，发电机灭磁开关才分断，此时发电机电压已经只有90%额定电压，转子电流依然还比较大，此后66.6ms后转子电流开始下降，这说明灭磁开关开始起作用了，但是66.6ms不能说明问题，因为转子电流变送器滤波时间常数的关系，此时的测试时间意义不大。但是足以说明，灭磁开关跳闸，迫使转子电流换流到灭磁电阻回路快速消耗下降。如

果此时转子电压测点正确，转子电压应该快速的变为负值，该值等于灭磁电阻两端的电压。在发动机出口断路器分断182.8ms才分断灭磁开关，这里面有逻辑控制时间，时间的设定缺少依据。如果是事故跳闸，这个时间太长。一般来说，保护动作同时启动发动机出口断路器和灭磁开关，灭磁开关只比断路器晚及十个毫秒ms，不会是一百多毫秒。水电机组的灭磁开关只比断路器晚10-20ms，以保证灭磁的快速性。

当灭磁开关断开后18.2ms，程跳逆功率保护信号才返回。整个保护动作信号持续了214.4ms，保证了发动机出口断路器和灭磁开关的可靠分断。从程逆变保护动作，经过3.6秒后，发动机电压还有23%额定电压。尽管发动机电压只有23%，但是转子电流

波形显示还较大，非常诡异的是，在1.8秒后转子电压又开始往上升。这是无法用正常的分析思路进行解答的。需要指出的是，故障录波测量转子电压是不能采用滤波的，转子电流测量需要滤波。

相比之下，水轮发电机正常停机流程就简单的多：首先降低发电机出力，将发电机有功和无功减到一定值后，断开发电机出口断路器，然后关水轮机导叶，励磁系统逆变灭磁。灭磁结束后，有的励磁系统断开灭磁开关，有的不断开灭磁开关，流程简单，对出口断路器和灭磁开关的损坏最小，非常好的正常停机流程。

据说，以前汽轮发动机也是采用水轮发动机这种常规停机流程：待发电机有功降到零、无功接近于零时，拉开发电机出口开关、汽轮机打闸关自动主汽门。据说，现在依然有汽轮发动机还在采用水轮发电机这种停机流程。但是由于汽轮机存在自动主汽门、调节汽门或抽汽逆止门关不严而继续向汽缸返汽，导致机组超速飞车；或关自动主汽门时由于卡涩实际没有关死而其终端误发信号解列发电机，导致飞车。于是。《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》中第9.1.6规定：“正常停机时，在打闸后，应先检查发电机有功功率是否到零，千瓦时表停转或逆转以后，再将发电机与系统解列，或采用逆功率保护动作解列。严禁带负荷解列。”于是，一种利用发动机逆功率保护的程序逆功率保护跳闸方式形成：待发电机有功降到零、无功接近于零时，汽机打闸、由热工保护（借助自动主汽门终端开关闭合信号）

动作联跳发电机出口开关。

尽管由主汽门的辅助接点去启动程序跳闸逆功率保护，可解决汽轮机超速的问题。但是也带来发动机出口断路器和灭磁开关经常带负荷分断的问题，巨大的电弧影响断路器和灭磁开关触头，影响设备寿命。另外，每次停机都出现逆功率，其逆功率运行的危害是使汽轮机转子部分寿命缩短。

我这里并不评价这种程跳逆功率停机的利弊，只是想通过波形分析来解答我的励磁朋友小高的疑惑，尽管他的疑惑问题我没有直接解答，我只是按照我的分析进行梳理，因为我要通过这种分析来思考这一问题。我很早就关注汽轮发电机程序跳闸逆功率跳闸的问题，很多人问过我类似问题。特别是一些电厂因为灭磁开关反复动作而损害，我建议在汽轮机打闸很可靠的情况下，不要采用这种停机方式。另外，上述录波所变现的时序并不合理，可能是我了解的情况并不完整。本文抛砖引玉，希望大家在此留言讨论，或在我的QQ中留言讨论。