水轮发电机失磁保护动作的故障分析_牟明

安全责任 重在落实
23
80.66 ∠ 123°
80.35 ∠ 243°
80.66 ∠ 123°
AB
高压侧线 电压，V
BC
CA
104.33 ∠ 249° 103.54 ∠ 128° 103.50 ∠ 9°
104.33 ∠ 249° 103.23 ∠ 203° 103.19 ∠ 84°
AB
中性点电 流，A
BC
CA
7.33 ∠ 326° 7.19 ∠ 205° 7.19 ∠ 87°
PT 断线闭锁投退
1
延时 t1 延时 t2 延时 t3
1 s 0.5 s 0.5 s
表 2 第 1 套发电机失磁保护动作报告数据
第 1 套发电机失磁保护 第 1 套发电机失磁保护
动作报告 1
动作报告 2
机端电 AB 压，V BC
82.84 ∠ 303° 82.50 ∠ 183°
80.67 ∠ 123° 82.30 ∠ 3°
电力安全技术
测到 2 号机处于失磁运行状态，并且动作切除运行， 为失磁保护正确动作。
表 3 第 2 套发电机失磁保护动作报告数据
机端电 压，V
第 2 套发电机失磁保护 动作报告 1
AB
82.78 ∠ 288°
BC
82.51 ∠ 168°
CA
82.78 ∠ 48°
第 2 套发电机失磁保护 动作报告 2
Βιβλιοθήκη Baidu
录波中的电流特征，即：线路保护对侧 C 相故障电 流比本侧 C 相故障电流提前 10 ms 出现，但是对侧 保护采集的故障电流提前 30 ～ 40 ms 消失；母线差 动保护甲线电流比其他支路电流提前 10 ms 左右出 现，但是甲线电流比其他支路电流提前 30 ～ 40 ms 消失。因此，该故障点位于母差保护 TA 与开关断 口之间的线路侧，10 ms 后甲线本侧开关 C 相断口 击穿，造成甲线线路保护与 I 母母线差动保护均动 作的事故。
收稿日期：2014-01-09。 作者简介： 杨 松 (1977-)，男，高级技师，主要从事电力系统继电保护 与检修工作，email：187360816@qq.com。 张永生 (1981-)，男，工程师，主要从事电力系统继电保护与 检修工作。
21
电力安全技术
第 16 卷 (2014 年第 6 期 )
1 故障现象
19:00，网调令 2 号机开机，有功功率 80 MW， 无功功率 6 Mvar。
19:03，2 号机出口开关 6412 与系统并列。 19:38，中控室故障警铃响，模拟屏上 2 号机 “电气事故”、“机械事故”、“机械故障”光字牌亮；
上位机先后出现如下报警信息：“2 号机发变组保 护故障”、“2 号机励磁调节器退出 ( PLC 令)”、“2 号机停机联跳断路器 6412”、“2 号机冗余机电源 消失”、“2 号机电调故障”、“2 号机励磁过压”、“2 号机调速器故障”、“2 号机紧急停机动作”、“2 号 机启动紧急停机电磁阀”及“2 号机 115 %Ne”报警。
7.84 ∠ 45° 7.71 ∠ 284° 7.69 ∠ 165°
动作时间
1 005 ms
1 007 ms
动作时刻
2011-08-11T19:37:31:680 2011-08-11T19:37:31:142
动作后果
发信号
停机
表 4 2 号机带负载时低励失磁保护实时数据
相别
AB
BC
CA
机端电压，V 96.36 ∠ 206° 95.88 ∠ 086° 96.25 ∠ 326°
19:41，监视 2 号机停机过程，待机组转速降 至 20 %Ne 时，手动投风闸将机组停至稳态。
19:50，对 2 号机发变组一次电气部分进行全 面检查，未发现有短路接地痕迹；对 2 号机励磁调 节器及出口 PT( 电压互感器 )，CT( 电流互感器 ) 的 一、二次部分也进行了全面检查，未发现异常现象。
I a，b
I/V
机端电流
U a，b，c 机端电流
V/V
3U a
V/V
机端电流
U fd 励磁电压
DC/DC
U a，b，c
V/V
系统电压
静稳扇形 Z＜Zset I ＞ Iset
PT 断线
Ufd ＜0.8Ufd0
Ut ＜ 0.8Utm
&
t1 失磁信号
PT 断线信号
& t2
跳闸
≥1
& t3
图 1 失磁保护逻辑原理
参考文献：
1 葛元宝．发电机失磁保护和励磁调节器低励限制之间的 配合问题 [J]．安徽电力，2006(9).
2 阳春华．更换主励刷误碰正负两极导致失磁保护动作停 机 [J]．电力安全技术，2011(11)．
收稿日期：2014-01-14。 作者简介： 牟 明 (1983-)，男，助理工程师，主要从事水电厂运行工作， email：mumingmm@163.com。
7.84 ∠ 165° 7.70 ∠ 44° 7.68 ∠ 285°
动作时间
1 001 ms
1 007 ms
动作时刻
2011-08-11T19:35:19:374 2011-08-11T19:35:19:843
动作后果
发信号
停机
综合上述情况分析，可以得出：该保护装置检
22
第 16 卷 (2014 年第 6 期 )
导致发电机电压持续上升。 B 套调节装置按照电压闭环计算，随着电压
上升，向脉冲发生器输出的触发角度也不断增大。 由于可控硅整流桥在 0°～ 90°是整流状态，大于 90°后开始进入逆变状态。在整流阶段，励磁电 流不断增加，无功功率从正常的 6 Mvar 先突变至 16 Mvar，最高值为 32 Mvar；进入逆变阶段后， 励磁电流不断减小，调节系统开始减磁，无功功率 一直下降到 -56 Mvar，调节器装置开始出现“欠 励报警”、“欠励限制”报警，发电机阻抗进入到失 磁保护动作阻抗圆内，经 1 s 后，满足失磁保护动 作停机的条件。
高压侧线电压，V 105.27 ∠ 168° 104.61 ∠ 048° 104.59 ∠ 289°
中性点电流，A 5.12 ∠ 203° 5.03 ∠ 082° 4.96 ∠ 324°
2.2 励磁系统低励限制动作原因分析 工作人员通过后台数据分析发现，在失磁保
护动作的前 2 s 内，机组无功功率从正常的 6 Mvar 先突变至 16 Mvar，最高值为 32 Mvar，又在 1 s 内下降至 -56 Mvar，属于严重进相。对励磁调节 器检查后，工作人员发现故障原因为 A 套 CPU 故 障，这是由于励磁调节装置运行时不断向脉冲发生 装置内写入脉冲触发角度。事故时，作为主用的 A 套励磁调节器的 CPU 瞬时故障，程序运行死机。 在程序死机时，向脉冲发生装置输出一个很小角度 或者触发角度为 0°的信息。由于程序已死机，不 再向脉冲发生装置输入触发角度，因此脉冲发生装 置保存的触发角度一直是程序死机前输入的很小角 度，所以 A 套可控硅整流桥一直处于全开放状态，
2 原因分析
通过查看系统故障录波电压，发现当时系统电 压没有突变，与调度人员沟通后了解到当时电网稳 定无故障。因此，可以排除由系统原因导致 2 号机 励磁调节器欠励引起失磁保护动作。下面从保护装 置和励磁系统 2 个方面进行分析。 2.1 失磁保护动作报告分析
在此次事故之前，2 号机组发变组故障录波因 故障退出运行，无法读取事故时的相关数据。下面 从保护装置的失磁保护逻辑原理进行分析，如图 1 所示。
CA
82.69 ∠ 63°
80.51 ∠ 243°
AB 高压侧线 电压，V BC
104.23 ∠ 264° 103.56 ∠ 144°
103.92 ∠ 864° 103.25 ∠ 323°
CA
103.49 ∠ 24°
103.18 ∠ 204°
AB
中性点电 流，A
BC
CA
7.33 ∠ 342° 7.19 ∠ 221° 7.17 ∠ 102°
该保护采用的动作判据有静稳扇形 Z 元件和 定子过电流元件、励磁低电压 Ufd 元件以及系统三 相低电压 Ut 元件。静稳扇形 Z 元件和定子过电流 元件用于判别失磁后的发电机机端测量阻抗是否越 过其阻抗平面上的静稳极限；引入励磁低电压 Ufd 元件用于判断在发电机失磁时其励磁电压及励磁电 流是否下降；引入系统三相低电压 Ut 元件用于防 止当发电机失磁后系统电压严重低于允许值，避免 系统失去稳定。
事后工作人员对 GIS 筒体进行解体检查，发 现故障的根本原因为：甲线线路遭受雷击，避雷器 残压过高，造成筒体内气体绝缘被击穿，最终导致 甲线 C 相接地并引起甲线本侧开关 C 相断口击穿， 此时线路保护及母差保护都是正确动作。
3 结束语
在本次事故中，故障录波图在故障分析中起了 重要作用，通过对线路保护装置录波及母差保护故 障录波图的综合分析，推理判断出故障点的所处理， 为故障处理提供很好的参考。
发电机低励失磁保护定值如表 1 所示。由 2 套 WFB-800 装置的第 1 套及第 2 套保护动作报告可
知 ( 见表 2，3 )：当失磁保护动作时，机端线电压 约为 80 V，定子线电流约为 7.7 A，电压及电流三 相平衡，相位正确，且电流超前电压 39°，系统电 压约为 104 V。而 2 号机正常带额定负荷运行时， 保护装置采集到的相关参数数值 (见表 4 ) 显示：机 端线电压约为 96 V，定子线电流约为 5 A，且电压 超前电流为 3°。由此可见：在失磁保护动作时刻， 机组处于进相 39°运行状态，且机端线电压由正常 运行时的 96 V 降至 80 V，定子线电流约由正常运 行时的 5 A 增至 7.7 A，系统电压约由 105 V 降至 104 V，此时机组处于失磁运行状态，机端测量阻 抗为 10.4 ∠ -39° Ω，位于静稳定阻抗圆内，机端 电压低于闭锁值，开放闭锁条件，满足失磁保护动 作出口条件。
〔关键词〕励磁调节器；励磁限制；失磁保护；CPU 故障
某水电站装有 2 台单机容量为 80 MW 的水轮 发电机组，发变组配置了双套 WFB-800 系列微机 保护装置。励磁调节器型号为 GEC-300，采用双 套配置。运行时，1 套主用，另 1 套备用，2 套并 列运行，完全独立。当主用发生故障时，励磁调节 器自动切换为备用。
第 16 卷 (2014 年第 6 期 )
电力安全技术
水轮发电机失磁保护动作的故障分析
牟明
(吉林松江河水力发电有限责任公司，吉林 白山 134500)
〔摘 要〕介绍了一起机组失磁保护动作的事故，从故障现象入手，对保护装置和励磁系统 2 个方面进行了分析，找出了事故最终原因为机组励磁调节器 CPU 故障，最后强调了励磁限制和失磁 保护的配合关系对保证机组安全稳定运行的重要性。
19:39，运行人员就地检查发现 2 号机旁发变 组保护屏上有“低励失磁保护 t1 动作”、“低励失 磁保护 t2 动作”报警；常规机械保护屏 JP9 上“机 组电气事故信号继电器 42XJ”掉牌；2 号机电调 屏 JP2 有“冗余机大故障”“、冗余机小故障”及“调 速器故障”报警；励磁调节器屏 LP1 有“欠励”报警、 “欠励限制”报警；2 号机灭磁开关屏 LP5 有“过 电压动作”报警；机调柜内紧急停机电磁阀动作。
3 结束语
发电机组失磁是极为严重的故障，因此励磁系 统均配有备用通道、故障监测及自动切换系统等保 护措施。在正常情况下，一般不会造成发电机失磁 的事故。一旦出现失磁现象，说明励磁系统已发生 较严重的故障，多个通道或检测系统均已不能正常 工作。另外，要充分考虑机组运行时最大的进相深 度，合理设置机组励磁限制与相关保护的整定参数， 确保机组低励限制应先于失磁保护动作，只有在低 励限制失效的情况下，机组失磁保护才动作。
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
表 1 发电机低励失磁保护定值
名称
定值
静稳定动作阻抗 Z1A 静稳定动作阻抗 Z1B 静稳定动作阻抗 Z2A 静稳定动作阻抗 Z2B
系统低电压
1.39 Ω 24 Ω 1.39 Ω 19.6 Ω 90 V
机端闭锁过电压
105 V
机端过电压保持时间
6 s