一起水轮发电机失磁保护动作原因分析及处理

苏有权（国家电网东北分部太平湾发电厂，辽宁 丹东 118000）

一起水轮发电机失磁保护动作原因分析及处理

苏有权
（国家电网东北分部太平湾发电厂，辽宁 丹东 118000）

摘要：继电保护装置正确动作是保证电网安全稳定运行的关键，尤其是特殊原因导致保护动作，更需要准确快速地查清动作原因，以最快的速度恢复设备运行[1]。本文介绍了某发电厂2号机厂高变故障导致1号机失磁保护动作的经过及详细分析过程，针对这一特殊故障，查明了动作原因，并根据现场实际情况采取了相应的处理措施,确保了发电机励磁系统的稳定运行,提高了发电机安全运行的可靠性。

关键词：故障；失磁；动作；分析

0　引言

某电厂共装有4台轴流转浆式水轮发电机，发电机额定电压10.5kV，单机容量4.75MW,总装机容量19MW,在系统中担任调峰、调频和事故备用任务。某日，2号发电机厂高变发生故障，但在2号发电机厂高变跳闸过程中，1号发电机失磁保护动作跳闸，本文对1号发电机失磁保护动作原因进行了详细分析，查明了故障原因并采取了防范措施。

1　故障前运行方式

故障前，1号、2号发电机均并网发电，1号发电机带有功4.6MW、无功2.1MW,发电机电压10.3kV，2号发电机带有功4.5MW、无功2.3MW，发电机电压10.4kV，1号、2号机变组各带1台6.3kV厂高变运行。发电机主接线方式如图1示：

图1系统主接线图

2　故障经过

3　发电机励磁方式及保护原理

3.1发电机励磁方式

1号发电机励磁系统为带励磁机的两级励磁方式，励磁机采用正、负绕组并列工作方式，同名端极性相反，用来实现发电机的增磁和减磁操作；励磁装置采用两组绝缘栅双极型大功率晶体管IGBT，其输出电流分别对应励磁机的正、负绕组；配置了A、B两套互为冗余的励磁调节器，可实现手动、自动不同运行方式的切换和操作；配置一套过电压保护装置和一套灭磁装置，其励磁原理如图2示。

发电机正常运行时，两套调节器并列运行，每套调节器均能满足包括强励在内的发电机各种运行工况对励磁的要求。正常情况下正组IGBT工作，其电流输出至励磁机定子线圈，因励磁机和发电机同轴，随着发电机的转动，励磁机转子中感应出交流电，经换向器换向后变为直流电[2]，再加至励磁机定子线圈进行自放大，同时将放大后的电流加至发电机转子线圈，随着发电机转动，带动转子磁极转动，便在发电机定子中感应出交流电。励磁机定子中正绕组和反绕组极性相反，当发电机需要减磁时，反组IGBT工作，减少发电机励磁电流，实现发电机增减磁功能。

图2励磁原理图

3.2发电机失磁保护原理

发电机失磁后或在失磁发展过程中，机端测量阻抗要发生变化，失磁后机端测量阻抗的变化是失磁保护的重要判据[3]。1号发电保护装置为DGT801型微机保护，其失磁保护采用阻抗原理的动作逻辑，由阻抗判据、转子低电压判据、机端低电压判据和过功率判据构成。保护输入量有：机端三相电压、发电机三相电流和转子直流电压。正常运行时，机端测量阻抗在第一象限（滞相运行）或第四象限（进相运行）内，发电机失磁后，机端测量阻抗的轨迹将沿着等有功阻抗圆进入动作边界圆内，失磁保护即会动作。为提高保护动作灵敏性，现场整定的阻抗圆动作边界为过原点的下抛圆。

4　失磁保护动作原因分析

为确定1号机组失磁保护动作原因，首先需检查保护装置和励磁装置动作性能。

影响伤口愈合的主要局部因素包括组织活力、愈合环境、感染三方面。剖宫产术后要保持引流通畅，一般在术后第10天停止引流，术后14天直接闭合，就诊第19天伤口愈合。

4.1保护装置试验

4.1.1保护定值检查

核查装置保护定值，确认和定值单所给定值一致，保护定值如表1所示。

4.1.2动作报告检查

打印保护动作报告，查明保护动作参数，动作报告记录的保护参数如表2所示。

表1失磁保护定值

表2失磁保护动作参数

4.1.3失磁保护阻抗动作特性

根据失磁保护动作特性和保护定值，现场整定的失磁保护阻抗圆动作特性如图3所示。

图3失磁保护阻抗圆

从失磁保护动作参数可以清晰看出，故障时机端测量阻抗轨迹已进入失磁保护动作区，失磁保护应该动作。

4.1.4动作结果分析

从动作报告可以看出，保护动作时发电机定子电流增大，达到7.4A且超出额定值（二次5A）,无功反向，发电机进相运行，所有现象均是发电机失磁的典型表征，并且转子电压由正常运行时的300多V降低至保护动作时的32V，保护所测到的机端电阻和电抗值均小于保护定值，机端测量阻抗已越过静稳边界阻抗圆进入异步边界阻抗圆，说明发电机确实失磁，所以基本排除了失磁保护误动的可能。但因励磁装置不能记录故障当时发电机有关工况参数，没有数值和保护记录的数值对照，故决定对保护装置进行加量试验，以确保保护装置不是误动。利用继电保护试验仪向保护装置中通入模拟电流和电压，采集保护动作开关量，采用失磁保护测试菜单，由试验仪自动对失磁保护进行试验，失磁保护动作正确，自动绘制的失磁保护阻抗圆动作特性如图4所示：

图4检验时绘制的失磁保护阻抗圆

从试验可以看出，试验所得的失磁保护阻抗圆和保护定值完全一致，综合保护动作数据，可以确定失磁保护动作正确，排除了保护误动的可能，继而转向对励磁系统进行检查。

4.2励磁系统主回路检查

1号发电机故障时，励磁装置未有任何故障信息，在不确定失磁原因的情况下，先对励磁主回路进行检查。对励磁装置输出至励磁机定子回路以及励磁机转子输出至发电机转子回路的主回路进行绝缘测量、直阻测量及其他高压试验，试验数值均在合格范围之内，说明励磁主回路不存在问题。发电机转子及励磁机试验数据如表3、表4所示：

表3发电机转子试验参数

表4励磁机试验参数

从试验数据可以看出，发电机转子和励磁机的试验数据和上次试验基本没有差别，个别数据有差别是试验仪器和试验人员操作等方面引起的误差，数据在合格范围之内。因此，排除了励磁装置输出至励磁机定子回路以及励磁机转子输出至发电机转子回路之间设备故障的可能。由此可以确定，发电机保护装置和励磁系统主回路正常，故重点对励磁装置进行检查。

4.3励磁装置检查

因1号发电机失磁保护动作时2号发电机厂高变发生短路故障，会导致1号发电机出口电压严重降低（从录波分析，出口电压降至50%以下），定子电流增大，引起发电机无功功率变化，发电机强励会动作。综合分析整个动作过程，可能存在的原因是励磁装置本身强励功能不正确动作导致发电机失磁，故首先对励磁装置强励限制功能进行全面检查。

4.3.1强励限制检查

发电机强励对保证发电机有功功率送出以提高暂态稳定性和维持系统电压水平以提高电压稳定性有重要作用[4]。强励顶值限制是当励磁系统强励时，限制励磁电压（或励磁电流）的顶值倍数，以保护发电机（励磁机）转子的绝缘及发电机的安全。主要采用反时限限制曲线，目的是为了保证转子绕组的温升在限定范围之内，不因长时间强励而烧毁。励磁装置中使用的强励特性曲线如图5所示。

图5强励反时限曲线

其中If为强励顶值时的励磁电流标么值，现场定值设定为2，即在强励2倍时允许强励时间为10s；Ify为允许长期连续运行时的励磁电流标么值，现场定值设定为1.1，即在1.1倍额定电流条件下允许长期连续运行。通过验证，励磁装置强励限制功能正常。

4.3.2小电流开环试验

在励磁主要回路和功能检查均未发现异常的前提下，为进一步查明失磁保护动作原因，决定对励磁装置进行小电流开环试验，即将调节器的输出回路与发电机的励磁系统断开，用一小阻值大瓦数的电阻接入调节器的输出回路做负载，用于检查IGBT的完好性。可靠连接完试验回路后，利用手动方式操作励磁调节器缓慢输出，并测量IGBT输出波形，发现正组IGBT无输出波形，确定正组IGBT存在故障，随即对IGBT回路进行检查。

该型励磁装置采用的功率元件为IGBT开关管，即绝缘栅极双极型晶体管，它可在高电压下导通，并在大电流下关断[5]，其驱动、吸收电路经过特殊设计，但IGBT的关断操作将导致IGBT的集电极和发射极之间产生尖峰电压，损坏IGBT回路，为了解决此问题，设计时采用了缓冲保护回路，如图6示。

图6IGBT保护回路

检查时，用示波表测量1号发电机正负绕组IGBT-CE两端波形，发现正绕组IGBT两端波形尖峰较大，开关管关断过电压最高为800V左右，经过进一步检查发现正绕组IGBT-CE两端阻容吸收回路电容C2漏液，说明故障时阻容吸收回路没有正常工作，没有限制IGBT的集-射极之间的冲击尖峰电压，实际此电压达到800V。随后，对缓冲网络的中快速二级管1、2进行反向耐压试验，其能承受的耐压值最高不足800V，而其设计标称耐压反向电压值为1200V，实测值远小于设计额定值。

5　结论

从此次故障可以看出，1号发电机失磁保护动作是一起典型的励磁装置元器件质量不合格造成的发电机跳闸事件，因此，在确保励磁装置正常运行的各环节中，不仅要在设计制造环节保证元器件选择正确、质量可靠，也要在现场投运前对重要元器件进行性能复测检查，确保整套系统使用优质可靠的元器件，满足电网各种工况下对励磁系统的要求，有效保证发电机和电网的安全可靠运行。

参考文献：

[1]贺家李．电力系统继电保护原理[M]．4版．北京：中国电力出版社,2010．

[2]王君亮．同步发电机励磁系统原理与运行维护[M]．北京：中国水利水电出版社,2010．

[3]张辑,刘亚,张明．发电机失磁保护异步阻抗动作值校验的几种方法[J]．电机技术．2009(4)：63-64．

[4]吴跨宇,周平,高春如,等．基于空载误强励灭磁对发电机过电压保护整定的研究[J]．电力系统控制与保护,2011,39 （2）：98-101．

[5]张月梅,黄建国,张羽丰．影响IGBT驱动电路性能参数的因素分析[J]．电子元器件应用,2010,12（12）：88-91．

中图分类号：TM312

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2015）03-0052-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.016

收稿日期：2014-12-09

作者简介：苏有权（1981-），男，工程师，从事电力系统及其自动化工作。