发电机断水保护动作出口延时的探讨

吴彦龙，肖尚浩，张尊华，陈基顺

（1.广东省粤电集团有限公司珠海发电厂，广东 珠海 519000；2.中国南方电网珠海分公司，广东 珠海 519000）

发电机断水保护动作出口延时的探讨

吴彦龙1，肖尚浩1，张尊华1，陈基顺2

（1.广东省粤电集团有限公司珠海发电厂，广东 珠海 519000；2.中国南方电网珠海分公司，广东 珠海 519000）

针对2起定冷水泵跳闸导致发电机断水保护动作，直接造成发电机组跳闸事故，根据定冷水系统运行设置的参数以及发电机断水保护动作记录，分析断水保护动作过程中定冷水量、定子绕组温度、定子水出口温度等变化情况，探讨保护出口延时设置上存在的问题，提出发电机断水保护应加长动作出口延时的建议，并进行了相关的论证。

定冷水系统；断水保护；延时；保护动作

0 引言

发电机定冷水系统是冷却发电机定子载流部件的独立系统，用来保证发电机运行期间定子绕组温度在规程规定限额内运行。

当前，大型发电机大都采用水直接冷却定子绕组运行方式，大大改善了发电机的散热性能，提高了发电机的单机容量。因此，定冷水系统保护设置是否合理，运行是否正常，将直接影响发电机的安全和运行寿命。

1 定冷水系统概述

某电厂1，2号机组发电机由美国西屋公司制造，额定功率746 MW，出口电压22 kV，冷却方式为水-氢-氢。

该发电机的定冷水系统设置2台定冷泵，1台泵可满足机组满负荷的冷却水量，另1台备用。定冷水箱的水由定冷泵升压，通过母管再循环手动阀将泵出口压力调整在650 kPa左右。当运行泵进、出口压差低于141 kPa或定冷泵电气故障时，备用泵自启。

系统运行中，定子水差压（即定子线圈进出口集水管压差）约230 kPa。定冷水保护设置为：如果发电机电流大于3 750 A（15 %额定负荷），当定子水差压小于152 kPa（信号3取2）时，将触发发电机断水保护，经2 s延时动作跳发电机。

2 定冷水系统事故过程

2.1 事故1

2009-01-21T11：28：28，电厂1号机组发生厂用电400 V MCC 1B11母线失压，1 A定冷泵电机开关欠压脱扣保护动作跳闸，定子水差压小于152 kPa。

11：28：30，发电机断水保护动作，出口跳发电机，同时1B定冷泵启动成功。

11：28：32，定子水差压大于152 kPa，定子水差压低报警复位。

2.2 事故2

2014-02-15T17：55：50：53，220 kV系统故障，2号机组2B定冷泵跳闸。

17：55：50：78，定子水差压小于152 kPa；T17：55：51：93，A，B定子冷却水泵启动。

17：55：52：83，2号发电机跳闸。

17：55：52：91，定子水差压小于152 kPa信号复位。

3 定冷水系统事故分析

这2起发电机断水保护动作出口，均是因电气母线失压（或低电压）引发定冷泵跳闸造成的。

根据故障录波器的录波图分析，事故2是因为电网系统发生严重的三相短路。220 kV系统电压由220 kV降至110 kV左右，故障持续时间长，失压约520 ms，对发电机组厂用电系统造成很大影响。电厂400 V MCC负荷断路器为空气开关组合装置，设置有低电压保护。当母线电压降低至294 V（约70 % Ue）时，接触器自动脱扣；当电压回升至311 V（74 % Ue）时，接触器自动吸合，电机恢复启动。由于这次系统电压降幅较大，持续时间较长，因此400 V MCC母线上很多负荷开关自动脱扣，造成设备短时间的停运。

因母线电压下降，备用定冷泵2A的联动也因此延缓，1.4 s后才和2B定冷泵同时启动，加之2台泵并列运行定冷水系统重新建立压力需要1 s，因此从定冷泵跳闸后到系统建立压力所需的时间为2.4 s。

当定冷泵跳闸后，定子水差压下降很快，约0.3 s后定子水差压低报警，经2 s延时触发断水保护出口，从泵跳闸到保护出口约有2.3 s。因该时间短于定冷泵启动后重新建立压力的时间，故保护出口成功。但是，从泵跳闸后到发电机跳闸的整个过程中，没有定冷泵进出口差压低于141 kPa的报警出现。

定冷泵2次跳闸，备用定冷泵均启动，定冷水系统很快恢复正常，因此定冷水并没有真正意义上的断水。在定子绕组不发生超温情况下，更不应该让断水保护动作出口跳闸。但事实上2起断水保护都先于定冷水系统恢复前动作出口跳发电机，时间差在2次跳闸记录中都不超过2 s。

4 增加定冷水断水保护延时出口时间

经过分析，2起事故都是发电机断水保护的出口延时设置过短造成的。因此，有必要对在定冷水断水保护出口增加延时的必要性、可行性和合理性进行探讨。

4.1 必要性

4.1.1 定冷泵进出口差压联动备用泵设定值过低且建立压力需要时间

该厂发电机定冷水虹吸管与定冷泵的高度差约15 m。这说明在定冷泵跳闸停运时泵进出口差压至少仍有150 kPa，因泵出口处有逆止阀，进出口差压下降靠母管的再循环管泄压，故压力下降偏慢。由事故报警记录可以看出：运行定冷泵跳闸后，到备用泵启动的2.5 s内，定冷泵进出口差压小于141 kPa报警始终没有出现，这说明定冷泵进口差压低联动备用泵的延时设定值明显过低，不符合保护设计的原意。况且，当一台定冷泵发生故障时，在备用泵启动后，建压至少需要2 s。

4.1.2 定子断水保护动作值与运行值的差值很小

定子水差压是根据发电机的氢/水差压和保证通过定子线圈所需的冷却水量来调整的。定冷水箱与大气的相对差压设定为15 kPa，发电机内氢气压力为520 kPa，氢/水差压规定大于35 kPa，算上发电机定冷水虹吸管与定冷泵的高度差，故定冷泵出口压力设定为650 kPa。在额定负荷下，设定定子水差压小于152 kPa时启动断水保护，满足定子线棒的必需冷却水量。

为了防止在定冷泵并列运行时定子水差压超过发电机氢气压力，正常运行时，定子水差压的实际运行值为220-230 kPa，与定子断水保护的动作值只有约80 kPa的差值，所以在定冷泵跳闸0.3 s后，就出现了定子水差压低报警。这说明设置的运行值与跳闸值两者之间的差值过小。

由于备用泵启动后建立压力需要时间，保护出口延时的时间又短，所以发生在断水保护保护出口后，定冷水才建压正常的情况。这就使定冷水的恢复已经失去了原设计的意义，造成了严重的机组跳闸事故。

基于以上分析，认为发电机断水保护出口加长延时是必要的。

4.2 可行性

从发电机铭牌得知，定子绕组为2个并联Y型联接，绝缘等级F级，定子绕组出水温度保证值59 ℃；定子绕组出水温度报警值80 ℃。该厂在规程上规定，当发电机定子线圈顶部与底部温差大于8 ℃或定子线圈出水温度大于85 ℃，定子线棒温度大于115 ℃时报警，应降低机组负荷；当定子线圈出水温度大于90 ℃，发电机非电气量保护启动跳闸；定子线棒温度大于125 ℃，且闻到焦味应紧急停机。

2014-02-15，2号发电机跳闸前，机组满负荷运行，当时定子线棒温度值为57.76 ℃，定子线圈出水温度为51.5 ℃。这说明运行温度值和规定的限制值及保护动作值有较大的温升裕量。温升是一个连续变量，不是突变量，温度上升至限制值需要一定的时间，这为发电机断水保护加长延时提供了可行性依据。

4.3 合理性

定冷泵跳闸后，将直接影响集水环和并行环的流量变化，并进一步影响定子线圈温度和定子线圈出水温度，相对应的测量参数也会发生变化。

通过事故2所记录的相关参数，发现定冷泵在跳闸到重新启动恢复系统压力正常的过程中，定冷水流量变化很小，集水环流量从1 928 L/min降至1 851 L/min，并行环流量从184 L/min降至179.8 L/min。查看发电机汽机端和励磁端共18个定子线棒温度测点、定子线圈顶部/底部共84个测点和定子线圈出水温度，也没有明显变化。从集水环和并行环流量变化趋势可得知，定冷泵停运后，虽然造成压力突降，但由于水流惯性，使流量呈现为渐降状态，可判断仍然有定冷水流过定子线圈。加上400 V MCC母线受干扰失压后马上恢复，2台定冷泵很快启动，建立压力时间很短，定冷水流量马上恢复，故发电机各温度测点并没有明显变化。这为定子断水保护出口加长延时提供了合理化依据。

从慎重和周全的角度考虑，定子断水保护动作出口前，应给予一定时间以判断定子水差压能否重新恢复正常，原因有如下2点：

（1） 如果机组厂用电系统发生异常，备用泵电源也受到干扰延迟启动，或者泵存在机械方面的问题，也会发生建压迟缓的情况；

（2） 定冷泵进出口压差和定子水压差是2个不同区域的压差配置，定子水差压建立于定冷泵启动正常且建压完成的基础上，时间上也存在滞后。

综上所述，适当加长断水保护出口时间具有事实上的合理性。

5 定冷水系统保护装置改进建议

为了解决定冷水系统保护设置上存在的问题，建议从以下几方面进行改进。

（1） 加长定冷水断水保护延时出口的时间。定冷水断水保护加长延时出口的时间有其必要性、可行性和合理性。结合国家有关发电机断水保护的动作时间规定，建议将发电机断水保护出口延时至5 s。如果考虑能提供操作员判断和处理的时间，可以进一步考证将发电机断水保护动作时间延长至15 s的可行性，以降低发电机跳闸的几率。

（2） 增加联锁备用定冷泵自启条件。定子水差压保护动作值设置为152 kPa，是保证定子绕组满负荷下的冷却水量，以不造成局部高温或线圈温差过大。但当发电机断水保护启动时，只反应定子水开始失压，有断水的危险，并没有考虑定冷泵的运行情况。如果是定冷水系统发生异常，出现泵断轴、泵出力下降等情况，导致定子水压差降低，定冷泵可能由于逻辑设置上的原因无法反应出定子水差压下降状况。因此，建议当发电机断水保护启动时，添加联锁定冷水备用泵启动的条件，以增加定冷水快速恢复运行的可靠性，降低断水保护动作出口的几率。

（3） 提高定冷泵进出口差压联锁启动备用泵的定值。系统设置定冷泵进出口差压小于141 kPa为备用定冷泵自启条件，该设定值明显偏低。从2起定冷泵跳闸引起发电机跳闸事故过程中看出，定冷泵进出口压差小于141 kPa的报警一直没有出现过，这使该保护设置失去应有的作用。定冷泵差压测点就在定冷泵进出口附近，当泵进出口差压低于141 kPa时，意味着定子绕组已经完全没有水流通过，在带负荷情况下，容易导致定子绕组温度飙升。当定冷水恢复后，绕组又迅速降温，温度的急剧变化容易导致金属疲劳，使绝缘材料变脆，降低发电机使用寿命。同时由于定冷水压降衰减较慢，备用泵启动时间长，对定冷水的恢复很不利，断水保护也可能已经提前启动出口，造成发电机跳闸事故。

因此应提高备用泵自启动的进出口差压设定值，考虑定冷水虹吸管与定冷泵之间的高度差和管阻，将泵自启值设置在380-400 kPa。该设定值不但能反映定冷泵因机械原因造成定冷水压力下降的问题，也能灵敏地反映定子水差压变化情况。

6 结束语

定冷水系统是发电机的重要辅助系统，该厂近几年发生的2起发电机断水保护动作事故，暴露了该厂定冷水系统存在较大的安全隐患。

事故2不能仅仅归结于电网的电压波动的影响，还反映出定冷水系统存在的不合理配置问题。针对该问题提出的改进方法，应尽快落实改进方案，以保障机组安全、可靠运行。

2015-12-20；

2016-04-16。

吴彦龙（1974-），男，工程师，主要从事机组运行管理，email：wuyanlong0233@sina.com。

肖尚浩（1977-），男，技师，主要从事机组集控运行管理。

张尊华（1984-），男，助理工程师，主要从事机组附属系统的监控、操作与管理。

陈基顺（1975-），男，工程师，主要从事变电站规划与运作、监控管理、电机性能检测工作。