发电机启励过程中出现定子电流的原因分析

姜春鹃　樊国强

摘 要：发电机定速至3000r/min，运行人员在DCS将进行合灭磁开关、启励升压操作，在此过程中，应密切监视发电机定子电压、定子电流、空载转子电压、空载转子电流，注意与平时启动时的差值应非常小，如大于10%则一定要进行分析，并找出发生异常的原因。在河曲电厂2017年4月2日1号机组在启励过程中通过监视，发现发电机定子电流异常增大，联系电气一次专业，了解到在机组检修期间，进行了主变压器绕组直流电阻试验后，未去磁或去磁不彻底，导致变压器铁芯存在比较严重的剩磁。文中介绍了因剩磁的存在，引起发电机过激磁保护动作，出现定子电流异常增大并产生畸变波形。最后，提出了消除剩磁的方法和注意事项。

关键词：启励；大容量变压器剩磁；发电机过激磁；定子电流

中图分类号：TM31 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）22-0132-03

随着电力系统的不断发展和单机容量的逐渐增大，在大机组的投运过程中，未免会出现一些新的问题。河曲电厂2017年4月2日1号机组在启励过程中定子电流异常增大现象。本文对这一问题进行分析，并提出解决方法。

1 神华国神河曲电厂发电机、主变压器、励磁系统概况

发电机采用东方电机股份有限公司生产的型号为QFSN–600–2–22B汽轮机直接拖动的隐极式、二极、三相同步发电机，水氢氢冷却方式，发电机定子铁芯是用相互绝缘的扇形片叠装压紧制成，扇形片采用高导磁低损耗的冷轧硅钢片冲制而成。

励磁采用ABB Unitrol 5000系统，励磁调节器为静止可控硅，机端自并励励磁方式。

发变组保护采用GE公司生产的G60发电机保护装置和T35变压器保护装置，配置一套武汉中元华电科技公司的ZH-3B故障录波装置。

主变压器采用保定天威电气有限公司生产的型号为DFP-240000*3/500的户外、双绕组、强油风冷单相油浸电力变压器。

发电机定子出线采用分相封闭母线与主变、高厂变、励磁变相连，中间不设断路器。

发电机技术参数

型式：全封闭、自通风、强制润滑、水/氢氢冷却、圆筒形转子、同步交流隐极发电机

型号：QFSN-600-2-22B额定功率：600MW

额定容量：667MVA 额定端电压：22kV

额定电流：17495A 功率因数：0.90滞后

短路比（保证值）：不小于0.58额定氢压/最高氢压：0.414 Mpa/0.45Mpa

效率（保证值）≥98.95%（在600MW、 0.9滞后功率因数时）

极数：2相数3 额定转速：3000r/min

额定频率：50Hz

冷却方式：定子绕组：直接水冷；定、转子铁芯及转子绕组：直接氢冷

绝缘等级定子绕组：F级；转子绕组：F级

不平衡负载能力：8%（持续） I22·t（最大暂态值）：10

定子冷却水进水温度：45℃ 定子冷却水出水温度：≤85℃

冷却后氢气温度：46℃

冷却器进水温度：对于氢冷器及定子水冷器均为最高33℃

定子绕组温度极限：≤120℃层间温差（最高值-平均值）：≤12℃

转子绕组温度极限：≤115℃定子端部结构件温度极限：≤120℃

定子铁芯温度极限：≤120℃ 集电环温度极限：≤120℃

氢气纯度：≥98% 氢气消耗量：≤12m3/天

氢冷器容量：停用一只氢冷器时，发电机能在至少80%额定工况下运行而不过热

定子外壳类型：双层外壳转子额定电压：400.1V

转子额定电流：4387.34A 转子空载电压：145V

转子空载电流：1949A 勵磁方式：静止可控硅机端自并励

允许强励时间：10s发电机噪音水平：离发电机外壳1米处≤90dB （绝对）

制造：东方电机股份有限公司

主变压器技术参数

型式：户外、双绕组、强油风冷单相油浸变压器

型号：DPF-240000/500 容量：3*240 MVA

额定电流：755.8/18896/√3 额定频率：50Hz

效率：99.78% 负载损耗：413.3kW

空载损耗：Po≤110kW 空载电流：0.21%

调压方式：无激磁调压 中性点运行方式：直接死接地

调压位置：外高压绕组的末端 冷却方式：ODAF

变比：550/√3-4×2.5%/22 kV 短路电压：13.9%

联接组别：Y，d11 制造厂：保定天威保变电气股份有限公司

励磁系统技术参数

型式：三相全控桥式可控硅自并励静止励磁系统

型号：ABB UNITROL5000 Q5S-O/U251-S6000

自动通道调压范围：20%UG～110%UG 手动通道调压范围：10～110% 额定励磁电流

调整偏差（精度）：0.5% AVR配置（通道）：2

顶值电压倍数/强励时间：2/10s 顶值电流倍数：2

响应时间：0.18s 整流方式：三相全控桥式

可控硅整流柜型式：密闭，强迫风冷 灭磁开关型式：直流侧单断口

灭磁开关型号：赛雪龙Secheron公司HPB60 UN4023a.VAR.523

灭磁开关额定电流：6000A 灭磁开关额定电压：1800VDC

生产厂家：瑞士 ABBendprint

2 事件经过

2017年4月2日22：10：57，1号发电机启动、合灭磁开关升压过程中发电机定子电流较先前异常增大，在励磁投入瞬间定子电流达到最大值，分别为A相电流6561A，B相电流8985A，C相电流7262A。同时，发变组保护A、D屏发电机G60保护装置“发电机过激磁”保护报警，就地装置面板报警灯亮，DCS报警，发变组故障录波器启动。随即，检修人员至就地进行检查，查看故障录波，调取保护装置事件记录，并分析确认保护装置为正确动作。但是，调取历次机组启动时DCS录波的数据看出，在正常方式启动情况下，1号机组定子电流均在35A左右，从未出现发电机定子电流异常增大现象。

根据武汉中元厂家ZH-3B软件对故障录波图进行分析，自动通过DFT修正法（即密度泛函方法）计算出发电机频率，从而得出发电机过激磁曲线及倍数。从计算出的曲线可以很直观的看出，发电机A相过激磁倍数为1.066倍，B相过激磁倍数为1.016倍，C相过激磁倍数为2.038倍，故障录波器显示为保护动作开关量启动。

过激磁保护用于防止发电机、变压器因过激磁而引起的危害。

对发电机而言，大容量发电机无论在设计和用材方面裕度都比较小，其工作磁密很接近饱和磁密。当由于调压器故障或手动调压时甩负荷或频率下降等原因，使发电机产生过励磁时，其后果非常严重，有可能造成发电机金属部分的严重过热，在极端情况下，能使局部矽钢片很快熔化。

对变压器而言，变压器的过励磁就是当变压器在电压升高或频率降低时将造成工作磁通密度增加，使变压器的铁芯饱和。其产生的主要原因有：当电网因故解列后造成部分电网刚甩负荷而过电压、铁磁谐振过电压、变压器分接头连接调整不当、长线路末端带空载变压器或其他误操作等，这些情况都可能产生较高的电压而引起变压器过励磁。其危害主要表现在：当变压器运行电压超过额定电压的10%时，就会使变压器铁芯饱和，因饱和产生的漏磁将使箱壳等金属构件涡流损耗增加，铁损增大，造成铁芯温度升高，同时还会使漏磁通增强，使靠近铁芯的绕组导线、油箱壁和其他金属构件产生涡流损耗，使变压器过热，绝缘老化，影响变压器寿命，严重时造成局部变形和损伤周围的绝缘介质，有时甚至烧毁变压器。一般避免变压器过励磁的方法主要有：（1）防止变压器运行电压过高，一般电压越高，变压器过励磁情况越严重，允许运行的时间也就越短。（2）加装过励磁保护，根据变压器特性曲线和不同的允许过励磁倍数发出告警信号或切除变压器。

查阅1号机发电机过激磁保护定值单，包括定时限过激磁保护和反时限过激磁保护。定时限保护设置一段，定值为1.06倍，3s，动作于信号；反时限保护按照既定的动作曲线动作于全停。根据DL/T 684-2012《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》中4.8.1规定，“发电机或变压器过励磁运行时，铁芯发热，漏磁增加，电流波形畸变，严重损坏发电机或变压器安全。对于大容量机组，必须装设过励磁保护，整定值按发电机或变压器过励磁能力较低的要求整定。当发电机与主变压器之间有断路器时，应分别为发电机和变压器配置过励磁保护。”河曲电厂1号机组容量600MW，为发-变组单元制接线，将选取发电机、变压器过激磁能力低者来配置过激磁保护，并查阅发电机、变压器制造厂提供的允许过励磁曲线，发电机允许的过励磁能力低于变压器允许的过励磁能力，定值将按照发电机允许的过励磁能力进行整定。

查阅一期继电保护定值整定计算书，定值整定原则正确，定值整定正确。在启励升压过程中，发电机过激磁定时限保护动作报警灯亮，调取发电机G60保护装置事件记录，从SOE追忆中看出，发电机过激磁保护于22：11：14.24起动，22：11：17.24动作，22：11：17.40返回，与定值完全一致，保护动作正确。

3 原因分析及结论

从故障录波图中分析看出，在发电机启励过程中，发电机定子电压三相幅值和波形正常，发电机定子电流异常增大，持续时间为17s，同时波形严重畸变并逐渐减小，且具有电流波形出现间断、含有大量的高次谐波分量、含有很大成分的非周期分量，波形偏于时间轴一侧等特点，与变压器励磁涌流波形特点一致，因此，從发电机定子电流波形特点不难判断，受变压器剩磁的影响，产生励磁涌流，导致定子电流较平时异常增大。

同时，经与电气高压试验人员了解得知，由于本次停机检修时对1号机主变进行了绝缘电阻、直流泄漏电流、绕组及套管介质损耗、绕组直流电阻试验，此试验的目的是检查绕组回路是否有短路、开路或接错线，检查绕组导线焊接点、引线套管及分接开关有无接触不良。另外，还可核对绕组所用导线的规格是否符合设计要求。试验过程中，选择的电流值稍大、环境温度较低、试验完毕后不久就进行机组启动，不利于变压器剩磁的自衰减。并且，在变压器做直流电阻测试后未去磁或去磁不彻底.主变压器内有严重剩磁，而剩磁不会自动消失，导致合闸瞬间磁路饱和、励磁涌流显著增加，发电机过激磁定时限保护动作。

变压器铁芯为电感元件，由于剩磁的存在，使铁芯更易饱和。变压器绕组中的励磁电流和磁通的关系由磁化特性所决定，铁芯越饱和，产生一定的磁通所需的励磁电流就越大。变压器在最不利的合闸瞬间，铁芯中的磁通密度可达最大值2Φm，这时铁芯的饱和情况将非常严重，因而励磁电流的数值大增，励磁涌流比变压器的空载电流大100倍左右，在不考虑绕组电阻的情况下，电流的峰值出现在合闸后半周的瞬间。但是，由于绕组具有电阻，这个电流是要随时间衰减的。对于容量小的变压器衰减得快，约几个周波即达到稳定，大型变压器衰减得慢，全部衰减持续时间可达几十秒。

4 变压器剩磁的消除方法、危害和启机过程中注意事项

剩磁，它存在在发电机（定子、转子）、变压器的铁芯里，这是由铁磁材料的特性决定的，即铁芯在充磁后，当外部磁场消失，铁芯中仍会保留一部分磁通，这就是剩磁。一方面是变压器在运行过程中，其内部会产生稳态磁通，当变压器断电切除时，由于回路磁通守恒，稳态磁通不会立即消失，而会保留一个与最末时刻稳态磁通大小相等、极性相同的剩磁；另一方面，由于铁磁材料固有的磁滞现象，在对电力变压器进行电压变比、直流电阻测量等操作后同样会在铁芯中残留剩磁。endprint

从理论上讲，要对磁化了的铁磁物质进行去磁，有两种方法，一种是交流法，即应在线圈中通以逐渐衰减的交变电流。可以采用直接空载合闸、发变组零起升压、外加交流空载消磁等方法，几种方法各有利弊，河曲电厂曾在四台机组主变分接头调整完成，进行绕组直流电阻试验后，采用发变组零起升压方式进行过剩磁的消除，并将发电机空载去磁曲线与空载试验曲线进行比较，可以看出，在两次试验，上升与回调曲线的幅值相差较大，去磁效果明显。另一种是直流法，即反向冲击法，在变压器高压绕组两端正向、反向分别通入直流电流，并不断减小，以缩小铁心的磁滞回环，从而达到消除剩磁的目的。

大容量变压器内剩磁无法进行现场测量，主要取决于变压器绕组通过的直流电流强度和时间，特别是做直流电阻试验，由于变压器绕组容量大，充电时间长，电流大，剩磁较多，会对设备的安全稳定运行带来一定的危害，主要表现在：（1）对继電保护装置的影响，主要是对变压器瓦斯保护和差动保护的影响。a.空载充电时因为剩磁的原因导致励磁涌流过大，产生较大的电动力，引起主变线圈、器身振动形成油流涌动，致使变压器油液面波动大，可能导致重瓦斯保护动作，引起发变组非电量跳闸。b.受剩磁的影响，变压器铁芯饱和，变压器空载投入时可能产生数值较大、二次谐波含量较低的励磁涌流，甚至导致差动保护二次谐波制动闭锁失效，变压器差动保护误动出口。（2）对一次设备的影响，变压器漏磁增加、铁芯发热，同时，很大的励磁涌流会导致变压器及断路器因电动力过大受损，诱发操作过电压，损坏电气设备，造成重大经济损失。还会使发电机定子电流中含有大量的负序分量，在发电机气隙中产生反向旋转磁场，相对于转子来说为两倍的同步转速，在转子中会感应出100Hz的电流，导致转子灼伤和振动。（3）对电网的影响，励磁涌流中的大量谐波和非周期分量对电网电能质量造成严重的污染，造成电网电压骤升或骤降，影响其他电气设备正常运行。

在启机过程中密切监视发电机参数，出现异常，可手动跳开灭磁开关，防止事故扩大。同时加强检修人员技术培训，认识到变压器剩磁的危害性，进行电气试验前后一定要进行充分放电，来避免对设备造成损坏。

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