蓄电池故障引发辅助强励系统误动的风险分析

鲍克勤, 张雪健, 倪 蓉

(上海电力大学 自动化工程学院, 上海 200090)

近年来,随着中国电网“西电东送、南北互供、全国联网”战略目标的全面实现[1-2],清洁能源发展迅猛。电源结构、网架结构发生了重大变化,系统规模持续扩大[3]。同时,由于我国正处于经济转型期,电网负荷增长速度趋缓,送端集中开机和受端开机不足引起的调峰、调频困难已经成为电网运行中的关键问题之一[4]。大型同步发电机在电网运行中的调节作用和调节能力已经引起了高度重视。为了保证电力系统安全稳定运行,能源监管部门对发电机组辅助服务能力提出了更加严格的要求[5]。尤其是针对故障后维持电网稳定运行的需求,要求各涉网发电机必须具备强励能力。文献[6]中要求100 MW及以上汽轮发电机励磁顶值电压倍数一般为1.8倍,对于励磁电源取自发电机端的静止励磁系统,其励磁电压倍数应按80%的发电机额定电压计算。

随着国家对核电系统安全重视程度的提升,直流辅助强励回路在核电厂较为常见。文献[7]通过对励磁变压器回路进行改造,建立了优于传统强励系统的新型的辅助强励回路仿真模型。文献[8]针对发电机励磁系统误强励的问题提出了优化方法,有效地避免了事故的发生。但在某些特殊情况下,曾经发生由于蓄电池故障引起发电机励磁电流示值突变的现象。针对这一突变现象,本文基于电力系统暂态分析软件PSCAD/EMTDC仿真建模,并对其中的原因进行详细分析,以期对提高核电站安全稳定运行有所启发[9]。

1 发电机建模

目前发电机励磁系统的强励功能设计有两种常见的情况:一是励磁系统内部强励符合国家标准要求;二是励磁机本身不具备强励调节的能力,需要在外部采用辅助强励回路给励磁机提供足够的励磁电流。常见的带辅助强励的发电机励磁系统示意图如图1所示。由图1可知,带辅助强励的发电机励磁系统通常由励磁机整流回路、辅助强励回路、蓄电池直流回路3个部分组成。

图1 发电机励磁系统

本文基于PSCAD软件搭建了发电机励磁系统及蓄电池系统的联动模型,具体如图2所示。该仿真模型由发电机、励磁变、励磁机、晶闸管整流桥及辅助强励回路组成。目前发电厂励磁系统采用小型变压器代替副励磁机的自并励无刷励磁方式,在已投运的发电厂有着成熟的运行经验[10]。发电机正常运行时,辅助强励回路和蓄电池直流回路处于备用状态,励磁机整流回路导通,发电机机端电压通过变压器降压,经过整流器整流给发电机提供励磁电源。当发电机机端电压低于设定值70%时,励磁机整流回路不能完全提供满足设定值励磁所需的功率,AVR励磁控制器控制晶闸管投入辅助强励回路,快速恢复发电机电压。在蓄电池直流回路中,充电器和蓄电池给辅助强励回路提供短暂激励电流。当发电机电压恢复到设定值72%时,辅助强励回路断开,励磁机磁极正负极将完全与直流系统隔开。绝缘监测仪采用平衡桥测量母线绝缘,平衡桥直接接入母线正负极,每个平衡桥电阻为20 kΩ。

图2 发电机励磁系统及蓄电池系统仿真模型

2 发电机励磁电流突变现象分析

2.1 仿真分析

为了全面分析因蓄电池故障引起发电机励磁电流示值突变的现象,对核电厂蓄电池直流回路和辅助强励回路进行了正常运行、单点接地、两点接地的仿真分析。

2.1.1 正常运行

在进行各种故障模拟之前,对发电机励磁系统正常运行工况进行仿真[9]。发电机额定机端电压为24 kV,发电机机端电压仿真波形如图3所示。

图3 发电机机端电压仿真波形

发电机机端电压24 kV通过励磁变压器降压到300 V,励磁变低压侧的输出电压波形如图4所示。

图4 励磁变输出电压仿真波形

励磁变压器的输出端电压经晶闸管整流器后供发电机励磁绕组励磁,晶闸管整流器输出端的励磁电压为51 V,励磁额定电流为75 A,励磁电压与电流仿真波形如图5所示。

图5 励磁电压与电流仿真波形

通过上述仿真结果可知,本文所建模型能够正确模拟正常运行工况时的发电机励磁系统,从而验证了其具有可行性和准确性。

2.1.2 单点接地

对蓄电池直流回路或者辅助强励回路进行单点接地故障仿真分析。单点接地故障时的发电机机端电压和励磁电流随时间变化曲线如图6和图7所示。

图6 单点接地故障时发电机机端电压仿真波形

图7 单点接地故障时发电机励磁电流仿真波形

由图6和图7可知,单点接地故障不会引起发电机机端电压、励磁电流、蓄电池电压突变故障。单点接地故障是发电机较常见的故障形式,一般不会对发电机造成危害,故不影响发电机系统的正常运行。但若不及时发现,会导致更大的故障,因此应及时排查检修。

2.1.3 两点接地

为了进一步深入分析和研究发电机励磁电流突变现象,需要进行两点接地故障仿真分析。两点接地故障发生时的励磁电流随时间变化曲线如图8所示。

图8 励磁电流随时间变化曲线

由图8可知:第10 s时出现两点接地故障,故障持续时间为20 s;在0～10 s期间,发电机励磁系统处在稳定正常运行状态;在10～30 s期间,接地故障回路导通,励磁电流由正常的75 A上升至232 A,模拟故障中接地电阻为1.2 Ω左右;第30 s时接地故障消失,励磁电流恢复正常。

2.2 故障实例及分析验证

2016年底,某发电厂蓄电池故障引起励磁电流示值突变。故障期间,发生接地故障、蓄电池电压低、控制器故障、直流系统故障等多个报警。检修人员立即进行现场检修,发现蓄电池连接电缆对地放电、直流系统的绝缘监测仪烧毁、励磁机励磁电流示值多次出现异常突变等现象。励磁电流突变时的代表性故障录波如图9所示。

图9 励磁电流突变时的故障录波

将该发电厂相应机组励磁系统的电气参数代入本文的风险分析模型中,得到的仿真结果如图10所示。

图10 励磁电流随时间变化曲线

与图9的实测曲线进行对比发现,仿真结果吻合程度较好。根据仿真结果分析可知,此励磁电流突变事件很可能是由两点接地故障引起的。当发电机正常运行时,发电机励磁系统本身内部提供的励磁电流为75 A。当发生两点接地故障时,分流器上流过的励磁电流是由正常励磁电流和接地故障回路电流叠加而成的。接地阻抗呈阻性,接地阻抗的变化过程不存在规律性。接地电流的大小与波形取决于每次接地时的接地阻抗及接地故障点放电频率等因素。接地放电过程伴有接地阻抗的非线性变化过程,与故障结果相符。据此判断,导致核电机组励磁电流示值突变上升的原因应为两点接地故障。

由单点接地故障分析可知,辅助强励回路为高阻接地的直流系统,唯一接地点是绝缘监测仪平衡电桥电阻接地点。单点接地时,接地故障点通过绝缘监测仪平衡电桥电阻与地连接形成接地回路,平衡桥电阻为20 kΩ,接地电流无明显变化,与故障结果不符。可见,高阻系统中的单点接地故障并不能使励磁电流示值突变。

3 相关建议

用直流电源做辅助强励驱动回路是一种常见的接线形式,广泛应用于主电源取自发电机机端励磁变压器的间接励磁系统。根据本文的分析,建议在以下方面采取反事故技术措施。

(1) 在励磁机负极接入晶闸管,通过AVR控制开断,在不需要辅助强励时,励磁机磁极正负极将完全与直流系统彻底隔开,避免互相影响而造成设备损坏。

(2) 对重要直流回路进行分段在线监测,加强辅助强励回路等直流回路的绝缘管理。直流回路的绝缘管理参考标准文献[11-12]。

(3) 增加非接触式直流回路绝缘监测设备,提高绝缘监测仪的绝缘可靠性,防止发生两点接地故障。

(4) 在发电厂的实际运行中,应能正确区分蓄电池回路故障引起辅助强励回路动作是否是误动引起的,以便快速采取有效措施,保证发电厂安全稳定运行。

4 结 论

通过以上风险分析,可以得出如下结论。

(1) 仿真结果与故障实例吻合较好,证明本文所建仿真模型能够用于发电机励磁故障的风险分析。

(2) 辅助强励回路单点接地,在一段时间内不会引发事故而影响发电机系统的正常运行。

(3) 直流供电系统的可靠性对带辅助励磁回路的发电机至关重要,两点接地故障和接地阻抗的变化可能导致发电机励磁电流突变,甚至引发跳机。