一起因发电机失磁保护动作导致的非停事故分析

张 伟

(中国大唐集团科学技术研究总院有限公司华东电力试验研究院， 安徽 合肥 230088)

1 事件概述

2020年5月7日15时36分25秒，某电厂4号机组DCS画面报“4号发电机失磁保护动作”。发电机灭磁开关跳闸、主励磁灭磁开关跳闸、并网断路器5004跳闸、锅炉MFT动作、厂用电系统自投正常，发变组保护动作，机组故障录波器启动录波。该电厂升压站为双母双分段带旁母接线，故障发生前，4号、6号机组均处于运行状态，母线合环运行，3号、5号机组处于停运状态。其主接线图如图1所示。

图1 一次系统图

2 设备概况

4号汽轮发电机由上海电机厂生产，额定容量为356 MVA，型号为QFS2-320-2；4号励磁机由上海电机厂生产，额定容量为1 512 kVA，型号为TLD-1360- 4，具体设备参数见表1、表2及表3。

表1 发电机参数

表2 励磁机参数

表3 副励磁机参数

3 故障检查

对4号机组进行检查工作，检查故障前后4号机组保护装置、DCS数据、故障录波器及励磁调节器情况，并检查4号机组励磁机励磁回路及发电机励磁回路。

3.1 机组保护装置检查情况

查看4号机组保护装置，发变组保护A屏显示15:36:25:915时刻“失磁保护IV断跳闸”，具体数据如表4所示；发变组保护B屏显示15:36:25:919时刻“失磁保护IV断跳闸”、“外部重动4跳闸”，具体数据如表5所示。

表4 机发变组A屏动作报告

表5 机发变组B屏动作报告

3.2 机组DCS数据检查情况

调取DCS数据，由图2可见，故障前机组运行平稳，有功功率、无功功率、发电机机端电压、发电机电流无明显波动，幅值正常，AVR输出电压、AVR输出电流、发电机转子电压、发电机转子电流在正常调节范围以内。15：00：58时刻(DCS时间)发电机有功功率259.9 MW、发电机无功功率23.8 MVar、发电机A相电压11.43 kV(98.99%额定)、AVR输出电压32.45 V、AVR输出电流53.85 A、发电机转子电压273.19 V、发电机转子电流1 216.20 A。

图2 故障前DCS数据波形

15:41:35时刻(DCS时间)开始，AVR输出电流突然大幅跌落、AVR输出电压大幅上升，发电机转子电压、转子电流及无功功率随之降低，同时机端电压小幅降低、发电机电流小幅增加(图3)。一个采样周期(约1 s)后，AVR输出电流又短时恢复正常水平，发电机转子电压、转子电流及无功功率又随之上升。如此反复，直至15:41:46时刻(DCS时间)，AVR输出电流已降至0.17 A，AVR输出电压升至73.57 V，发电机转子电压显示为-1.91 V，发电机转子电流降至869.01 A，发电机无功功率降至-96.95 MVar，DCS波形如图4所示。此时，发电机失磁运行，继电保护装置未动作。

图3 开始出现电压跌落时刻DCS数据波形

图4 发电机失磁运行及跳闸时刻DCS数据波形

3.3 机组故障录波器检查情况

由图5可见，跳闸前1 s内机端电压持续降低，A相电压从10.614 kV(91.91%额定)降至10.327 kV(89.43%额定)，发电机的机端电压与电流三相平衡。有功功率基本不变，发电机进相深度持续增加，无功功率从-137 MVar变化到-188 MVar。

图5 跳闸前发电机电压电流波形

由图6可见，由于跳闸前发电机无功功率的增加，导致主变高压侧无功功率持续增大(主变高压侧定义吸收无功功率为正值)。由于500 kV母线电压基本维持不变，主变高压侧电流持续增大。在失磁保护动作跳闸前，主变高压侧电流二次值已达到启动高越线值(0.35 kA)，触发故障录波器启动录波。实际录波启动原因为“主变高压侧电流

I

高越线启动”。

图6 跳闸前主变高压侧无功功率及电流变化

由图7可见，故障前1 s内发电机转子电流从861 A持续降低至612 A，AVR输出电压(主励磁机励磁电压)为100 V，励磁系统达到强励状态，AVR输出电流(主励磁机励磁电流)为0.045 A，考虑到变送器转换误差及故障录波器采样误差，可以推断此时主励磁机励磁电流为0 A，主励磁机的励磁回路此刻已经断线。

图7 失磁保护动作时刻

失磁过程中，拟合发电机定子测量阻抗变化轨迹，如图8所示。可见，随着进相深度的增加，发电机的定子测量阻抗逐步滑入失磁保护圆内。具体来说，大约在故障录波器时间15:36:26:5213时刻，发电机定子A相阻抗二次值为已进入失磁保护整定的异步圆内，如图9所示，失磁保护正确动作。

图8 失磁过程中发电机定子阻抗轨迹(仅取C相示意)

图9 失磁过程中发电机定子阻抗进入异步圆时刻

3.4 机组励磁调节器检查情况

故障后，从ECT调取故障前励磁调节器记录的跳闸时刻波形，如图10所示。图中记录了机组跳闸前1.5 s至跳闸后0.75 s的数据。由图10可见，跳闸前，有功功率基本保持恒定，无功功率进相深度持续增大；AVR输出电流已经至零；机端电压持续降低，从0.932倍额定降至0.899倍额定；AVR输出电压在1.35倍额定至2倍额定之间波动，励磁系统强励；励磁调节器同步电压采样正常。此外，由图10还可见，红线时刻调节器收到外部开入的跳灭磁开关信号，同时刻AVR逆变灭磁；红线时刻6 ms后，收到发电机并网断路器(5004)跳闸信号；红线时刻28 ms后，收到励磁机灭磁开关分位信号，与此同时励磁调节器采样的同步电压信号逐步降至零(由于灭磁开关断开所致)，且发电机有功功率和无功功率此时刻开始变零。

图10 跳闸时刻励磁调节器记录波形

4 故障分析

4.1 故障原因确认

跳闸前，4号机组励磁调节器记录的电气量变化情况与4号机组故障录波器记录数据一致，均表现出以下现象：

(1)机端电压持续降低，进相深度不断增加；

(2)AVR输出电流为零，而励磁系统强励。

以上现象说明，跳闸前励磁调节器工作正常，而励磁机励磁回路断线。而由图7可见，故障前1 s内发电机转子电流从861 A持续降低至612 A，说明发电机励磁回路(从不可控整流桥至发电机转子)正常。结合上述分析，可确认本次跳机故障的直接原因为，励磁机励磁回路开路，励磁机无输出到发电机转子，导致发电机失磁。

4.2 故障点定位

检查励磁机励磁回路，发现主励磁机碳刷处有故障，具体为：

(1)现场检查4号机主励磁机碳刷，主励磁机碳刷共6只，正负极碳刷各3只。其中，南侧负极碳刷完好，北侧正极碳刷最上面一只为A，碳刷长度正常，露出刷握部分长度为9 mm，刷握槽偏离滑环(如图11)，与滑环接触面较小，且刷握紧固螺丝松动(如图12)、刷握左下角有电火花烧蚀痕迹(如图13)；中间一只为B，碳刷完好，碳刷长度较短(如图14、图15)，碳刷顶部与刷握顶端平齐；下面一只为C，碳刷、卡簧完好，碳刷长度正常，露出刷握部分长度为7 mm。

图11 正极A碳刷偏离滑环

图12 正极A碳刷刷握紧固螺丝松动

图13 正极A碳刷放电痕迹

图14 正极B碳刷长度

图15 正极B碳刷与新碳刷长度对比

(2)用弹簧秤对北侧三只刷握碳刷的弹簧紧力进行测量，测量值如图16～18所示：A碳刷为1.385 kg；B碳刷为0.720 kg；C碳刷为0.650 kg。弹簧紧力标准值为1.1 kg，A只碳刷弹簧紧力符合要求，B、C只碳刷弹簧紧力远低于标准值。

图16 正极A碳刷弹簧紧力测量

图17 正极B碳刷弹簧紧力测量

图18 正极C碳刷弹簧紧力测量

综上所述可知，机组运行过程中，主励磁机正极的三只碳刷由于碳棒偏离滑环、紧力不足、碳棒磨损严重等多种原因，造成主励磁机转子在高速运转中，碳刷与滑环出现接触不良，并出现放电，最终导致主励磁机励磁回路断线。

4.3 后续处理措施

按上述检查分析结果，现场更换正极A碳刷，对正极B碳刷、正极C碳刷更换卡簧，测量B碳刷紧力1.275 kg，C碳刷紧力1.515 kg，均达到标准值要求。5月8日22:35，发电机冲转至3000转，4号发电机进行零起升压试验，观察励磁调节器输出电压、电流正常。发电机空载时，测量碳刷电流均衡。5月8日0:33，机组并网。

5 结论和建议

5.1 结论

本次4号机组非计划停运的直接原因为机组运行中励磁机励磁回路开路，励磁机无输出到发电机转子，导致发电机失磁。而励磁机回路开路的故障点为主励磁机正极的三只碳刷与滑环出现接触不良，并出现放电，最终导致主励磁机励磁回路断线。

5.2 建议

(1)加强发电机日常运行巡检，及时发现和消除励磁碳刷错位、磨损过度、悬空等隐患，做好日常维护工作。

(2)更换碳刷时，必须使用同一型号的碳刷，测量碳刷弹簧的压力是否符合厂家规定；更换后用直流卡钳表测量分流，并用红外成像仪进行一次红外成像测温。

(3)加强滑环部位的测温工作，按规定每周一次对滑环部位进行红外成像测温，明确红外测温位置。

(4)发电机励磁电压未接入故障录波器，后期结合机组检修机需要接入。