发电机励磁系统滑环短路故障引发停机事故分析

刘 灏

(国能大渡河瀑布沟水力发电总厂，四川 雅安 625304)

励磁系统是水电站同步发电机的重要设备组成部分，若发生设备故障后继电保护装置不能及时动作切除隔离故障，将造成功率柜损坏、励磁主回路烧损、转子绕组绝缘破坏等严重设备故障[1]，威胁水电站及电力系统安全稳定运行，因此针对励磁系统各类故障配置快速、灵敏、可靠的继电保护功能尤为重要，现结合某水电站一起发电机转子滑环短路故障事件进行分析。

1 事故概述

某水电站装设6台混流式水轮发电机组，额定容量667 MVA，额定电压20 kV，额定电流19 245 A，静止励磁系统采用自并励方式，励磁调节系统为广州擎天Unitrol 5000，额定励磁电压435 V，额定励磁电流3 105 A，采用N+1冗余方式配置了4台励磁功率柜，在励磁绕组直流侧装设了灭磁开关，灭磁开关为瑞士赛雪龙HPB60 M220 D3。

2019年9月3日，该水电站4号发电机并网运行中，有功功率504 MW、无功79 Mvar，11时46分04秒，监控上位机报“4F发电机1号保护转子接地报警”，46分28秒监控上位机报“励磁系统故障”、“4F发电机保护外部重动跳闸(灭磁开关联跳发电机出口断路器)”，4F机组由并网转空转运行，运行值守人员随即执行4F手动停机流程将发电机全停后，测得定子绝缘合格，测得转子绝缘为零，进一步检查发现4F转子励磁下滑环(负极)引下线L型连接板烧损、下滑环下平面与L型板连接处烧蚀、下滑环部分支撑绝缘套表面被电弧烧损致表面碳化、下滑环近处的部分碳刷烧损，下滑环(负极)与引下线L型铜排的四颗固定螺栓中靠大轴侧的两颗螺栓孔完好，但靠碳刷侧的两颗螺栓孔已完全融化。

2 事故原因分析

结合故障排查情况及故障录波波形，分析判断此次烧损故障原因为转子负极滑环与引下线L型铜排靠大轴侧的两颗螺栓在发电机长时间运行过程中逐步脱落，造成该部位接触电阻增大，引起铜排连接板严重发热，进而导致连接处螺栓、铜排熔化成为液态。金属熔化物受发电机转动旋转离心力作用，向外侧甩出，造成滑环正负极间歇性短路、接地并形成间歇电弧，励磁电流急剧增加，灭磁开关脱扣跳闸，发电机保护屏灭磁开关联跳发电机出口断路器保护动作，机组事故解列。

从故障排查结果看，设备故障现象明显，持续时间较长，造成的设备烧损严重，故障持续发展至转子电流增大超过灭磁开关本体脱扣机构动作定值，跳开灭磁开关跳闸进而联跳发电机出口断路器保护将发电机解列，而期间励磁系统控制及继电保护装置均未动作，因此需对继电保护配置及动作情况进行进一步分析。

3 保护配置及动作分析

3.1 励磁系统保护配置情况

《继电保护和安全自动装置技术规程》及《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》均未对励磁系统保护配置做明确规定[2-3]，水电站可根据自身具体情况及运行经验制定励磁变保护配置方案。该水电站的励磁变容量4.95 MVA，励磁变高压侧装设了电流互感器，低压侧未装设继电保护专用电流互感器，且鉴于励磁变电流中谐波成分大，谐波制动式差动保护在开/停机过程以及试验中大范围调节可控硅导通角时易导致励磁变差动保护误动[4]。因此未采用励磁变差动保护作为主保护，而采用励磁变速断+过流保护的主后备保护配置方案，保护范围可延伸至励磁变低压侧母排及功率柜，另配置的励磁绕组过负荷保护，则采取反时限动作特性，虽能反应直流侧主回路及转子绕组故障或异常运行，但动作时间较长，下文不做分析。针对励磁系统直流侧故障，在功率柜交流输入侧装设了快速熔断器作为单个功率柜故障时的快速保护[5]，另配置了发电机注入式转子接地保护装置，作为转子接地故障发生后的主保护。

3.2 励磁速断过流保护未动作原因

励磁变压器速断保护若按照励磁变低压侧最大三相短路进行整定，则主保护范围未伸出励磁变，不能实现所有励磁变内部故障快速保护，因此按照最小运行方式下励磁变低压侧发生两相短路情况下，保护应具有2倍灵敏度进行整定，励磁变压器连接组别为Y，d11，容量3×1.65MVA，变比20/0.95kV，高压侧CT变比为300∶1，短路阻抗(折算至100 MVA基准容量为1.7)，整定计算结果如下：

=1.77 A

速断保护延时考虑与下一级快熔元件的配合关系取0.1 s[6-7]。

励磁变过流保护定值按发电机励磁系统2倍强励动作时过流保护不误动的原则进行整定：

延时按照躲过强行励磁时的暂态过程计算[6-7]，取t=0.5 s。

故障录波波形图如图1所示。

图1 故障录波波形

故障过程持续约220 ms，期间发生3次转子滑环间歇性短路，分析情况见表1，可知在短路故障期间，因故障电流未达到保护动作门槛或故障时间小于保护动作时限，励磁变速断保护、过流保护均未动作。

表1 励磁变压器保护未动作原因分析

3.3 转子接地保护报警但未动作原因

按照《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》进行整定，该水电站转子一点接地保护动作报警定值整定为20 kΩ，跳闸动作定值整定为5 kΩ，延时均整定为5 s[3]。

在4F转子滑环短路故障发展过程中，注入式转子接地保护装置PCS-985RS启动两次，装置报“转子接地报警”两次，11时46分05秒，PCS-985RE首次发信报警后复归，11时46分25 s，再次启动并发信报警，此时装置计算的转子对地绝缘电阻已达到保护动作门槛值，装置报警动作波形图如图2所示。

图2 转子接地保护装置两次报警动作波形

两次报警但均未动作跳闸的分析情况见表2，原因为保护动作时限过长，未能快速动作切除转子滑环短路故障中伴随发生的转子接地故障。

表2 转子接地保护报警但未动作原因分析

3.4 励磁系统动作情况

在转子滑环短路故障发展期间，励磁系统调节器发“转子温度过热报警”信号，转子温度由励磁电流和励磁电压计算出的转子电阻推导得出，经事后厂家根据故障时刻励磁电流及励磁电压软件模拟仿真计算，得出故障期间转子温度超过300℃，报警动作逻辑为：

当转子温度超过定值115℃时，励磁系统发转子过热告警信号，当转子温度超过定值125℃时，励磁系统根据转子温度监视模式控制字状态，发转子过热报警或跳闸信号，该电站转子温度监视模式投“报警”状态，因此当转子温度超过125℃时，只发报警信号。

unitrol 5000另配置了励磁系统过励保护功能，该保护可动作跳开灭磁开关，动作电流取自励磁变低压侧进线柜交流侧电流互感器采集的电流，过励跳闸倍数设置为2.2倍额定电流，动作时限为系统固定设置延时4 s(不可调)，因此由于转子滑环间歇性短路故障的持续时间均小于4 s，励磁系统过励保护也未动作。

灭磁开关跳闸前，励磁变高压侧二次电流最大瞬时值为2.275 A，折算至转子侧直流电流为：2.275×300×20/0.95/0.816=17 608 A，约为5.7倍额定励磁电流，接近灭磁开关脱扣定值18 000 A，灭磁开关脱扣分闸。

4 分析及改进方案

综上分析，该水电站针对励磁系统故障采用的继电保护配置方案的虽保护范围已延伸到了励磁系统直流侧主回路，包括励磁变压器内部故障、可控硅交流侧故障、转子绕组接地故障或过负荷，但由于励磁过流保护动作延时整定须躲过强励动作时的暂态过程，动作时限较长，保护配置方案灵敏度虽高但速动性不够，且过流保护动作延时调整减小的空间已不大，因此无论是继电保护配置或励磁调节器本身控制保护逻辑，均无法快速反应励磁系统直流侧主回路故障从而动作跳闸，而直流侧主回路特别是碳刷、滑环长时间运行中发热或运行环境造成的污染、积灰等原因，若维护不及时则极易导致短路或接地故障发生，保护不能快速切除故障则将导致更严重的设备烧损事件，严重威胁发电机及电力系统的安全稳定运行。文献[8]提出了在励磁变低压侧增设过流保护的解决技术方案，通过在励磁变低压侧已装设电流互感器的基础上，新增设一段低压侧过流保护，动作电流按照5倍额定励磁电流整定，延时整定为0.2 s或更小以实现快速跳闸[8]。该方案与unitrol 5000本身配置的过励保护原理与动作逻辑基本一致，另需新增电流互感器及继电保护装置，实施难度稍大，且根据该水电站过励保护动作分析情况[9]，也难以起到快速保护的作用，为避免类似问题，可采取的解决方案如下：

1)调整灭磁开关本体脱扣机构动作定值，将其作为励磁系统直流侧短路故障快速保护。灭磁开关原出厂设置的脱扣动作定值为18 000 A，约5.7倍额定励磁电流，整定值偏高，可按照与励磁系统过励保护整定，即躲过2倍强励励磁电流进行整定，取可靠系数1.3，动作值整定为1.3×2×3 105≈8 700 A，将其作为励磁系统直流侧主回路短路故障的快速主保护，结合保护装置PCS-985GW配置的灭磁开关跳闸后联跳发电机出口断路器保护，可快速反应直流侧主回路短路故障保护，实现快速灭磁停机。

2)缩短转子接地保护跳闸动作时限，使其快速响应短路故障过程中伴随发生的励磁回路接地故障，从而迅速切除隔离故障。结合水电站运行经验，励磁系统直流侧主回路短路故障主要发生在滑环、碳刷，且短路故障时往往产生间歇性的短路电弧，该短路电弧极大可能导致励磁回路接地故障发生并持续。综合上述3.3转子接地保护报警分析，本次设备故障过程中，两次注入式转子接地保护报警持续时间长达3～4.5 s，第二次报警期间保护装置计算的转子对地绝缘电阻值已满足动作条件，但因持续时间未到保护动作时限未出口跳闸。《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》要求转子接地保护低定值段动作时限一般可整定为5～10 s，根据水电站现场实际运行经验，该动作时限可进一步缩短，可整定为0.2～0.3 s，既提高转子接地故障保护的快速性，也可一定程度上间接反应并快速切除转子滑环、碳刷短路故障。

3)升级励磁系统控制逻辑，缩短过励保护动作延时。原unitrol 5000励磁系统配置了过励保护功能，但动作时限为系统固定设置延时4 s，经咨询励磁系统设备厂家，可通过升级unitrol 5000控制逻辑[10]，将过励保护动作延时压缩至0.2 s甚至更小，可作为励磁系统直流侧主回路短路故障快速主保护，该方案与文献[8]提出的解决方案大致相同，但无需新增电流互感器等设备，实施便捷。

5 结 语

本文结合一起励磁主回路短路故障跳闸事件，分析了继电保护配置情况及报警动作原因，得出了继电保护配置方案无法快速反应励磁系统直流侧主回路短路故障的问题，提出了上述三种解决方案，在现有硬件条件基础上即可实现，且灵敏度较高，无需增加额外成本，极易推广应用，能进一步提升励磁系统继电保护的速动性，对避免类似事件发生具有一定的借鉴意义。