在發(fā)電機處于靜止狀態(tài)或已起動但未同步并網(wǎng)時，如果并網(wǎng)斷路器不受控突然合閘，會導致發(fā)電機遭受非常嚴重的損壞。此時的發(fā)電機如同一臺異步電動機，在轉(zhuǎn)差很大的情況下起動，會在轉(zhuǎn)子回路中感應出超出允許值的大電流，最終可能導致轉(zhuǎn)子損壞，甚至破壞電力系統(tǒng)穩(wěn)定。

1 事故前概況

某電廠6號機組為9F級燃機，該機組為日起停調(diào)峰機組。機組以發(fā)電機-變壓器組接線接入220kV升壓站，設置發(fā)電機出口開關（generator circuit breaker, GCB）和主變高壓開關（high voltage circuit breaker, HVCB）兩個同期點。

事故發(fā)生前機組已經(jīng)通過GCB完成了首次并網(wǎng)。根據(jù)電網(wǎng)下發(fā)的起動方案，機組運行穩(wěn)定后，需要拉開HVCB，對HVCB同期點進行假同期試驗以驗證同期回路的正確性。最后機組經(jīng)HVCB與電網(wǎng)第二次并列。執(zhí)行時在拉開HVCB后，機組因高壓管道法蘭漏氣停機，發(fā)電機解列，燃機控制系統(tǒng)（turbine control system, TCS）順控停機分GCB，主變失電。

2 事故過程

搶修結(jié)束后，計劃先通過同期裝置的雙側(cè)無壓合閘功能合GCB，然后發(fā)電機帶主變零起升壓，再對HVCB進行假同期試驗。過程中在合上GCB后，發(fā)現(xiàn)勵磁系統(tǒng)閉鎖，機組無法起勵。經(jīng)與勵磁廠家溝通，確認GCB已合閘，勵磁系統(tǒng)將閉鎖起勵。分析邏輯后，決定在機組起勵后通過同期裝置的單側(cè)無壓合閘功能給主變反充電，再對HVCB進行假同期試驗。

在通過同期裝置單側(cè)無壓合閘功能合GCB對主變反充電時，發(fā)電機“誤上電”保護動作，跳GCB、跳靜止變頻裝置（static frequency converter, SFC）、跳滅磁開關、停燃機。

3 事故處理及分析過程

3.1 誤上電保護動作分析

事故發(fā)生后，檢查發(fā)電機保護裝置、GCB本體、發(fā)電機本體、機組勵磁系統(tǒng)、發(fā)變組故障錄波系統(tǒng)，調(diào)取錄波、保護動作記錄。發(fā)電機保護裝置定值，發(fā)電機誤上電保護定值見表1。

表1 發(fā)電機誤上電保護定值

經(jīng)查看保護裝置報文及錄波，初步判斷發(fā)電機保護中的誤上電動作正確。本機組裝置采用南瑞繼保PCS—985BG發(fā)電機保護裝置，版本3.0，發(fā)電機誤上電保護邏輯如圖1所示。

圖1 發(fā)電機誤上電保護邏輯

如圖1所示，誤上電保護可認為是一個主判據(jù)加三個輔助判據(jù)。這四個判據(jù)組合對應發(fā)電機各種誤上電工況。特別地，本版本中斷路器位置輔助判據(jù)加發(fā)電機過電流判據(jù)可以應對非同期工況。各種誤上電工況及動作邏輯在各文獻及廠家說明書里已經(jīng)有比較詳細的說明及分析，在此不再復述。

定值中動作電流按照發(fā)電機二次額定電流的0.2倍計算，6號機組誤上電電流定值為0.81A。事故發(fā)生后，調(diào)取發(fā)電機保護A柜裝置錄波記錄，保護動作時序如下：10:51:22.4467，發(fā)電機出口斷路器分位消失；10:51:22.4750，發(fā)電機誤上電保護啟動；10:51:22.4900，發(fā)電機負序過負荷保護啟動；10:51:22.6750，發(fā)電機誤上電保護動作；10:51:22.6997，發(fā)電機保護動作開入；10:51:22.7523，發(fā)電機出口斷路器分閘位置；10:51:23.1158，發(fā)電機負序過負荷返回。

發(fā)電機保護B柜保護裝置波形記錄與發(fā)電機保護A柜保護裝置波形時間記錄基本一致。發(fā)電機保護A柜保護錄波波形如圖2所示。

圖2 發(fā)電機保護A柜保護錄波波形

發(fā)電機保護A柜保護裝置所錄波形顯示誤上電保護啟動時，發(fā)電機定子A相電流為1.39A，B相電流為1.48A，C相電流為0.4A，其中A、B相電流大于誤上電保護動作電流值Iop，發(fā)電機誤上電保護啟動。誤上電保護經(jīng)0.2s延時后動作出口，此時發(fā)電機定子A相電流為1.29A，B相電流為1.38A，C相電流為0.39A，其中A、B相電流仍大于誤上電保護動作電流定值Iop，保護動作正確。

調(diào)取發(fā)變組故障錄波波形，對事故發(fā)生時發(fā)電機機端電流、發(fā)電機中性點電流、主變低壓側(cè)電流、廠變高、低壓側(cè)電流進行檢查分析。波形顯示誤上電保護啟動時發(fā)電機定子中正序電流0.81A、負序電流0.77A、主變低壓側(cè)電流0.80A、廠變高壓側(cè)電流0.18A。發(fā)電機負序過負荷保護定值為0.57A，這解釋了發(fā)電機負序過負荷保護啟動的原因。各處電流均未超過額定值。經(jīng)檢查一次設備確認，此次保護動作未對設備造成傷害。

3.2 動作原因分析

對故障錄波系統(tǒng)中發(fā)電機中性點及機端電流波形進行分析，發(fā)現(xiàn)機端及中性點電流波形均偏向時間軸一側(cè)，且有間斷角，初步認定此電流為勵磁涌流。為進一步確認此電流是否為勵磁涌流，對誤上電保護動作時的發(fā)電機機端電流諧波含量進行分析，發(fā)電機機端各次諧波含量對比如圖3所示，發(fā)電機機端電流諧波含量見表2。

圖3 發(fā)電機機端各次諧波含量對比

表2 發(fā)電機機端電流諧波含量

由圖3與表2可見，故障錄波波形顯示，在發(fā)電機出口斷路器合上之后，機端電流諧波主要表現(xiàn)為2次諧波，A相2次諧波在保護啟動至出口期間一直在55%～60%之間，B相2次諧波在保護啟動未出口期間一直在47%～51%之間。

以上幾點符合勵磁涌流波形的特征，為典型的勵磁涌流波形。變壓器勵磁涌流的產(chǎn)生機理是基于電感線圈遵循磁鏈守恒原理，即與電感線圈交鏈的磁通不能突變。波形顯示發(fā)電機機端及中性點二次電流峰值為4.47A，為主變低壓側(cè)二次額定峰值電流的0.76倍。勵磁涌流與電源電壓大小、合閘初相位、系統(tǒng)等值阻抗、剩磁大小和方向等因素有關。

同期裝置單側(cè)無壓合閘功能只能判斷主變側(cè)無壓狀態(tài)，并不能通過控制合閘角度來減小主變空載合閘時的勵磁涌流。在GCB合閘時，涌流超過了誤上電保護動作定值，導致此次誤上電保護動作。

4 改進措施的分析及驗證

事故處理完成后，對發(fā)電機保護定值、勵磁啟動邏輯、TCS起勵邏輯等進行梳理分析。

4.1 發(fā)電機保護定值

PCS—985BG誤上電保護采用低頻低電壓過電流原理。相關規(guī)程中關于此原理規(guī)定為：以誤上電時應可靠啟動為條件，動作電流應為誤上電最小電流的50%，一般可整定為（0.3～0.8）In。根據(jù)各廠運行經(jīng)驗此動作電流定值一般設為0.5In。

對發(fā)電機反充主變進行簡單仿真，仿真模型如圖4所示。

圖4 簡單的發(fā)電機反充主變仿真模型

圖4的仿真模型設置主變、廠高變鐵心剩磁為0.9倍額定磁鏈。發(fā)電機反充主變仿真結(jié)果如圖5所示，涌流峰值最大可接近9kA。

圖5 發(fā)電機反充主變仿真結(jié)果

主變反充電時，勵磁涌流會在發(fā)電機定子中產(chǎn)生很大的負序電流，可能會對發(fā)電機轉(zhuǎn)子造成損傷。故不采取發(fā)電機反充主變方式并網(wǎng)，也應避免發(fā)電機反充主變。另考慮到誤上電啟動電流需躲過同期裝置最大電壓差并網(wǎng)時的沖擊電流，故調(diào)整誤上電啟動電流至0.5In。該定值滿足規(guī)程對誤上電保護定值的規(guī)定。

4.2 抑制涌流措施

為盡可能地減小主變沖擊時勵磁涌流的幅值，應在主變預試后對主變進行退磁或者其他抑制涌流的處理。用GCB作為同期點時，主變由220kV母線倒送，主變高壓側(cè)采用SID—3YL涌流抑制器來抑制涌流，表3為五次主變沖擊時涌流倍數(shù)，可以看出該裝置的涌流抑制效果較好。用HVCB作為同期點時，經(jīng)對勵磁起勵邏輯進行修改，發(fā)電機可帶主變零起升壓后與電網(wǎng)并列，故發(fā)電機低壓側(cè)不需要抑制涌流的措施。

表3 主變沖擊時涌流倍數(shù)

4.3 勵磁系統(tǒng)邏輯

該電廠設置機端斷路器GCB和主變高壓側(cè)HVCB兩個同期點，各控制系統(tǒng)應滿足任一開關作為同期點進行并網(wǎng)。勵磁系統(tǒng)雖然采樣HVCB和GCB的節(jié)點來判斷機組是否在并網(wǎng)狀態(tài)，但是其邏輯起勵的允許條件為GCB必須在分位，并未考慮發(fā)電機帶主變零起升壓通過HVCB并列的情況。

經(jīng)與廠家討論，勵磁系統(tǒng)邏輯中增加發(fā)電機帶主變零起升壓工況，將勵磁系統(tǒng)起勵允許條件中的GCB分位條件改為HVCB或GCB在分位即可起勵，修改后的勵磁系統(tǒng)起勵邏輯如圖6所示。

圖6 修改后的勵磁系統(tǒng)起勵邏輯

4.4 燃機控制系統(tǒng)中的起勵邏輯

檢查TCS中有關勵磁系統(tǒng)起勵指令允許邏輯，該指令的允許條件中需GCB分位且HVCB合位。TCS起勵允許邏輯中同樣沒有考慮發(fā)電機帶主變零起升壓通過HVCB并列的情況。經(jīng)與設計院討論，在該邏輯中刪除GCB和HVCB位置條件。修改后的TCS起勵允許邏輯如圖7所示。

4.5 效果驗證

根據(jù)以上分析，對勵磁系統(tǒng)起勵邏輯及TCS中的允許起勵邏輯進行修改，另考慮到并網(wǎng)時的沖擊電流，調(diào)整誤上電保護的啟動電流值。修改邏輯后進行發(fā)電機帶主變零起升壓。11:15，發(fā)電機帶主變零起升壓波形如圖8所示。

圖7 修改后的TCS起勵允許邏輯

圖8 發(fā)電機帶主變零起升壓波形

在整個升壓過程中，發(fā)電機定子中涌流最大為0.05A，幾乎為零，其他參數(shù)無異常，表明機組帶主變零起升壓通過HVCB并列是安全可行的。13:26，6號機組經(jīng)HVCB并網(wǎng)，沖擊電流為1712.00A，并網(wǎng)后發(fā)電機有功功率為23.45MW，其他設備無異常。

5 結(jié)論

本文介紹了一起誤上電保護動作事故及其分析過程，提出了幾個預防措施及改進建議，對修改后的邏輯進行了驗證，實現(xiàn)了發(fā)電機帶主變零起升壓。修改后的機組可任選GCB和HVCB作為同期點進行并網(wǎng)，并網(wǎng)方式更加靈活，保證了機組的良性運行。

本文編自2021年第10期《電氣技術(shù)》，論文標題為“一起燃機誤上電保護動作案例分析”，作者為紀虎軍、趙俊杰 等。