1、40 东北电力技术NORTHEAST ELECTRIC POWER TECHNOLOGY2023 年第 44 卷第 7 期发电技术汽轮发电机过励限制导致失磁的故障分析毛爱民(张家港保税区长源热电有限公司,江苏 苏州 215634)摘要:某热电厂 1 台 30 MW 汽轮发电机因过励限制失败导致机组失磁跳闸。首先,通过对励磁调节器故障录波数据初步分析,明确了故障过程。然后,结合现场检查、试验和对比,从过励限制动作原因、限制效果、通道和运行模式的切换、低励限制与失磁保护的配合等方面进行进一步分析,指出虽然故障主要在于发电机转子匝间短路,但也暴露出励磁调节器的设计和运行管理存在不足。最后,提出改进措
2、施,为优化励磁调节器的辅助限制控制策略、完善辅助控制环与电压控制主环的配合提供参考,也对调节器的运行管理提供借鉴。关键词:汽轮发电机;励磁调节器;过励限制;低励限制;失磁保护中图分类号 TM31文献标志码 A文章编号 1004-7913(2023)07-0040-06Analysis of Loss of Excitation Fault Caused by Over Excitation Limiter for Turbo-GeneratorMAO Aimin(Zhangjiagang Free Trade Zone Changyuan Thermal Power Co.,Ltd.,Suzh
3、ou,Jiangsu 215634,China)Abstract:There is a trip on 30 MW turbo-generator caused by loss of excitation for over excitation limiter failure in a thermal power plant.Firstly,the fault process is defined through the primary analysis of fault recorded data of the excitation regulator.Secondly,combining
4、with field inspection,testing and comparison,it conducts further analysis from the aspects of over excitation limiter the cau-ses of over excitation limiter action,limit effect,switching of channel and operation mode,coordination between low excitation limiter and loss of excitation protection.It is
5、 pointed out that although the fault is mainly caused by the short circuit between windings of the generator rotor,it also exposes the deficiencies in the design and operation management of the excitation regulator.Finally,some im-provement measures has been proposed which provide a reference for op
6、timizing the auxiliary limiting control strategy of the excitation regulator and perfecting the coordination between the auxiliary control ring and the voltage control main ring,and also has a reference significance for the operation management of the regulator.Key words:turbo-generator;excitation r
7、egulator;over excitation limiter;under excitation limiter;loss of excitation protection0 引言在发电机励磁方式中,自并励静止励磁系统因接线简单、可靠性高、并具有高起始快速响应特性等优点,得到越来越广泛应用1-2。励磁调节器作为励磁系统的核心部件,包括电压控制主环和辅助限制环节。作为调节器辅助限制环节,过励限制(over excitation limiter,OEL)包括顶值电流瞬时限制和过励反时限制,并要求过励限制环节应具备规定的反时限特性,目的是将励磁系统输出电流限制在允许值之内;低励限制(under e
8、xcitation limiter,UEL)目的是在不同有功负荷下,限制同步发电机无功功率不低于规定值3-6。失磁保护由发电机综保装置实现,将部分或完全失去励磁的发电机解列,并要求低励限制先于失磁保护动作,而低励限制在 P-Q 坐标整定,失磁保护的阻抗判据在 R-X 坐标整定,因而存在低励限制和失磁保护的配合问题。而过励和失磁反映的是转子电流不同方向的变化,一般不存在过励限制与失磁保护的配合。但是,如果辅助限制环节控制策略不完善,与电压控制主环配合不当,可能出现过励限制失败导致发电机失磁保护动作的情况。本文通过实际案例分析,为存在类似问题的电厂提供参考。2023 年第 44 卷第 7 期毛爱民
9、:汽轮发电机过励限制导致失磁的故障分析41 1 故障概况1.1 设备概况某热电厂 2 台 30 MW 背压式汽轮发电机,各自通过主变压器升压至 110 kV 接入电网。发电机参数为电压 10.5 kV,功率 30 MW,电流 2062 A,功率因数 0.8(滞后),同步电抗 228%(6.7),瞬变电抗 21.8%(0.64);采用自并励静止励磁方式,励磁功率单元取自机端励磁变压器,通过三相全控整流桥提供励磁电流。其中 1 号发电机空载励磁电压 50 V,空载励磁电流 135 A;满载励磁电压 196 V,满载励磁电流 385 A;配置 PWL-3 型微机双通道励磁调节器,控制理论采用 PSS
10、+PID,稳定器采用 PSS2B 模型;转子电流采样设计两路,一路在整流桥交流侧经 TA 采样接入调节器,另一路在整流桥直流侧安装的 500 A/75 mV 分流器采样接入综保后台系统。1.2 故障过程该热电厂 1 号发电机失磁四段保护动作,发电机开关及灭磁开关跳闸,汽轮机自动主汽门关闭,1 号机组解列停机。初步了解,故障前 1 号发电机有功功率 32 MW,无功功率 11 Mvar,励磁调节器在“自动”、“恒无功”模式运行。现场调取励磁调节器故障录波数据,将发电机故障过程简述如下:相对时间 12.460 s,A 套励磁调节器过励限制动作;相对时间 35.005 s,A 套过励限制失败,过励保
11、护动作,调节器故障退出,切换至 B 套调节器运行;相对时间 676.060 s,B 套调节器过励限制动作;相对时间 693.389 s,B 套过励限制失败,过励保护动作,调节器由自动模式切换至手动模式运行;发电机失磁保护动作。调节器动作情况见表1。依照上述故障过程,结合故障录波图,围绕过励限制如何动作,限制为何失败,调节器切换至手动模式后如何稳定运行,低励限制为何不先于失磁保护动作等进行分析。2 故障分析2.1 过励限制动作机组停运后,测量转子绕组 25 直流电阻为0.3443,换算至 75 直流电阻为 0.4105,测量转子交流阻抗为 22.1。对比出厂数据:75 直流电阻 0.434,交流
12、阻抗 24.62,直流电阻减小 5.4%,交流阻抗值减小 10.2%。结合故障前发电机转子绝缘出现不定期晃动的情况,初步判断发电机转子存在匝间短路故障7-8。通过故障前 2 台发电机后台历史运行数据对比发现,相近负荷工况下,1 号发电机转子电流比 2表 1 发电机励磁调节器动作情况项别时间有功功率/MW无功功率/Mvar定子电流/kA转子电压/V转子电流/A控制角/(?)动作状态08:17:577 5537.02810.7842.2158.05413.163.87断08:17:577 7537.0410.7912.2158.12413.2963.96断08:17:577 9537.03510.
13、7792.2158.08413.1963.96动作A 套过励限制08:17:578 1537.05910.7842.2158.05413.163.87动作08:18:203 0037.19410.6692.21157.47411.663.87断08:18:203 2037.1810.662.21157.47411.663.87断08:18:203 4037.17110.6552.21157.44411.563.87动作A 套故障限制08:18:203 6037.1410.6412.1879.29207.2563.87动作08:29:013 5534.4869.7592.05146.02421.
14、7564.89断08:29:013 7534.5199.7812.05146.18422.2264.89断08:29:013 9534.4749.7592.04145.82421.1864.8动作B 套过励限制08:29:014 1534.4559.7242.05145.92421.4664.8动作08:29:186 8434.32410.0262.04145.21419.464.68断08:29:187 0434.26210.0052.04145.66420.7164.8断08:29:187 2434.2339.9692.04145.99421.6581.23动作B 套切至手动08:29:1
15、87 4434.1819.9792.03145.56420.4380.92动作42 东北电力技术2023 年第 44 卷第 7 期号发电机大 5060 A,见表 2,进一步说明 1 号发电机转子存在匝间短路故障。对2 台励磁调节器进行检查和试验9,结果显示,调节器定子电流和转子电流存在零点漂移,个别电容和部分元件老化。表 2 历史运行数据对比项别有功功率/MW无功功率/Mvar定子电流/A转子电流/A32.310.719323831 号机32.310.4191038333.210.5199039133.210.219543282 号机33.210.2195432533.410.41984334
16、综合上述检查对比和试验结果分析,过励限制动作的根本原因在于发电机转子存在匝间短路故障;诱发因素为励磁调节器部分元件老化,励磁电流存在零点漂移,导致调节器励磁电流的采样值比实际值大,更容易达到过励限制启动值。2.2 过励限制失败根据国家标准 GB/T 70642008 隐极同步发电机技术要求,发电机磁场绕组应具有如下规定的过电流能力。(I2-1)t=33.75(1)式中:I 为磁场电流,%;t 为时间,s。过励限制应先于发电机转子绕组过负荷保护动作,时间配合上应留有级差,文献10提出选择顶值电流下过励限制比转子过负荷保护提前 2 s 动作确定过励限制过电流常数的方法进行配合。本案例中调节器过励限制采用式(1)反时限特性,顶值电流整定为1.8 倍,时限 10 s,过励限制启动值整定为 1.06 倍,时限8 s,见表3,符合时间级差配合要求。表 3 过励限制及过励保护整定值项别数值强励电压限制倍数1.6顶值电流瞬时限制倍数1.8快速过励限制电流倍数1.3过励限制电流倍数1.06强励电流倍数1.6过励保护反时限/s10过励限制反时限/s8过流限制时开放角/(?)70.3强励电流开放角/(?)5