云南水力发电第27卷
94YUN NAN WATER POWER 第2期
发电机励磁系统过电压保护误动分析
朱晓黎
(国投云南大朝山水电有限公司, 云南云县 675811)
摘 要:根据一起励磁系统过电压保护误动而引起的发电机失磁故障, 结合接线方式, 设备参数及相关资料, 分析了在使用ZnO 灭磁电阻时过电压保护动作跳灭磁开关所带来的问题, 及低压记忆过流保护存在的缺陷。根据分析, 提出了相关的改正建议及措施。
关键词:励磁系统过电压保护; 低压记忆过流保护; ZnO ; 误动分析
中图分类号:TM312. 1; TM546+. 3 文献标识码:B 文章编号:1006-3951(2011) 02-0094-03DOI :10. 3969 j . is sn . 1006-3951. 2011. 28.
1 事故情况简介
大朝山电厂220kV 系统由2组225MW 发电机及变压器构成的单元发变组, 及2回高压出线组成, 母线为双母线带联络断路器接线方式, 接线简图见图1。发电机额定电压15. 75kV , 额定电流9164A , 额定励磁电压365V , 额定励磁电流1570A
。
5号发变组保护柜:“5号机组低压记忆过流Ⅰ、Ⅱ段动作”。
5号机组励磁调节器柜:“field overvoltage ”(转子过电压) 。
根据事故时对励磁装置、发变组保护进行的检查, 及5号机组故障录波图、220kV 故障录波图显示, 跳闸时机组运行正常, 电网也无故障发生。因此基本可以判定是误动作, 必须查明原因。
2 保护误动作原因分析
2. 1 故障录波数据分析
根据分析故障录波图发现:5号机组灭磁开关5FCB 在无故障情况下先跳闸, 约0. 8S 后205断路器跳闸, 而此时发电机由于失磁, 定子电流A 相14. 616kA 、B 相14. 688kA 、C 相14. 428kA , 机端电压10. 91kV , 电压、电流均达到发变组低压记忆过流保护启动的整定值, 保护延时1. 5S 后出口跳212断路器。
经检查分析, 确认此次事故原因为:5号发电机
图1 220kV 系统接线图
励磁系统过电压保护动作造成灭磁开关跳闸, 进而引起的发电机失磁故障。2. 2 励磁系统过电压保护误动作分析
大朝山电厂励磁调节器为瑞士ABB 公司生产的Unitrol 5000全数字式微机励磁调节器, 其内部有转子过电压保护动作跳灭磁开关的程序, 逻辑见图2。
在正常运行情况下, 励磁通道投入、励磁调节器投入、无外部跳闸开入信号, 这3个条件是一直满足
事故发生前, 220kV 系统Ⅰ母、Ⅱ母联络运行, 6号机、大东线接入Ⅰ母, 5号机、大临线接入Ⅱ母。
大临线输出有功39MW , 大东线输出有功17MW 。5号机有功225MW , 无功43Mvar , 6号机有功225MW , 无功-25Mvar 。
故障发生时, 5号机组灭磁开关5FCB 跳闸, 5号主变高压侧断路器205跳闸, 220kV 母联断路器212跳闸。相关信号如下:
收稿日期:2010-10-25(, , ,
朱晓黎 发电机励磁系统过电压保护误动分析95
当时转子回路并未发生过电压故障。
为了确认相关判断, 在检查二次设备无异常, 并对转子回路做绝缘检查正常后, 我们决定开机检查。将5号机组空载升压至额定15. 75kV , 励磁电流220A , 励磁电压150V 情况下, 在励磁调节器上观察到
图2 Unitrol 5000转子过电压保护动作跳灭磁开并逻辑图
转子过电压保护回路电流大约为102A , 显然此信号是一个假信号, 因为机组正常运行时, 转子过电压保护回路不会导通, 此时过电压回路的泄流电流应该只有mA 级。因此我们判断故障可能是因为霍耳传感器CT 3因安装位置紧邻转子引出线, 受到励磁电流形成的强磁场干扰, 零点发生漂移或传感器短时故障, 使传感器输出瞬时增大而造成的。2. 3 低压记忆过流保护动作分析
大朝山水电站发变组保护采用许继电气生产的W FB -100型发变组保护装置, 该装置针对励磁系统的自并励接线方式设计了低压记忆过流保护作为主变高压侧及母线的后备保护。该保护沿用了传统的一段两时限配置模式, t 1时限跳母联断路器, t 2时限跳出口断路器、灭磁、停机, 逻辑见图4。
的, 因此励磁调节器判断为“转子过电压”故障并出
口跳灭磁开关只取决于唯一判据:转子过电压保护回路的电流大于250A 。而此电流的测量是来自于转子过电压保护回路的霍尔传感器CT3。
大朝山水电站发电机转子灭磁装置采用合肥科大创新股份有限公司科聚分公司生产的MB62型发电机转子灭磁与过电压保护装置(原理接线见图3) 。它由DMX 型灭磁开关、GB02型过电压保护器与高能ZnO 非线性电阻构成
。
图3 发电机转子灭磁装置接线图
由图中可见, 该装置在直流侧设置了两套GB02型过电压保护器, 转子侧的RV 1非线性电阻用以运行中发电机转子回路的各种正向、反向过电压保护, 兼作快速灭磁的吸能元件, 配合移能型磁场断路器DMX , 达到快速灭磁的功效。在灭磁过程中, DMX 跳闸, RV 1和R V 2分别吸收励磁变压器漏感及转子磁能。
转子侧反向过电压由压敏非线性电阻RV 1和特制的熔通式过压保护器MOP 组成。霍耳直流变送器CT 1接正向过电压回路, CT 2接反向过电压回路, 分别采集转子正、反向过电压保护动作信号。CT 3接正、反向过电压总回路, 正、反向过电压, CT 3均能监测, 输出用作AB B 励磁调节器转子过电压保护的测量值。转子过电压保护动作值设置为2500V 。
此次过电压保护动作, 现地灭磁开关柜屏上无过压信号指示, 即CT 1、CT 2并未测量到故障, 同时发
, 图4 低压记忆过流保护逻辑图
该保护采用电流保持功能是因为:若发电机机端发生三相短路时, 机端电压下降, 使接于机端的励磁电流随之降低, 后者进一步促使短路电流减小, 这
样的反复作用就使得励磁系统的强励功能不能发挥作用, 并对延时超过0. 5s 的后备保护因短路电流衰减到动作值以下, 而使保护不能可靠动作。针对此种情况, 所以相关的低压过流保护采用了电流记忆的功能。
此次故障是由于5号机组励磁系统“转子过电压保护”误动作造成灭磁开关5FCB 跳闸, 跳闸后5FCB 常闭接点启动计算机监控系统“灭磁开关联跳主断路器205”程序, 联跳了205断路器。5FCB 跳闸后, 引起发电机失磁, 机组开始从系统吸收无功, , , ,
96云南水力发电 2011年第2期
到5号主变高压侧断路器205跳闸时, 发电机定子电流达A 相14. 616kA (额定9164A ) 、B 相14. 688kA 、C 相14. 428kA , 机端电压下降至10. 91kV (额定15. 75kV ) , 无功进相188Mvar , 机组呈现显著的失磁特征。
5号发变组低压记忆过流保护低电压整定值为70V (一次值为11kV ) , 电流整定值1. 2A (一次值为14. 4kA ) , 短延时1. 5s 跳212断路器, 长延时2. 0s 跳205断路器及事故停机。该保护电流元件启动后自保持, 只有故障切除, 电压恢复后才能复归。故在灭磁开关跳闸后, 由于机组失磁, 机端电压、电流逐渐达到整定值, 保护启动, 在故障切除后, 由于保护电流元件启动后自保持, 而发电机机端电压为零, 所以保护仍继续启动, 至1. 5S 后跳开了212断路器。
保护跨接器中的可控硅管自动关断, 故无须停机。这也是ZnO 非线性电阻的一个优点。
根据以上分析, 我们取消了转子过电压保护器动作后跳灭磁开关的逻辑回路。
3. 2 取消低压记忆过流保护第一时限跳母联断路
器的电流记忆功能
低压记忆过流保护作为主变高压侧及母线的后备保护, 设置电流保持是为了防止发电机机端发生三相短路时, 因励磁阳极电压下降导致无法维持短路电流。而这样的设计带来的负面作用是:在发变组内部故障时, 主保护动作跳开出口断路器后, 由于低压记忆过流保护的电流记忆功能, 使得保护装置仍然会经t 1时限跳母联断路器, 造成事故范围的扩大。
而该保护设置t 1时限跳母联的原因是:为了反映母线相间故障时优先将健全母线与故障母线分离, 从而减少停电范围。而母线发生相间故障时发电机机端电流可维持, 故可以不投记忆功能。根据以上分析, 我们修改了低压记忆过流保护的程序。修改后取消了t 1时限跳母联断路器的电流记忆功能, 而保留t 2时限跳出口断路器、灭磁、停机的电流记忆功能。
参考文献:
[1] 李基成. 现代同步发电机励磁系统设计与应用[M ]. 2版. 北
京:中国电力出版社, 2009.
[2] 王梅义. 高压电网继电保护运行与设计[M ]. 北京:中国电力出
版社, 2007.
3 改正措施
3. 1 取消转子过电压保护动作后跳灭磁开关的逻
辑
转子过电压保护器动作后是否跳灭磁开关, 因机组灭磁方式及设计思想的不同有不同的要求。国外灭磁及过电压保护装置普遍使用SiC 非线性电阻作为灭磁电阻, 但因SiC 的漏电流较大, 残压较高, 在过电压保护动作以后无法自动复归, 而必须停机。所以ABB 公司的Unitrol 5000调节器中设计了过电压保护动作跳灭磁开关的逻辑。而大朝山电厂灭磁及过电压保护装置使用的是ZnO 非线性电阻, 因为ZnO 有优良的非线性伏安特性, 在过电压消失后, ZnO 的续流迅速大幅度下降到mA 级, 可使过电压(上接第56页)
通过爆破振动对近区已完成的固结灌浆和顶拱混凝土影响的测试分析, 合理确定下层开挖爆破参数, 为大断面洞室混凝土衬砌、固结灌浆、开挖同步施工积累了成功的经验。
该成果填补了国内关于变顶高尾水隧洞施工技术尚无成功经验的空白, 部分成果已在三峡、向家坝水电站的变顶高尾水隧洞工程中得到了推广应用, 但是变顶高尾水隧洞工程这一新型结构的成功实践在国内尚属首次, 建议工程运行单位在工程投运过程中加强安全监测数据分析, 供研究类似工程的设计、施工技术提供有益的参考和借鉴。
参考文献:
[1] 张 风, 周述达, 李世溪, 等. 彭水地下电站变顶高尾水隧洞设
计[J ]. 人民长江. 2006, 37(1) .
[2] 李 靖. 彭水工程厂房尾水隧洞新型结构选择[J ]. 人民长江.
1999, 30(1) .
[3] 邵 年, 费文平, 刘小江, 等. 彭水水利枢纽电站厂房布置方案
研究[J ]. 人民长江. 1999, 30(10) .
[4] 王来所. 变顶高尾水隧洞混凝土先拱后墙法方案论证[J ]. 云南
水力发电, 2009(1) .
[5] 欧阳水芽. 三峡地下电站尾水隧洞光面爆破施工技术[J ]. 人民
长江. 2007, 38(8) .
[6] 曾 明, 詹剑霞. 三峡地下厂房尾水隧洞变顶高段衬砌混凝土
施工[J ]. 水力发电. 2008, 34(9) .
[7] 唐新发, 陆锡斌, 樊红刚, 等. 百色水电站尾水隧洞明满交替流
动计算研究[J ]. 红水河. 2006, 25(1) .
[8] 辜晓原, 李弗炎, 禹芝文. 向家坝水电站地下厂房变顶高尾水系
统研究[J ]. 水力发电2004, 30(6) .
[9] 张 强, 刘保华. 向家坝水电站右岸变顶高尾水洞的水力计算
[J ]. 水力发电2004, 30(3) .
云南水力发电第27卷
94YUN NAN WATER POWER 第2期
发电机励磁系统过电压保护误动分析
朱晓黎
(国投云南大朝山水电有限公司, 云南云县 675811)
摘 要:根据一起励磁系统过电压保护误动而引起的发电机失磁故障, 结合接线方式, 设备参数及相关资料, 分析了在使用ZnO 灭磁电阻时过电压保护动作跳灭磁开关所带来的问题, 及低压记忆过流保护存在的缺陷。根据分析, 提出了相关的改正建议及措施。
关键词:励磁系统过电压保护; 低压记忆过流保护; ZnO ; 误动分析
中图分类号:TM312. 1; TM546+. 3 文献标识码:B 文章编号:1006-3951(2011) 02-0094-03DOI :10. 3969 j . is sn . 1006-3951. 2011. 28.
1 事故情况简介
大朝山电厂220kV 系统由2组225MW 发电机及变压器构成的单元发变组, 及2回高压出线组成, 母线为双母线带联络断路器接线方式, 接线简图见图1。发电机额定电压15. 75kV , 额定电流9164A , 额定励磁电压365V , 额定励磁电流1570A
。
5号发变组保护柜:“5号机组低压记忆过流Ⅰ、Ⅱ段动作”。
5号机组励磁调节器柜:“field overvoltage ”(转子过电压) 。
根据事故时对励磁装置、发变组保护进行的检查, 及5号机组故障录波图、220kV 故障录波图显示, 跳闸时机组运行正常, 电网也无故障发生。因此基本可以判定是误动作, 必须查明原因。
2 保护误动作原因分析
2. 1 故障录波数据分析
根据分析故障录波图发现:5号机组灭磁开关5FCB 在无故障情况下先跳闸, 约0. 8S 后205断路器跳闸, 而此时发电机由于失磁, 定子电流A 相14. 616kA 、B 相14. 688kA 、C 相14. 428kA , 机端电压10. 91kV , 电压、电流均达到发变组低压记忆过流保护启动的整定值, 保护延时1. 5S 后出口跳212断路器。
经检查分析, 确认此次事故原因为:5号发电机
图1 220kV 系统接线图
励磁系统过电压保护动作造成灭磁开关跳闸, 进而引起的发电机失磁故障。2. 2 励磁系统过电压保护误动作分析
大朝山电厂励磁调节器为瑞士ABB 公司生产的Unitrol 5000全数字式微机励磁调节器, 其内部有转子过电压保护动作跳灭磁开关的程序, 逻辑见图2。
在正常运行情况下, 励磁通道投入、励磁调节器投入、无外部跳闸开入信号, 这3个条件是一直满足
事故发生前, 220kV 系统Ⅰ母、Ⅱ母联络运行, 6号机、大东线接入Ⅰ母, 5号机、大临线接入Ⅱ母。
大临线输出有功39MW , 大东线输出有功17MW 。5号机有功225MW , 无功43Mvar , 6号机有功225MW , 无功-25Mvar 。
故障发生时, 5号机组灭磁开关5FCB 跳闸, 5号主变高压侧断路器205跳闸, 220kV 母联断路器212跳闸。相关信号如下:
收稿日期:2010-10-25(, , ,
朱晓黎 发电机励磁系统过电压保护误动分析95
当时转子回路并未发生过电压故障。
为了确认相关判断, 在检查二次设备无异常, 并对转子回路做绝缘检查正常后, 我们决定开机检查。将5号机组空载升压至额定15. 75kV , 励磁电流220A , 励磁电压150V 情况下, 在励磁调节器上观察到
图2 Unitrol 5000转子过电压保护动作跳灭磁开并逻辑图
转子过电压保护回路电流大约为102A , 显然此信号是一个假信号, 因为机组正常运行时, 转子过电压保护回路不会导通, 此时过电压回路的泄流电流应该只有mA 级。因此我们判断故障可能是因为霍耳传感器CT 3因安装位置紧邻转子引出线, 受到励磁电流形成的强磁场干扰, 零点发生漂移或传感器短时故障, 使传感器输出瞬时增大而造成的。2. 3 低压记忆过流保护动作分析
大朝山水电站发变组保护采用许继电气生产的W FB -100型发变组保护装置, 该装置针对励磁系统的自并励接线方式设计了低压记忆过流保护作为主变高压侧及母线的后备保护。该保护沿用了传统的一段两时限配置模式, t 1时限跳母联断路器, t 2时限跳出口断路器、灭磁、停机, 逻辑见图4。
的, 因此励磁调节器判断为“转子过电压”故障并出
口跳灭磁开关只取决于唯一判据:转子过电压保护回路的电流大于250A 。而此电流的测量是来自于转子过电压保护回路的霍尔传感器CT3。
大朝山水电站发电机转子灭磁装置采用合肥科大创新股份有限公司科聚分公司生产的MB62型发电机转子灭磁与过电压保护装置(原理接线见图3) 。它由DMX 型灭磁开关、GB02型过电压保护器与高能ZnO 非线性电阻构成
。
图3 发电机转子灭磁装置接线图
由图中可见, 该装置在直流侧设置了两套GB02型过电压保护器, 转子侧的RV 1非线性电阻用以运行中发电机转子回路的各种正向、反向过电压保护, 兼作快速灭磁的吸能元件, 配合移能型磁场断路器DMX , 达到快速灭磁的功效。在灭磁过程中, DMX 跳闸, RV 1和R V 2分别吸收励磁变压器漏感及转子磁能。
转子侧反向过电压由压敏非线性电阻RV 1和特制的熔通式过压保护器MOP 组成。霍耳直流变送器CT 1接正向过电压回路, CT 2接反向过电压回路, 分别采集转子正、反向过电压保护动作信号。CT 3接正、反向过电压总回路, 正、反向过电压, CT 3均能监测, 输出用作AB B 励磁调节器转子过电压保护的测量值。转子过电压保护动作值设置为2500V 。
此次过电压保护动作, 现地灭磁开关柜屏上无过压信号指示, 即CT 1、CT 2并未测量到故障, 同时发
, 图4 低压记忆过流保护逻辑图
该保护采用电流保持功能是因为:若发电机机端发生三相短路时, 机端电压下降, 使接于机端的励磁电流随之降低, 后者进一步促使短路电流减小, 这
样的反复作用就使得励磁系统的强励功能不能发挥作用, 并对延时超过0. 5s 的后备保护因短路电流衰减到动作值以下, 而使保护不能可靠动作。针对此种情况, 所以相关的低压过流保护采用了电流记忆的功能。
此次故障是由于5号机组励磁系统“转子过电压保护”误动作造成灭磁开关5FCB 跳闸, 跳闸后5FCB 常闭接点启动计算机监控系统“灭磁开关联跳主断路器205”程序, 联跳了205断路器。5FCB 跳闸后, 引起发电机失磁, 机组开始从系统吸收无功, , , ,
96云南水力发电 2011年第2期
到5号主变高压侧断路器205跳闸时, 发电机定子电流达A 相14. 616kA (额定9164A ) 、B 相14. 688kA 、C 相14. 428kA , 机端电压下降至10. 91kV (额定15. 75kV ) , 无功进相188Mvar , 机组呈现显著的失磁特征。
5号发变组低压记忆过流保护低电压整定值为70V (一次值为11kV ) , 电流整定值1. 2A (一次值为14. 4kA ) , 短延时1. 5s 跳212断路器, 长延时2. 0s 跳205断路器及事故停机。该保护电流元件启动后自保持, 只有故障切除, 电压恢复后才能复归。故在灭磁开关跳闸后, 由于机组失磁, 机端电压、电流逐渐达到整定值, 保护启动, 在故障切除后, 由于保护电流元件启动后自保持, 而发电机机端电压为零, 所以保护仍继续启动, 至1. 5S 后跳开了212断路器。
保护跨接器中的可控硅管自动关断, 故无须停机。这也是ZnO 非线性电阻的一个优点。
根据以上分析, 我们取消了转子过电压保护器动作后跳灭磁开关的逻辑回路。
3. 2 取消低压记忆过流保护第一时限跳母联断路
器的电流记忆功能
低压记忆过流保护作为主变高压侧及母线的后备保护, 设置电流保持是为了防止发电机机端发生三相短路时, 因励磁阳极电压下降导致无法维持短路电流。而这样的设计带来的负面作用是:在发变组内部故障时, 主保护动作跳开出口断路器后, 由于低压记忆过流保护的电流记忆功能, 使得保护装置仍然会经t 1时限跳母联断路器, 造成事故范围的扩大。
而该保护设置t 1时限跳母联的原因是:为了反映母线相间故障时优先将健全母线与故障母线分离, 从而减少停电范围。而母线发生相间故障时发电机机端电流可维持, 故可以不投记忆功能。根据以上分析, 我们修改了低压记忆过流保护的程序。修改后取消了t 1时限跳母联断路器的电流记忆功能, 而保留t 2时限跳出口断路器、灭磁、停机的电流记忆功能。
参考文献:
[1] 李基成. 现代同步发电机励磁系统设计与应用[M ]. 2版. 北
京:中国电力出版社, 2009.
[2] 王梅义. 高压电网继电保护运行与设计[M ]. 北京:中国电力出
版社, 2007.
3 改正措施
3. 1 取消转子过电压保护动作后跳灭磁开关的逻
辑
转子过电压保护器动作后是否跳灭磁开关, 因机组灭磁方式及设计思想的不同有不同的要求。国外灭磁及过电压保护装置普遍使用SiC 非线性电阻作为灭磁电阻, 但因SiC 的漏电流较大, 残压较高, 在过电压保护动作以后无法自动复归, 而必须停机。所以ABB 公司的Unitrol 5000调节器中设计了过电压保护动作跳灭磁开关的逻辑。而大朝山电厂灭磁及过电压保护装置使用的是ZnO 非线性电阻, 因为ZnO 有优良的非线性伏安特性, 在过电压消失后, ZnO 的续流迅速大幅度下降到mA 级, 可使过电压(上接第56页)
通过爆破振动对近区已完成的固结灌浆和顶拱混凝土影响的测试分析, 合理确定下层开挖爆破参数, 为大断面洞室混凝土衬砌、固结灌浆、开挖同步施工积累了成功的经验。
该成果填补了国内关于变顶高尾水隧洞施工技术尚无成功经验的空白, 部分成果已在三峡、向家坝水电站的变顶高尾水隧洞工程中得到了推广应用, 但是变顶高尾水隧洞工程这一新型结构的成功实践在国内尚属首次, 建议工程运行单位在工程投运过程中加强安全监测数据分析, 供研究类似工程的设计、施工技术提供有益的参考和借鉴。
参考文献:
[1] 张 风, 周述达, 李世溪, 等. 彭水地下电站变顶高尾水隧洞设
计[J ]. 人民长江. 2006, 37(1) .
[2] 李 靖. 彭水工程厂房尾水隧洞新型结构选择[J ]. 人民长江.
1999, 30(1) .
[3] 邵 年, 费文平, 刘小江, 等. 彭水水利枢纽电站厂房布置方案
研究[J ]. 人民长江. 1999, 30(10) .
[4] 王来所. 变顶高尾水隧洞混凝土先拱后墙法方案论证[J ]. 云南
水力发电, 2009(1) .
[5] 欧阳水芽. 三峡地下电站尾水隧洞光面爆破施工技术[J ]. 人民
长江. 2007, 38(8) .
[6] 曾 明, 詹剑霞. 三峡地下厂房尾水隧洞变顶高段衬砌混凝土
施工[J ]. 水力发电. 2008, 34(9) .
[7] 唐新发, 陆锡斌, 樊红刚, 等. 百色水电站尾水隧洞明满交替流
动计算研究[J ]. 红水河. 2006, 25(1) .
[8] 辜晓原, 李弗炎, 禹芝文. 向家坝水电站地下厂房变顶高尾水系
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[9] 张 强, 刘保华. 向家坝水电站右岸变顶高尾水洞的水力计算
[J ]. 水力发电2004, 30(3) .