发电机励磁系统滑环短路故障引发停机事故分析

发电机励磁系统滑环短路故障引发停机事故分析

欧华

身份证号430124198706234013

摘要：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，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。

关键词：发电机；励磁系统；滑环短路故障

引言

发电机的励磁系统是同步发电机的重要组成部分，其主要任务是根据发电机运行状态向发电机的励磁绕组提供一个可调节的直流励磁电流，以满足发电机各种运行方式的需要。静止自并励励磁方式具有接线简单、造价低、运行维护方便、反应速度快等特点，在大型发电机组中被广泛采用。励磁系统故障时，如果不能及时切断励磁电流，不仅会引起励磁系统火灾，而且会对电网产生不利的影响。从设备组成来看，静态励磁系统主要由励磁变压器、励磁装置和发电机励磁线圈三部分组成。除了励磁变压器电路短路故障和励磁绕组接地故障外，励磁装置还存在几种故障，包括电压过高或电压(电流)升高率高导致整流装置损坏，以及主整流电路故障造成的运行异常。

1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。

2励磁系统保护配置情况

励磁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，《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，电站可以根据自己的具体情况和运行经验制定励磁系统励磁保护配置方案。磁变高压侧设有电流变压器，低压侧没有安装专用继电保护电流变压器，考虑到励磁交流的谐波成分。谐波制动差动保护在开/关过程及大测试范围内调整晶闸管导通角度时，容易导致励磁变压器差动保护误动。因此，不使用自变速差动保护作为主保护，而是使用自变速+过电流保护的主备份保护配置方案。保护范围可延伸到励磁变压器低压侧主排和电源柜，其他励磁绕组的过载保护配置使用逆时动作特性。针对励磁系统直流侧故障，引入电力发生器转子接地保护装置作为转子接地故障后，尽管直流侧主电路和转子绕组出现故障或异常运行。

3静止励磁系统的组成及其保护配置

发电机静态励磁系统主要由励磁变压器、硅可控整流桥、自动磁调节器、励磁绕组和各设备之间的连接装置等组成。目前发电机励磁系统的保护主要有励磁变压器差动保护、励磁变压器过电流保护、励磁绕组过载保护、转子接地保护等。励磁系统差动保护是励磁系统的主保护，只能对励磁系统本身及其引线的上间隙故障作出反应，不能对换向主电路的故障作出反应。励磁变压器的过流保护一般安装在励磁变压器的高压侧，并配有两个过流段。I段是快速端段，为了保证选择性，根据保护范围不延伸变压器低压侧的原则设置。II部分为了保证灵敏度，只需避免发电机最大激励电流即可，因此也可以同时考虑换向主电路的故障，但延迟在强激励运行时应避免瞬态过程，一般应采取0.5~1.0s。磁绕组过载保护对磁绕组的平均发热情况作出反应，一般采用逆时动作判定，根据发电机转子承受过载的能力曲线进行定型。通常安装在励磁系统的高压或低压侧，因此可以对换向主电路的故障做出反应，但延迟通常更长。转子接地保护不能对发电机转子对大轴绝缘电阻的下降做出反应，通过测量转子的接地电阻值判断转子的接地情况，对整流主电路短路故障起到保护作用。根据以上分析，在目前发电机保护配置中，如果励磁主电路故障，只能进行励磁变压器过电流保护ⅱ段或励磁绕组过载保护切除，这两种保护动作时间都比较长，励磁设备可能会消失，从而扩大事故结果。

4发电机励磁系统快速保护方案

发电机励磁系统保护需要改进和完善。1)在安装位置添加该段保护主要是为了快速应对励磁主电路故障，为了避免励磁变压器本身的影响，提高保护的可靠性，建议将新的过电流段安装在励磁变压器的低压侧。由于励磁变压器高、低压侧都容易安装TA，因此有条件将电流从低压侧TA拉到保护装置，这是可行的。2)电流值的新过流段必须能够对磁主电路故障作出反应，为了确定该段的电流值，必须分析滑环短路时交流侧故障电流大小。由于与交流直流变换相关的理论计算困难，在PSCAD仿真软件中建立了发电机励磁系统模型，参数以上述事故装置为基础。3)增加时间值本段的保护是为了防止保护动作太慢燃烧励磁装置，因此延迟应尽可能小。另外，还应考虑电流值小而产生的误动，并应与励磁系统各部件的自控措施相适应。过电流保护与磁系统高速引信一起需要，延迟通常设置在0.2~0.3S之间。考虑到工程实际中的瞬态过程或其他干扰的影响，建议将新的过流段延迟设置为0.2S。为了更快地对整流主电路故障做出反应，延迟可以根据现场工程适当缩小，如果条件允许，可以设置为0S。

5分析及改进方案

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18000A，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1．3×2×3105≈8700A，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)减少转子接地保护跳闸操作时间限制，快速响应短路故障期间出现的磁路接地故障，快速消除隔离故障。结合水电站运行经验，励磁系统直流侧主电路短路故障主要发生在滑环、碳刷、短路故障时，经常会出现间歇性短路弧。这种短路电弧会大大产生励磁回路接地故障，可能会持续。转子接地保护报警分析，此次设备故障过程中，两次注入式转子接地保护报警时间最长为3~4.5S，第二次报警期间，保护装置计算出的转子对接地绝缘电阻值已满足操作条件，但由于保护操作时限不到，未出口。3)升级激励系统控制逻辑，减少保护动作延迟。本来unitrol5000励磁系统配置了过度保护功能，但是动作时限是系统固定，4s延迟，可以咨询激励系统设备供应商，升级unitrol5000控制逻辑，将过度保护动作延迟压缩到0.2s以下。可用作励磁系统直流侧主电路短路故障快速主保护。

结束语

励磁系统是发电机控制的重要环节，是提高电网稳定性的重要调节手段，水电厂出现的事故充分反映了可控硅与快速熔断器选型不匹配，快速熔断器无法起到保护可控硅的作用，最终造成可控硅烧损这一严重后果，为此，在加强检修维护与运行监管的同时，在励磁设备选型时要充分考虑可控硅与快速熔断器的参数匹配问题，严格比较两者的安秒特性，做到事故情况下快速熔断器可以可靠的保护可控硅。

参考文献

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