电网故障导致机组过励磁保护信号动作分析报告

电网故障导致机组过励磁保护信号动作分析报告

张莹莹

山东核电有限公司  山东省烟台市海阳市 265116

摘要：因外电网故障导致机组发变组保护出现过励磁保护信号，本文主要从故障现象与保护动作情况进行分析，对存在的问题提出优化。

关键词：过励磁;电网故障

1.引言

2022年5月，机组主控室出现过励磁动作报警。报警期间，主变高压侧电压由530kV降低到最低517kV后返回，发电机励磁电流突升至最高8.6kA后返回，发电机有功在1225~1262MW之间波动一次后稳定在1248MW，发电机无功由301MVAR突升至480MVAR后返回306MVAR并恢复稳定，发电机、主变过励磁报警信号均发出。

2.过励磁保护作用及原理

过励磁保护主要是防止发电机励磁电流异常升高或发电机主变压器过电压以及低频运行而引起发电机、主变过磁通而损坏铁芯。

铁芯的工作磁通密度B与电压、频率的关系为B=KU／f，K为系数。当U／f增加时，工作磁通B增加，励磁电流增加，特别是在铁芯饱和后，励磁电流急剧增大，造成发电机和变压器过励磁，铁芯损耗增加，铁芯温度升高，影响发电机和变压器的安全运行，因此，需要装设性能完善的V/Hz限制和过励磁保护，从而确保发电机和变压器的安全稳定运行。

当发电机与变压器之间有断路器时，可分别设置过励磁保护，定值按发电机与变压器允许的不同过励磁倍数分别整定。

一般避免过励磁通过防止设备运行电压过高，一般电压越高，过励磁情况越严重，允许运行的时间也就越短。根据变压器和发电机特性曲线和不同的允许过励磁倍数，加装过励磁保护，发出告警信号或切除设备。

过励磁保护一般由定时限和反时限构成，定时限低定值延时动作于发信，定时限高定值和反时限动作于跳闸。

3.过励磁保护动作情况分析

3.1.事件序列

3.2保护动作情况分析

根据事件序列，故障录波第一次启动录波是由于励磁电压上限启动，波形如下所示：

故障录波装置的励磁电压上限定值为16.82mA，换算一次值为560V。

图中581个采样样点，时刻为11:18:10.696830，励磁电压到达561.448V，启动第一次录波。

11:18:11.575126虚线位置为881ms启动第二次录波，此时V/Hz值为1.06，到达发电机和主变过励磁报警的启动值，延时10s，发出过励磁报警，如下图所示。

由故障录波图可以看出机端电压三相线电压均值由24.67kV下降到24.492kV，且无功功率由356.218Mvar上升至426.410Mvar，ABB励磁系统的发电机无功调节是负调差系数，即由于调差率的因素，无功越大，励磁电压越高，因此共同导致励磁电压上升，以稳定发电机机端电压和系统电压。

经咨询，电网故障为距离本站30km相邻变电站变压器低压侧发生AB相间短路故障，高压侧一次值由305kV降至290kV，约180ms后，发展为三相短路故障，约1s后 主变低后备保护动作切除，跳闸之前电压基本均为290kV左右。对侧变电站故障波形如下所示：

从对侧录波图上可看出，故障0时刻发生，应为11:18:10.403950

180ms应为11:18:10.583950，对应我厂故录励磁电压上限第一次启动

大约在1056ms跳闸，此时刻为11:18:11.459950对应我厂虚线位置为启动第二次录波

在我厂励磁电压上限启动的波形上，从第一次录波（581个采样点）到第二次录波（1313个采样点），如下图所示，时间差为878.296ms，与对侧站从故障发展到三相到保护动作跳开的相差的876ms刚好匹配（1056ms-180ms）。

3.3保护动作疑点分析

故障录波中采到的发电机电压的V/Hz≥1.06只有178.170ms，但根据事件序列，过激磁信号持续了158s，与故障录波中的故障时间178ms相差甚远，且发电机过励磁保护定值为1.06pu，延时150s跳闸，实际却并未动作。

根据动作情况与保护原理，发现存在以下问题：

1、过励磁报警时间长于实际故录采到的大约定值的时间

2、发电机过励磁保护并未启动，且并未动作，是否因失灵元件为相电压启动，而过励磁保护为线电压启动导致，若均为线电压启动，发电机过励磁元件为何达到定值却未启动。

下面针对两处疑问，分别进行分析。

1）过励磁报警时间长原因分析

因过励磁报警均由灵活元件构成，灵活元件的HYSTERESIS定值目前为3%，按照下图关于HYSTERESIS的定义，当灵活元件采样值停留在启动值3%的幅度内时，灵活元件会认为没有变化，依然维持启动状态，只有当采样值降低超过3%的幅度，灵活元件才能退出。

按照目前启动值1.06，3%的系数，需当V/Hz降低为1.06*（1-3%）=1.0282，灵活元件才能退出，发出FxE 1 DPO，过励磁报警信息可复位。

所以，从波形上看V/Hz≥1.06持续时间只有178ms，但是过励磁报警并没有立即复位，而是一直持续至V/Hz＜1.0282时，过励磁报警才复位。经查波形，当过励磁报警复位时，V/Hz＜1.0282。

2）发电机过励磁保护未启动原因分析

因咨询厂家，厂家未能给出答复，在实验室利用保护装置的备件进行试验验证。

将备件的过励磁定值和灵活元件定值分别按照现场保护定值进行设置，主要定值如下：

分别进行了如下实验：

在定值1.06的情况下，频率保持50Hz不变，

启动值为1.06*57.74=61.2044V

灵活元件返回值1.06*57.74*（1-3%）=59.368268V

试验一：故障情况如下：

无任何报文启动

试验结果：灵活元件的电压采样逻辑与保护元件一致，均为线电压启动。

试验二：故障情况如下：

装置报文情况如下：

试验结果：1、灵活元件与过励磁保护元件均启动

2、过励磁保护元件启动时间晚于灵活元件启动时间；

3、当实际值低于1.06时，过励磁保护元件立即返回，

4、当实际值低于1.06*（1-3%）=1.0282时灵活元件立即返回。

试验三：将保护元件的定时限时间进行修改验证过励磁保护元件启动时间

试验结果：1、过励磁保护元件需要故障持续2%的定时限时间才能启动

通过以上分析以及试验得知：

1. 过励磁报警持续时间长于实际故障时间，是由于用于报警信号的灵活元件返回系数导致；
2. 灵活元件与保护元件的启动均为线电压；
3. 发电机过励磁保护元件未启动，是由保护元件需要故障持续2%的定时限时间才能启动；
4. 当V/Hz达到1.06时，保护动作响应正确，励磁系统的V/Hz限制器未能动作。

3.5 可优化设计分析

1）针对灵活元件返回时间长问题，目前灵活元件返回系数为3%，根据装置说明书里该定值可调范围为0.1%~50%，步长为0.1，可考虑将此定值调小，便于故障消失后，报警及时返回。

2）励磁V/Hz限制器与发电机过励磁保护配合问题

根据《防止电力生产事故的二十五项重点要求》第11.3.3节：“励磁系统的V/Hz 限制环节特性应与发电机或变压器过励磁能力低者相匹配，无论使用定时限还是反时限特性，都应在发电机组对应继电保护装置动作前进行限制。V/Hz 限制环节在发电机空载和负载工况下都应正确工作”。此次发电机过励磁保护报警动作，V/Hz限制器未动作，不满足反措要求，需重新复核励磁V/Hz限制器与发电机过励磁保护定值配合。

咨询其他电站，目前励磁V/Hz限制器动作方式与我厂相同，均采用定时限瞬时动作；咨询ABB，国内普遍采用此方式。V/Hz限制器定值方面，此定值需根据发电机耐受曲线设定并与发变组保护进行配合，三门核电定值与我厂相同；由于限制器受到电压给定值、调差率等影响，目前正在进行仿真试验，以确认其是否满足配合要求。

4.总结

过励磁报警是因为相邻变电站主变故障跳闸导致机组电压、电流及功率相应的振荡，属于区外故障。故障期间主变高压侧电压、机端电压、中压进线电压降低，导致相应的报警出现。故障切除后，电网电压及无功功率整体升高，导致发电机、主变过励磁保护信号动作。待电网稳定后，发电机、主变、励磁系统相关电气量恢复正常，相关报警消失。故本次报警为电网故障瞬态及恢复稳态的过程中导致，保护装置及励磁系统响应正常。