一起发电机励磁系统故障保护动作分析及启示
2013第十四届全国保护和控制学术研讨会
一起发电机励磁系统故障保护动作分析及启示
郭自刚，陈俊，陈佳胜，严伟，张琦雪
（南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市 211102）
摘要：本文介绍了一起发电机励磁系统故障案例，通过分析保护装置记录的相关电气量波形及故障报告，确认失磁保护和转子一点接地保护先报警，后由失磁保护动作于跳闸。由于转子一点接地保护未投跳闸，导致故障不能及时切除。类似故障在国内已多次发生，对励磁系统造成了严重的损坏，因此建议转子一点接地保护设置为两段，高定值段动作于报警，低定值段动作于程序跳闸。
关键词：励磁系统故障；转子一点接地保护；失磁保护；程序逆功率保护
0 引言
GB/T 14285-2006《继电保护和安全自动装置技术规程》4.2.11节要求1MW 及以上的发电机应装设专用的转子一点接地保护装置延时动作于信号，宜减负荷平稳停机，有条件时可动作于程序跳闸。DLT 684-2012 《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》也删除了转子两点接地保护的内容，建议转子一点接地保护配置两段，高定值段动作于信号，低定值段可动作于跳闸[1-2]。
目前，还有不少电厂（特别是火电厂）依然按照旧的规程配置转子一点接地和转子两点接地保护，转子一点接地保护投信号，转子两点接地保护投跳闸。一方面，转子两点接地保护尚不完善，存在拒动的可能性[3]。另一方面，可靠的转子一点接地保护动作于跳闸，可以及时切除励磁系统的故障，大大减少故障造成的损失。
本文将分析一起发电机励磁系统故障的案例，由于转子一点接地保护未投跳闸，不能及时切除励磁系统故障，最终靠失磁保护跳闸停机，造成励磁机严重烧损。该案例说明了转子一点接地保护投跳闸的必要性。
最后整个联合循环机组程序跳闸。发电机励磁系统是三机无刷励磁，事后检查发现燃机的主励磁机内部绕组短路烧毁，只能重新更换。
燃机保护A 、B 柜装置液晶均有失磁保护报警和失磁保护跳闸信号，保护B 柜液晶还有转子一点接地报警信号。汽机保护A 、B 柜装置液晶均有程序逆功率保护跳闸信号。燃机保护装置故障报告显示，9时29分44秒970毫秒发“失磁保护III 段报警信号”，9时29分47秒665毫秒报警返回；9时29分53秒818毫秒发“转子一点接地信号”；9时30分34秒576毫秒 “失磁保护启动”，499ms 后发“失磁保护III 段报警信号”，798ms 后“失磁保护II 段跳闸”。汽机保护装置故障报告显示，9时34分54秒136毫秒“发电机功率保护启动”，2412 ms 后“发电机程序逆功率保护跳闸”。
从故障报告可初步判断是燃机的励磁系统有故障，导致失磁保护报警和转子一点接地保护报警，后由失磁保护动作跳闸，关汽机主汽门。汽机主汽门关闭后，程序逆功率保护动作停机。
2 燃机保护录波波形分析
保护装置记录了保护报警和跳闸整个过程的完整波形。由于保护装置录波采用原始波形+幅值的格式，其中幅值录波部分采用每秒一个采样点进行了波形压缩，因此原始波形的时标和幅值的时标并不是等间隔，文中为了分析
1 发电机机组保护动作情况
2013年5月26日9时30分，某燃气-蒸汽联合循环电厂一台燃气机组失磁保护突然跳闸，与之相联的汽机主汽门关闭，汽机逆功率，
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方便假定它们时标间隔是一致的。
由于两套保护动作行为一致，以下分析以B 套保护录波数据为例。
2.1 失磁保护III 段报警波形分析
失磁保护III 段投入阻抗判据，动作于报警。整定定值为：阻抗圆特性选择异步阻抗圆，增大、电流减小，发电机正序阻抗轨迹离开异步阻抗圆，失磁保护延时返回。 2.2 转子一点接地保护报警波形分析
转子接地保护采用注入方波原理，投入一点接地报警和两点接地跳闸判据。整定定值为：一点接地灵敏段报警电阻定值为20 k Ω，一点其中上边界Z A 整定为1.88Ω，下边界Z B 整定为30.51Ω，失磁保护III 段报警延时整定为0.5s 。
发电机机端三相电流、三相电压、有功、无功原始波形如图1所示。从图中可看出发电机有功正向，发电机无功反向；机端电流先增大后减小，机端电压先减小后增大。
A
/a A
/b A
/c V
/a u V
/b u V
/u c %/P %
/Q
t/s
图1 发电机原始波形1
由发电机机端三相电压和三相电流计算的正序阻抗轨迹如图2所示，图中阻抗圆为失磁保护异步阻抗圆。
m
h o /X R/ohm
图2 机端正序阻抗轨迹
从图1和图2，可看出励磁系统有故障，导致发电机失磁，发电机无功反向，发电机正序阻抗进入异步阻抗圆内，满足失磁保护III 段判据，延时发报警信号。后来由于机端电压
接地报警电阻定值为5 kΩ，一点接地报警延时为3s ， 两点接地跳闸延时为1s 。
发电机有功P 、无功Q 、注入电源电压Uin 、泄露电流Ix 、发电机转子电压Ur 、转子接地电阻Rg 、转子接地位置α的原始波形如图3所示。
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/P %
/Q V
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/x I V
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r U Ω
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图3 转子接地保护波形
从图3可看出发电机有功正向，发电机无功正向；注入式转子接地保护测量电阻为0.1 kΩ至0.15kΩ之间，低于转子一点接地灵敏段报警定值和一点接地报警定值，转子一点接地保护延时发报警信号。 2.3 失磁保护跳闸波形分析
失磁保护II 段投入阻抗判据和机端母线低电压判据。整定定值为：阻抗圆特性选择异步阻抗圆，其中上边界Z A 整定为1.88Ω，下边界Z B 整定为30.51Ω，机端母线低电压定值为85V ，失磁保护II 段跳闸延时整定为0.8s 。
失磁保护I 段只投入阻抗判据。阻抗整定
定值和失磁II 段一样，失磁I 段跳闸延时整定为1.1s 。
发电机机端三相电流、三相电压、有功、无功原始波形如图4所示。从图可看出，保护跳闸后机端电流减小至零，机端电压逐渐衰减，有功从正值变为零，无功从负值变为零。
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A
/a A
/b A
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u c %
/P %
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图4 发电机原始波形2
由发电机机端三相电压和三相电流计算的正序阻抗轨迹如图5所示，图中阻抗圆为失磁保护异步阻抗圆。
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h o /X R/ohm
图5 机端正序阻抗轨迹
机端三相相间电压幅值波形如图6所示，图中直线为机端低电压定值85V 。
V
/m b a u V
/m b c u
V
/m a u c t/s
图6 机端三相相间电压幅值
从图4、图5和图6，可看出励磁系统有故
障，导致发电机失磁，发电机无功反向，发电
机正序阻抗进入异步阻抗圆内。当机端相间电压幅值低于85V ，且失磁阻抗在圆内停留的时
3
间超过了失磁保护II 段延时，失磁保护II 段动作跳闸。失磁保护II 段跳闸后，由于机端电流减小至零，发电机正序阻抗开始逐渐增大，正序阻抗轨迹离开异步阻抗圆，保护延时返回。
失磁保护I 段只投入阻抗判据，由于整定延时较长，来不及动作而返回。假如本案例中
母线低电压判据不满足条件，失磁保护II 段不
动作，则最终可以由失磁保护I 段切除故障，所以这段失磁保护的配置是很有必要的。
3 故障录波器录波波形分析
从燃机保护装置故障报告可看出：转子一点接地保护报警后，又过了40余秒后，才由失磁保护II 段动作切除故障。在这期间发电机电压、电流是怎样变化的，失磁保护为何没有动作？从燃机保护装置的录波无法判断，只能借助故障录波器的录波波形进行分析。
故障录波器记录的发电机机端三相电流、三相电压、主励磁机励磁电压、励磁电流原始波形如图7所示。由发电机机端三相电压和三相电流计算的正序阻抗轨迹如图8所示，图中阻抗圆为失磁保护异步阻抗圆。
A
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a A
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/c V
/a u V
/b u V
/u c V
/r U A
/r I t/s
图7 发电机原始波形3
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h o /X R/ohm
图8 机端正序阻抗轨迹
一起发电机励磁系统故障保护动作分析及启示 郭自刚 等
从图7可看出，录波器记录了从发电机失
磁保护III 段报警前的一段时间到失磁II 段跳闸的波形全过程。起始时刻发电机机端电流增大，电压降低，从图8可知发电机正序阻抗轨
迹首次进入异步阻抗圆，对应保护装置中发电机失磁III 段报警的波形。因为失磁，励磁调节器调节主励磁机的励磁电压和励磁电流，使之显著增大。
随着机端电压逐渐增大、电流逐渐减小直到保持稳定，发电机正序阻抗轨迹离开异步阻抗圆，从第四象限逐渐进入到第一象限。
从图7可看出，在这之后的一段时间内，励磁电压和电流一直在波动，说明励磁系统确实有故障，事后查明是励磁机内部绕组短路。发电机机端电压和电流变化不显著，推测此时应是处于不稳定短路状态。
持续了40余秒后，励磁机绕组短路加剧，发电机机端电流再次增大，机端电压再次降低，发电机正序阻抗轨迹再次进入异步阻抗圆，对应保护装置中发电机失磁II 段跳闸的波形。与此同时，励磁调节器调节主励磁机的励磁电压和励磁电流，使之再次显著增大。
在失磁保护跳开主变高压侧断路器和灭磁开关后，发电机电流消失，电压逐渐衰减，发电机正序阻抗轨迹离开异步阻抗圆，保护延时返回。主励磁机的励磁电压和励磁电流也变为零。
可见故障录波器的波形与保护装置的动作波形完全对应，进一步验证了保护动作的正确性。
主变高压侧三相相间电压幅值波形如图9所示，图中85V 为母线低电压定值。由图可见，主变高压侧三相相间电压幅值始终高于母线低电压定值，说明失磁时系统电压很难降低到一定值。
4 本故障案例的启示
励磁系统故障是发电机比较常见的故障形式。当转子绕组及励磁回路对地主绝缘损坏，会造成发电机转子一点接地甚至多点接地故障；当发电机励磁电流低于静稳极限所对应的励磁电流时，会造成发电机低励或失磁故障[4]。
V
/m b a u V
/m b c u V
/m a u c t/s
图9 主变高压侧三相相间电压幅值
随着发电机容量的增大，发电机组的励磁电流也较大，发生发电机滑环环火事故的频次及故障损失也显著增大[5]。当发电机接地故障发生时，机组不能及时跳闸是故障损失扩大的主要原因。
发电机低励或失磁后，发电机将逐步过渡到异步运行，这个过程通常较长。当发电机失磁保护整定为异步阻抗圆时，可能会出现机端正序阻抗较长时间进入异步阻抗圆，或刚进入很快又退出异步阻抗圆的情形，这对失磁保护尽快切除故障是不利的。
本案例中转子一点接地测量电阻只有0.1 kΩ至0.15kΩ之间，但是跳闸功能没有投入，只能发报警信号。直到又过了40余秒后，才由失磁保护动作切除故障。
鉴于上述原因，从及时切除励磁系统故障、减少损失的角度出发，发电机转子一点接地保护投入跳闸功能是很有必要的。当然，励磁回路接地也可能造成转子一点接地保护跳闸，所以必须加强励磁回路的日常巡检及维护。
如果转子一点接地保护投跳闸，建议将转子一点接地保护设置为两段，高定值段动作于报警，低定值段动作于程序跳闸，跳闸延时不宜整定得太短，建议取5～9s 。
5 结论
本文分析了一起发电机励磁系统故障的案例，并且得到了一些有益的启示，简单总结如下：
1）转子接地保护应该按照最新的规程，投
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入转子一点接地报警和跳闸功能，高定值段动作于报警，低定值段动作于程序跳闸，这对及时切除励磁系统故障是有利的；
2）发电机低励或失磁后，发电机将逐步过渡到异步运行，可能会出现机端正序阻抗较长时间进入异步阻抗圆，或刚进入很快又退出异步阻抗圆的情形；
3）失磁保护的母线低电压判据宜取机端电压，不取系统电压。最好有一段失磁保护只投入阻抗判据，延时可以稍长，动作于跳闸，以确保失磁故障可以切除。
参考文献
[1] 国家技术监督局．GB/T 14285-2006继电保护和安全自动装置技术规程．北京：中国电力出版社，2006．
[2] 国家能源局．DLT 684-2012 大型发电机变压器继电保护整定计算导则．北京：中国电力出版社，
5
2012．
[3] 郭自刚，陈俊，陈佳胜，等．大型水电机组保护若干问题探讨[J]．电力系统保护与控制，2011，39(3)：148-151．
[4] 王维俭．电气主设备继电保护原理与应用[M]．北京：中国电力出版社，1996．
[5] 杨博，马晋辉．防止汽轮发电机转子接地故障的保护配置[J]．热力发电，2011，41(1)：84-85．
作者简介
郭自刚（1979―），男，通信作者，硕士，工程师，主要从事电力主设备继电保护产品研究及开发工作。E-mail ：[email protected]
陈俊（1978―），男，硕士，高级工程师，主要从事电力主设备继电保护研究、开发及管理工作。 陈佳胜（1975―），男，硕士，高级工程师，主要从事电力主设备继电保护研究及开发工作。 严伟（1975―），男，硕士，高级工程师，从事电气主设备微机保护的研究、开发和管理工作。