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发电机组常发转子过压信号现象的浅析 |
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| 发电机组常发转子过压信号现象的浅析 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-23 16:20:28  |
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1 前言
国万安水电厂设计装机总容量为5×100MW，今年年底5号机组将建成投运，届时总装机将达到533 MW，该厂目前共有110kV一段单母线及220kV二段双母线通过七回线路与电网相连，担负着江西电网的调频、调峰、事故备用等重任，在电网中起着江西南北电力枢纽的作用。该厂水轮发电机组的安全稳定运行，直接关系到江西电网的安全，是保证江西电网稳定和电能质量的关键所在，国电万安水电厂发电机组采用静止可控硅整流装置的励磁方式，1、2号机组采用自复励的励磁方式，3、4号机组采用自并励的励磁方式，自并励励磁方式接线简单、易于制造、技术性能优良、维护工作量少、设备占地面积少，水电站厂普遍采用这种励磁方式。
2 概述
随着电力工业的发展，发电机组单机容量的不断扩大以及发电机励磁系统参数的进一步提高都对发电机转子主要保护的快速灭磁和过压保护的可靠性提出了更高的要求。目前国内外的发电机转子保护装置都已经摆脱了传统的灭磁开关灭磁方式，逐渐发展成能量转移的灭磁方式和新型的过压保护。我国从八十年代中期就开始在大中型水轮发电机组上采用ZnO非线性电阻灭磁技术，这不仅在理论上有重大突破，而且在生产技术、检测技术、维护运行等多方面都取得了丰硕的成果。万安水电厂3号发电机组励磁系统除具备正常的调节整流功能外，还配备了交直流侧的过电压、限电压、过电流、非全相过压、可控硅换向产生的尖峰过电压保护、发电机转子侧的快速直流断路器（以下简称灭磁开关）和非线形电阻灭磁装置。
我厂3号机组励磁系统主要参数为：额定空载励磁电压171V、额定负载励磁电压480V、阳极电压1050V、转子耐压试验值为3500V、转子过压保护整定值为2600V、ZnO阀片动作值U10mA为1130V、U10mA/2时泄漏电流小于100vA。3号机组灭磁开关改型前的型号为DM4-1600型断路器，属早期产品，存在大电流开断能力不足、小电流不能可靠断弧以及操作机构的可靠性和可维护性较差等技术缺陷。非线形电阻灭磁装置在经过多年的运行后，ZnO阀片泄漏电流已经呈现出增大的趋势，有些甚至超出标准允许范围，性能上的劣变不能保证事故情况下发电机组可靠灭磁以及转子过压情况下限制电压的保护作用。在前年机组大修的时候对该台机组灭磁开关及过压保护装置进行了技术改型，消除了我厂发电机组存在的安全隐患，大大提高了发电机组的健康水平，进一步保证了我厂设备以及电网的安全稳定运行。
3 改型后的灭磁回路介绍
改型后的灭磁开关为DMX-1600-4/0型4断口直流断路器，过压保护及灭磁装置采用科大创新科聚公司生产的MYNZ1型保护装置，具有结构简单、维护方便、动作可靠、灭磁迅速、能容量大、限压稳定、性能优越、寿命长等特点。其中ZnO阀片非线形灭磁电阻组RV在电压低于其标称电压的70%以下时，通过的电流仅为微安级，即发电机组正常运行情况下ZnO阀片泄漏电流均在10uA以下，但如果励磁转子回路出现过电压，且该电压值超过标称电压值时，压敏电阻自动吸收且把高电压限制在发电机转子安全电压范围内，使过电压的能量全部在阀片组内消耗，确保了发电机转子绝缘不受损害，同时进行"转子过压"信号告警。该装置和灭磁开关配合使用于发电机转子过电压及灭磁保护回路中，保护发电机组安全稳定运行。
我厂发电机组正常停机时采用逆变的方式灭磁，灭磁开关并不跳闸，转子剩余能量通过逆变送回至交流系统。但机组发生事故跳灭磁开关时，该装置就将转子剩余能量全部转移到内部消耗吸收并进行"灭磁"信号告警。下面分别就装置的两种功能加以说明：
3.1 灭磁功能
如发电机励磁主回路图一所示，正常情况下，L01为励磁电源正端，L02为负端，当机组出现事故时，机组保护装置作用于灭磁开关FMK并跳闸，FMK依靠四组常开触头同步分断转子励磁电源回路，使转子失去励磁直流电源，抑制事故进一步扩大。由于发电机转子是一个很大的电感线圈，在灭磁开关触头断开励磁电源的瞬间，转子内部会产生一个很大的反向感应电势，表现在灭磁开关断口间建立起一个足够高的与励磁电源反向的高达4000V的弧压（其产生的能量称为转子剩余能量，此时L02为正，L01为负），该弧压减去励磁电源电压（阳极电压）后，其大小足以使二极管V1和ZnO阀片电阻组RV1回路导通，回路呈现低阻态，使得转子绕组因感应电势产生的电流全部通过RV1回路，其能量迅速在RV1阀片组内消耗，绕组中的感应电势以极快的速度降至最低，这样就完成了转子剩余能量的转移和消耗，确保了转子灭磁的顺利进行，使得高压感应电势无法进入到发电机转子内部，进一步对转子绝缘起到保护作用。
3.2 过压保护功能
当发电机受干扰或者可控硅换相等原因产生的瞬时电压过高（称为过电压或尖峰电压）且高于可控硅触发器TR1的动作值（可整定）2600V时，TR1就发出一触发脉冲触发可控硅V2，使ZnO阀片电阻组RV1和V2回路导通，这样过电压就被限制在RV1的动作电压1130V，起到限制电压和灭磁（过电压被有效降低）以及保护转子绝缘的作用。在尖峰电压（转子回路中安装了尖峰吸收装置用于吸收瞬间尖峰电压）或过电压消失后，加在L01、L02两端的电压就只有转子的额定负载电压（我厂为480V），低于RV1的导通电压1130V，通过RV1回路的电流只有ZnO阀片组的泄漏电流，整组阀片的泄漏电流小于1mA，不足以维持可控硅V2工作，致使V2处于截止状态，回路也呈阻断性，回路停止工作，直流电源全部流入转子绕组回路。
4 过压保护及灭磁装置安装的必要性
4.1 发电机组在运行过程中受到大的扰动，静止励磁的同步发电机在转子绕组上产生的正向过电压或反向过电压，发电机出现两相、三相短路、失步、非同期合闸、灭磁、非全相运行等情况时，发电机的电枢反应都会使转子电流发生剧烈摆动，当转子电流企图摆至负方向而被硅元件截止时，在转子励磁绕组内就会感应很高的正向过电压，这种过电压持续的时间不长，但能量集中，威胁硅元件以及转子励磁绕组绝缘的安全。
4.2 静止可控硅励磁电源因可控硅管的关断出现的换相尖峰过电压，从交流侧通过励磁变压器和气隙传过来的大气过电压以及电网操作过程中出现在转子内部的过电压都会威胁转子的安全。
4.3 在事故跳闸灭磁过程中，如果没有装设此装置，则实现不了转子能量的转换，其能量只有慢慢地在转子绕组内部消耗，灭磁过程较长，对发电机危害较大。
所以为了保护发电机不受损害，确保电网的安全运行，水轮发电机组必须安装过压保护及灭磁装置。
5 现阶段主要存在的问题
5.1 由于我厂3号机过压保护装置中的ZnO非线形电阻组RV1兼有反向灭磁和过压保护双重功能，所以在灭磁和过压的情况下RV1均开通动作。由于其励磁并联变二次侧电压（阳极电压）为1050V，当机组正常逆变停机时，阳极反向峰值电压可达1050×√2=1485V，此电压大于ZnO灭磁电阻的动作电压1130V，所以在正常停机、逆变灭磁时V1和RV1回路导通，电流互感器CT1也因感应电流后动作于信号继电器K4（如图五），K4的辅助接点接通"转子过压"信号告警回路，故逆变停机时"转子过压"告警其实反映出发电机的实时电压情况。只要阳极电压正好在峰值1485V附近停机逆变时，都会导致装置发"转子过压"信号，尽管该信号不影响设备正常运行，反映的是转子回路工作的实际情况，造成这种现象发生的原因是因为在选配ZnO阀片时技术上的考虑欠缺，频发信号容易给运行人员以混淆，养成麻痹思想，也给平时的维护工作带来了不便，所以我们有必要对此回路作技术上的改进，将此"误发"信号消除。
5.2 如果每次停机RV1都动作，则造成该装置ZnO阀片老化加快，泄漏电流增大，寿命缩短等性能上的劣变，装置功能将受到严重影响。这样在过电压产生时，大的ZnO泄漏电流将一直能维持其导通，不能使V2及时有效关断，影响励磁电源的正常供给，严重时导致发电机组失磁保护动作，给电厂、电网以及广大用户的用电质量造成不安全因素，所以我们有必要对该装置进行改进。
6 针对以上情况，提出几种改进办法
6.1 不增加任何器件，只需按主回路图二接线，把用于"转子过压"及"转子灭磁"信号回路的电流互感器CT1和CT2分开，这种回路的改进实际上对ZnO阀片的性能的劣变没有取到有效的抑制作用。当发电机逆变停机时V1和RV1回路仍然导通，只是CT1不感应电流，继电器K4不动作，装置不进行"转子过压"信号告警。此时尽管CT2感应电流后动作于K5，但灭磁开关辅助接点FMK5处于断开位（灭磁开关在合闸），闭锁"转子灭磁"信号回路（见图五）。这种处理方法只是消除了"转子过压" 报警信号的发生，但实际停机时RV1仍然工作，装置对RV1性能的改进没有任何保护作用。
6.2 增加两路动作电压为1600V的过压保护阀片RV2组，将承担灭磁及过压保护双重功能的电阻RV1改为只承担灭磁任务，增加一只大功率二极管V3串接于RV1灭磁电阻。如图三所示，当转子出现过压时，RV2回路工作且进行"过压"信号告警。由于二极管V3的单向导通作用，在正向过压情况下， RV1灭磁电阻组并不导通，改进后的回路可以有效减少RV1的动作次数，对保护阀片性能起到积极作用，实际上是提高了发电机灭磁回路的可靠性；在停机逆变灭磁时，电压可高达1485V，但由于此时的RV2灭磁电阻的导通电压为1600V，所以RV2及CT1回路并不导通，继电器K4不动作，过压信号不会误发；当发电机事故引起灭磁开关跳闸时，反向感应电势使RV1和CT2回路导通，确保发电机转子的能量转移到RV1内部消耗并进行 "灭磁"信号告警。但这种处理方法需要重新选配性能不同于RV1的ZnO阀片组RV2，工艺上比较复杂，而且需要在现有的灭磁柜上加装RV2组，在改进工作中显得有一定的难度及复杂性。
6.3 在如图三的基础上，可以选配和RV1具有同样性能的ZnO阀片组RV2，用于正向过压保护回路中，RV1只承担灭磁任务，但此时需在回路中串接灭磁开关FMK的常开主触头FMK3（在灭磁开关的FMK1、FMK2主触头的同一钢性转动轴上加装FMK3），保证传动机构在灭磁开关跳闸、合上触点FMK3的瞬间再断开FMK1、FMK2触点），保证灭磁回路RV1接通，使转子能量能顺利得到转移，达到灭磁的目的。正常停机逆变时因FMK3处于断开位置，RV1回路不通，回路的改进使得灭磁电阻RV1的动作次数减少了，有效抑制其性能的劣变。但这种技术改进要求灭磁开关机构动作完全可靠，否则FMK3合不上或者在FMK1、FMK2断开后再合上，发电机转子的灭磁就将受到严重影响，给发电机带来很大危害。
6.4 如主回路图六，还是采用RV1灭磁和过压兼用的改造思想，在灭磁回路上主要加装一个可控硅V3和触发器TR2（动作值可据实际情况整定），TR2动作值整定为1600V。此回路中灭磁时的工作原理和过压保护工作原理一样，也需要触发器TR2触发V3接通灭磁回路，无疑此回路对TR2和V3性能稳定、工作的可靠性提出了更高的要求，否则发电机的灭磁功能得不到保证。经过这种回路改进后，可以抑制灭磁电阻组的动作次数，防止灭磁电阻的性能的加速劣化。由于发电机在不同的负荷情况下发电机的灭磁电压都不一样，所以TR2的整定值的大小难以确定，尚若此值较大，则小电流灭磁时，TR2不触发V3，发电机不能正常灭磁，如果TR2的整定值偏小，则V3在灭磁电压较小的情况下就会导通，同样不能避免"过压"信号误发的情况发生。
7 结束语
以上几种技术改进办法都能有效防止过压信号频发，但就其性能上分析各有利弊。发电机转子的灭磁及过压保护是发电机转子非常重要的保护功能，发电机的过电压时刻威胁着发电机转子的绝缘安全；同样在发电机转子内部出现故障时，也必须尽快切断励磁电源并使得其产生的高电压感应电势以最快的速度降到最低，以使转子绕组中储存的能量尽可能快地消耗，所以转子过压及灭磁保护装置应稳定可靠，这样才能保证发电机安全稳定运行。
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