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一起灭磁电阻柜烧毁事故的分析

国网新疆电力公司电力科学研究院的研究人员李开鑫、翟保豫、冯斌,在2018年第2期《电气技术》杂志上撰文,结合一例一起灭磁电阻柜烧毁的事故,分析了灭磁开关突然跳闸、灭磁电阻柜烧毁和发电机保护拒动的原因,探讨了跨接器电源消失信号上传到DCS的重要性,对类似事件提出了防范措施,为其他电厂避免发生类似事件具有借鉴意义。

某火电厂装机容量为2×660MW。每台发电机以发电机—变压器组单元接线方式接入500kV系统。500kV系统采用一个半断路器接线方式。发电机励磁装置为南瑞电控集团生产的NES6100系列型号的励磁系统,其励磁方式为机端自并励、静态可控硅整流励磁方式,励磁电源由发电机机端经励磁变取得,经可控硅整流后提供发电机励磁电流。

整个励磁系统分四个组成部分:励磁变压器、励磁调节柜、可控硅功率柜、起励及灭磁设备。发电机额定功率PN=660MW、额定电压UN=22kV、额定电流IN=19245A、额定励磁电压Ufd=475V、额定励磁电流Ifd=4906A

1 灭磁开关和跨接器简介

跨接器是灭磁回路重要的组成部分,NES6100系列型号的励磁系统跨接器由机械跨接器和电子跨接器组成。电子跨接器和机械跨接器并联后和线性灭磁电阻串联,最后跨接在发电机转子绕组两端。其中电子跨接器由跨接器控制模块和可控硅组成,如图1所示。

灭磁开关和跨接器示意图

灭磁开关跳闸有两种情况:接收到跳闸指令;流过灭磁开关的励磁电流超过其线圈脱口整定值。如图1所示,正常停机或事故跳闸时灭磁开关接收到跳闸指令,立即跳开,其常闭接点闭合,机械跨接器合闸回路接通,机械跨接器合闸,同时电子跨接器控制模块接收到灭磁开关跳闸信息,立刻通过跨接器控制模块给可控硅发导通指令,电子跨接器导通,将灭磁电阻接入发电机转子回路,依靠灭磁电阻消耗转子能量。

正常运行或起机时灭磁开关接收到合闸指令,立马合闸,其常开接点闭合,机械跨接器跳闸回路接通,机械跨接器跳闸,同时电子跨接器控制模块接收到灭磁开关合闸信息,立刻停止给可控硅发导通指令,可控硅闭合,脱开灭磁电阻,投入发电机转子。

故障过程

20163167点左右,#2机组并网成功。机组运行参数如下:发电机有功功率P=183MW,发电机无功功率Q=98MVar,励磁电压Ufd=268.662V,机端电压U=22kV。不久后,运行人员发现DCS画面报“灭磁开关”跳闸,但主变高压侧断路器50315032开关未跳闸,监控画面也没有任何保护动作信息。

运行人员立即到#2机组保护小室和励磁小室检查,发现保护小室内各保护屏无任何保护动作信息,但励磁小室内灭磁电阻柜有明显烧着现象,并伴随着隆隆黑烟。现场人员立即报告集控室,集控室运行人员立刻手动停机。

待火势扑灭后发现灭磁电阻柜内电阻、相关连接电缆及柜门有明显烧灼痕迹,柜内其它设备都有不同程度的变形及烧损迹象,如图2所示。

现场烧损情况

事故分析

3.1 灭磁电阻烧毁分析

对励磁系统各个盘柜进行检查,发现励磁调节器AVR柜内Q1空开未投入,经核查此空开为跨接器控制电源空开。

此时由于Q1未闭合,机械跨接器操作回路电源消失,所以机械跨接器将无法因灭磁开关的闭合而跳开,即跨接器在跨接状态。这一点从随后调取DCS曲线和历史记录也可以发现,灭磁开关分合闸前后跨接器一直在合位,并且后台显示并网前后一直有“跨接器电源消失”信号发出,只是运行监盘人员没有注意到此信号。

由于该励磁系统跨接器连接的的灭磁电阻为线性电阻,当跨接器导通后,相当于励磁电压直接施加在线性灭磁电阻上。由于灭磁电阻阻值较小,长时间通过的大电流将其烧毁。

3.2 灭磁开关脱扣分析

查看设备参数:励磁变高压侧CT变比为300/5;励磁变变比22/1;根据励磁系统技术参数可得出,灭磁开关的脱扣电流为18000A。调取机组录波图如下图3所示,励磁变高压侧电流最大可达到13A

转子电压和励磁变高压侧电流

根据图3,可以看出励磁变高压侧励磁电流最大为13A。折算到直流侧的励磁电流为:I=13×(300/5)×(22/1/0.816=21029A  (1)

由式(1)可知,此时的励磁电流超过了灭磁开关的脱扣电流18000A,造成灭磁开关跳闸。

3.3 灭磁开关分闸后励磁持续运行原因分析

经现场检查和实际模拟,由于励磁调节柜AVR端子排处灭磁开关跳闸接点二次回路配线松动,当时没有及时把灭磁开关跳闸信息送入到励磁调节柜AVR,造成灭磁开关跳闸而励磁调节器AVR没有任何外部开入信号,而此时主变高压侧断路器50315032在合闸状态,所以励磁调节器AVR判断为负载态,继续运行。

3.4 失磁保护拒动分析

由前面可知,灭磁开关跳开后,AVR继续运行,此时机组参数为:转子电压Ufd=211.385V,机端电压U=20kV(二次值52.4V),机端电流I=6300A(二次值3.1A),发电机有功功率P=169MW,无功功率Q=-132MVar

从灭磁开关跳闸前后可以看出,励磁电压变化不大,因此查看转子电压接线,如图4所示。现场转子电压(励磁电压)取自灭磁开关上口整流侧ZZ:1ZZ:3端子。虽然此时灭磁开关跳开了,但是由于AVR和励磁变压器继续运行,所以直流铜排仍然会有整流电压输出,致使励磁电压前后变化不大。

励磁电压接线

而发电机失磁保护采用的是异步阻抗圆判据、定子低电压判据和转子低电压判据。其中异步圆定值Xa=-0.9Ω,Xb=-29.48Ω;转子低电压定值Ufd=119V,机端低电压定值U=19kV

根据机端电压U=52.4V,机端电流I=3.1A可以计算出机端阻抗为52.4V/2.1A=16.9欧姆。根据发电机有功功率P=169MW,发电机无功功率Q=-132MVar可以计算出当时阻抗角为actg-132/169=-38度,也就是此时机端计算阻抗为16.9Ω∠322º,即机端阻抗已落于第四象限。

又根据异步圆定值Xa=-0.9Ω,Xb=-29.48Ω,计算出在322度上阻抗圆的两个边界点为1.546欧姆和17.157欧姆。机端阻抗16.9欧姆落在失磁阻抗圆内,即此时异步阻抗圆判据开放。

根据机端电压和转子电压数值,很显然可以看出,定子电压和转子电压未达到失磁保护低电压定值,所以失磁保护没有动作。

假若励磁电压取ZZ:1ZZ:2端子,那么在灭磁开关FMK跳开后,励磁电压就会趋于零,失磁保护就会动作。

4 事故结论

1)跨接器电源未投入,且运行人员监盘不仔细,致使DCS长期报“跨接器电源

消失”无人处理。

2)灭磁开关位置信号配线松动,致使灭磁开关跳闸信息无法及时送入到励磁调节柜AVR

3)由于励磁电压接线位置不合理,造成灭磁开关跳开后,在励磁变和AVR均正常工作的前期下,励磁电压下降不多,造成失磁保护未动作。

5 整改措施

1)完善工作票和操作票内容。并网启机前,应根据工作票和操作票内容,逐项检查,逐一核对,确保一切条件满足要求。

2)加强运行人员培训,对于盘柜消失的信号,应及时汇报,并采取相应的措施,切实做好监盘工作。

3)完善跨接器控制电源开关及重要设备的标识,给运行操作人员以提示和警告。

4)加强二次回路功能的理解,如正确的励磁电压接线应该取至ZZ:1ZZ:2端子,而不是ZZ:1ZZ:3端子。

5)对于重要的二次回路,要充分利用定检机会,核查二次回的正确性,确保不会发生保护拒动或误动事件。

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