周 涛 陈 超
华能龙开口水电有限公司，云南省大理州 671505
摘 要：大型水电厂在发生全厂对外停电后机组能稳定运行，对于最大限度减少电厂、电网损失，对国民经济的电网运行都有重要意义。本文结合云南某大型水电站发生的一起因全厂对外停电导致机组励磁系统异常调节事件进行分析探讨。
关键词：水电厂 电网事故 小孤网 励磁异常
1.前言
励磁系统的作用是在发电机正常运行时为发电机转子提供基本的磁场能量，当电力系统发生故障时，励磁系统能否及时、正确进行调节，直接影响发电机的安全稳定运行。本文主要对某大型水电厂励磁调节器异常调节经过及原因进行深入的分析探讨，对后续设备逻辑完善、保护功能配置、机组调差【2】分析及设备改进提供了借鉴意义。
2.概述
某大型水电厂发生了一起由于线路故障后，造成全厂对外停电引起励磁系统异常调节事件。事故前全厂1、3、4、5号机组带负荷运行，全厂出力1400MW；500kV两回出线，线路一运行，线路二停电检修。
因线路一四分裂导线断线脱落造成A、C相短路，导致线路一永久性跳闸引起全厂对外停电且4台机组甩负荷。其中1、5号机甩负荷后因机械部件故障导致事故停机，3号机失磁保护动作跳闸解列至空转运行，4号机组甩负荷至空载带厂用电及500kV GIS小孤网运行。
事发后经排查3号机失磁保护动作原因为励磁调节异常导致，因此本文主要对励磁异常调节进行分析，故不再对1、5号机组事故停机原因进行阐述。
3.事件分析
3.1 500kV线路一保护动作情况分析
查看500kV线路一保护装置动作报告、第三串故障录波，A、C相电压降低，电流增大，且相位相反，可以判断线路一A、C相相间故障，光纤电流差动和距离保护Ⅰ段正确动作跳开500kV断路器三相，重合闸不动作。经现场检查500kV线路一，发现线路一杆塔上部A相四分裂导线，其中一股从引流线位置断线，脱落下垂与C相四分裂导线及接地极搭接，造成线路一A、C相短路。
3.2 3号机失磁保护动作情况分析
结合电厂主接线图进行定性分析，10kVⅠ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段母线分段运行，10kVⅠ、Ⅱ、Ⅲ段母线分别由1、2、4号机机端高压厂用变压器供电，10kV Ⅳ段由外来电源供电。
1、5号机组过速保护动作后，3、4号机组并列运行通过1号高厂变低压侧断路器001、2号高厂变低压侧断路器002向10kV厂用I、II段母线供电，在10kV厂用电I、II段母线备自投动作跳开10kV厂用I、II段进线断路器001、002后，3、4号机组失去负荷，两台机组之间因为定子内电势大小和功角差异出现环流。
从4号机机组故障录波分析，两台机组之间未出现环流之前，4号机机端电流在0.02-0.04A之间小幅度变化，但在10kV厂用I、II段进线断路器001、002跳闸后，3、4号机之间出现环流，4号机机端电流增加至0.1-0.18A之间变化，电流由4号机组流向3号机组，此时，进而造成3号机失磁保护动作。下图为电气主接线图及同一时刻3、4号机A相电流有效值，3号机为负值，4号机为正值。
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结合3、4号机机组故障录波进行定量分析，在3号机失磁保护动作前3个周波至保护动作，有功、无功均为负值，期间相电流有效值在0.1-0.18A之间小幅度变化，电压有效值在5.5-5.8V之间小幅度变化，励磁电压保持在-56V左右，机端测量阻抗运行在P-Q（R-jx）图第三象限静稳圆内，满足发电机失磁保护动作条件，加上转子低电压一直满足，因此发电机失磁保护动作。3号机机端测量阻抗运行轨迹如图3-4。
对4号机机组故障录波分析，和3号机失磁保护动作前3个周波至保护动作的相同时间范围内，有功、无功均为正值，无功功率短时接近为0，期间相电流有效值在0.1-0.18A之间小幅度变化，电压有效值在9-15V之间小幅度变化，机端阻抗运行在P-Q（R-jx）图第一象限，未进入失磁保护静稳圆内，不满足发电机失磁保护动作条件，失磁保护未动作。4号机机端测量阻抗运行轨迹如图3-5。
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10kV厂用I、II段进线断路器001、002跳闸后，3、4号机之间出现环流，电流由4号机组流向3号机组，环流功率（主要是无功）从4号机组流入3号机组，使得 3、4号机组励磁调节器调差环节产生了相反的附加控制量。因此，在3、4号机组间环流出现后，3、4号机励磁调节器出现了相反的调整趋势，4号机组励磁电压出现突变性上升，并最终趋于稳定，而3号机由于相反的调差导致电压持续降低，并最终导致机端电压降低，失磁保护动作。
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对3、4号机励磁调节器A套录波分析，励磁调节器动作分为以下几个阶段。
图3-9为第一阶段。线路故障后，机端电压快速下降，励磁触发角输出最小角度10°，开始强励，机端电压迅速回升。
图3-10为第二阶段。由于第一阶段的强励作用，机端电压快速上升至最大113%；与此同时机组转速也在上升，并且报VF限制，限制动作时为1.06倍（电压与频率标幺值之比）。由发电机内电势公式E=4.44*f*N*Φ（f与机组转速正相关，Φ与励磁电流正相关，甩负荷后机端电压U近似等于内电势E）可得，当机端电压和机组转速同时增大时，为维持机端电压在电压给定值，转子电流持续降低以减小磁通量Φ。
图3-11为第三阶段。结合3、4号机故障录波，机组频率最大升至75Hz左右，此阶段由于机组频率高于52Hz，而高于52Hz后调节器采样频率不再跟踪实际机端电压频率，而是以52Hz代替，因此会导致采样出现偏差。负载态下，调节器同步电压跟踪频率为48至52Hz，超出该范围，低频以48Hz、高频以52Hz代替所测同步电压频率。励磁系统无法继续跟踪实时频率，引起机端电压下降。
图3-12、图3-13为第四阶段。第四阶段之前3、4号机组并列运行向10kV厂用I、II段供电，在10kV厂用I、II段备自投动作跳进线断路器001、002后，10kV厂用I、II段负荷同时失去时，从3号、4号机（图3-12、图3-13）励磁调节器录波波形得知，3号机机端电压为47%，4号机机端电压为43.8%，两台机组之间因为定子内电势大小和功角差异出现环流，虽然3、4号机调差系数为零，但是两台机组间的环流在两台主变上的电压降，反映在两台机组的定子电压中，形成所谓的静调差作用，此环流电压降对3、4号机组来说一正一负，这种静调差作用结果对3、4号机组是相反的，由此导致3、4号机组在环流出现后，4号机组转子电压在静调差作用下得到抬升，最终得以恢复机组空载运行，而3号机组在静调差作用下持续降低进而机组失磁保护动作。
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3.3综述及后续处置
3号机失磁保护动作跳闸是由于全厂对外停电，机组甩负荷后带厂内GIS小孤网运行，励磁调节器判定机组仍处于负载状态运行，导致励磁调节器频率运行控制范围缩小（48-52Hz），全厂机组甩负荷初期小孤网频率快速上升至超过52Hz,励磁调节器无法识别当前频率导致调节异常，最终引起3号机失磁跳闸。事件后该水电厂对所有机组励磁调节器负载态频率控制范围由48-52Hz放宽至40-85Hz，彻底解决此极端运行工况下励磁调节器异常的问题。
4.结束语
水电厂全厂对外停电事故发生，对全厂主机、重要辅机设备稳定运行是一项重大考验，由于主辅机设备运行及保护逻辑不完善，极有可能导致事故的进一步恶化及损坏。通过本案例的分析，对后续设备逻辑完善、保护功能配置、机组调差分析及设备改进提供了借鉴意义。
文献参考:
【1】张保会，尹项根.电力系统继电保护[M].中国电力出版社，2009
【2】吴龙.发电机励磁设备及运行维护[M].中国电力出版社，2018