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一起机组非同期并网及励磁系统无响应的原因分析和处理董淑华

发表时间：2021/7/19 来源：《基层建设》2021年第12期作者：董淑华

[导读] 红海湾电厂3号机组于2011年投入商业运行，额定功率660MW，额定电压22kV，采用ABB公司生产的Unitrol5000型自并励数字式静止可控硅励磁系统及国立智能公司的SID-2CM型自动准同期装置。

广东红海湾发电有限公司广东汕尾 516623

红海湾电厂3号机组于2011年投入商业运行，额定功率660MW，额定电压22kV，采用ABB公司生产的Unitrol5000型自并励数字式静止可控硅励磁系统及国立智能公司的SID-2CM型自动准同期装置。2018年6月28日，3号机组起机并网过程中由于同期装置系统电压采样偏低，机组并网时发电机机端电压约20.4kV，低于额定电压22kV。机组并网后运行人员发现机端电压偏低后随即退出AVC并在DCS上手动增磁，试图手动增加机组机端电压，但随后3min内励磁系统无响应，机端电压、励磁电压、励磁电流保持不变。
一、事件描述

图1 3号机并网前后机组电气参数
图1为3号机并网前后机组电气参数，其中红色为发电机机端电压；蓝色为出口断路器803合闸位置，绿色为励磁电流，黄色为励磁电压，紫红色为低励限制动作信号。

        图2 3号机并网故障录波图
        由图1分析可知，阶段1：3号机起励后，发电机电压升至额定电压22kV的99%；阶段2：随着机组同期装置的调节，机端电压逐步降低至19.99kV；阶段3：随3号机同期并网，随着出口断路器合闸，机端电压上升至20.4kV，但仍低于额定电压22kV，此时励磁系统低励限制动作，机端电压3分钟内维持不变，运行人员退出机组AVC并尝试手动增磁；阶段4：最励磁系统响应了累积的增磁指令并将抬高机组电压，然后运行人员机组继续增磁直至机组电压达到额定。
        二、原因分析
        通过图1可知，随着并网顺控逻辑的进行，机组自动准同期装置开始工作后将3号发电机电压调整至19.99kV后并网。在并网瞬间，由于出口断路器两侧电压压差较大，发电机电压低，系统侧会倒灌大量无功给机组，出现无功功率冲击。通过3号机组故障录波可以查询到，3号发电机有功功率峰值为200MW，无功峰值为-147.32MW，见图2。
        3号机励磁系统采用ABB 公司Unitrol5000型励磁调节器，其低励限制采用五点拟合，具体参数见表1。
        表1 3号机励磁调节器低励限制参数

参数编号	P（%）	Q（P%）
1501	REF0 Q（P）LIM	-24.0 %
1502	REF25 Q（P）LIM	-18.0 %
1503	REF50 Q（P）LIM	-12.0 %
1504	REF75 Q（P）LIM	-6.0 %
1505	REF100 Q（P）LIM	0.0 %

        参数1501-1505都是以发电机额定容量、额定电压为基准计算得到，若转换为有名值则在P-Q平面上这五点分别为：（733.30MW，0 MVar）；（550MW，-44MVar）；（366.7MW，-88 MVar）；（183.3MW，-132MVar）；（0MW，-176MVar），这五个点在P-Q平面上构成一条直线，与P轴和Q轴形成一个三角形，当机组P-Q点落于三角形内，低励限制器不动作，反之则动作。当机组并网瞬间有功功率 P为200MW时，通过上诉参数可以计算得到低励限制器动作边界Q应为-128MW，由于此时无功-147.32MW小于边界值-128MW，位于低励限制动作区，因此低励限制动作正确。
        3号发电机采用国立智能公司的SID-2CM型自动准同期装置，待并侧和系统侧电压均经过装置内部保险后再采样，检查发现系统侧的保险发生慢熔，在同期阶段，系统侧采样电压偏低，随后自动准同期装置自动调节3号机空载电压并降低到与系统侧电压一致，因此造成3号发电机并网时待并侧机组电压偏低，引起并网后无功冲击及励磁系统低励限制动作。
        关于ABB Unitrol5000励磁系统低励限制器动作后复位原理如下：励磁系统内部逻辑有一个电压环、一个无功环，当低励限制动作后，此时励磁系统不响应任何外部电压调整指令，包括AVC指令或DCS手动调节指令。虽然系统对增磁指令无响应，但该指令会影响目标电压值。发电机有功无功表达式如下所示：
        P = Ed*U*Sinδ/Xd
        Q = Ed*U*Cosδ/Xd - U2/Xd
        当增持指令持续存在，会使发电机的目标内电势即Ed↑，由于P保持不变（至少短期内），则发电机功角δ↓，所以发电机无功Q↑。
        因此当电压环目标电压增加到使无功环的目标无功跳出了低励限制区域，励磁系统会立即响应当前的增磁指令，励磁电压、电流瞬间升高，同
        图3 SID-2CM型同期装置背部保险

图4 SID-2CM型同期装置背部保险内部保险丝

        时发电机电压会同步升高。图1中在励磁系统低励限制解除后，励磁系统立即响应低励限制期间运行人员的手动多次增磁命令，造成励磁电压、电流瞬间突然升高。
        三、现场检查和处理
        国立智能公司的SID-2CM型自动准同期装置背面有两个保险（见图3），正常阻值约0.3Ω，系统侧和待并侧电压均通过保险（见图4）再送给同期装置，装置投运时间过长后有可能发生保险丝有断裂但又未完全断裂的情况，表现为保险电阻变大，采集到的电压偏低，本次事件中现场系统侧电压保险就存在该种情况。
        根据现场检查及处理情况，在更换了有问题的电压采样保险后，为了防止这类机组非同期并网事件的发生，采取的措施如下：
        1、针对采用SID-2CM型自动准同期装置的机组在启机检查过程中增加对保险的目视检查并测量保险的电阻，确保保险正常。
        2、运行人员做好事故预想，针对机组非同期并网、低励限制动作应逐步手动缓慢增磁并注意励磁电压、电磁电流，一旦励磁电压、励磁电流及发电机电压突升后，再慢慢将机端电压调整到额定。
        四、小结
        本文从现场实际发生的一起因同期装置电压采集回路保险故障引起的机组非同期并网出发，对机组的运行状态进行了分析，并提出了相应的应对措施，希望使用同类同期设备的电厂重视对此类保险的检查，同时也希望设备厂家不断提升电压回路的可靠性，比如用空开来代替保险或者对电压回路进行监视等，从根本上避免此类事件的发生。