那廣宇，付 宇，張?zhí)旆?，?丹，盧盛陽

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006;2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

電力系統(tǒng)集發(fā)電、變電、輸配電和用電等各個環(huán)節(jié)為一體，電能的生產(chǎn)與消費同時完成，各個方面緊密相聯(lián)，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都有可能造成其他生產(chǎn)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，甚至造成局部電網(wǎng)事故擴大化影響到整個大電網(wǎng)的安全生產(chǎn)運行[1]。

隨著國家“碳達峰、碳中和”的雙碳目標的落實，新能源裝機容量占比不斷提高，電網(wǎng)系統(tǒng)運行難度不斷加大，對發(fā)電機組的網(wǎng)源協(xié)調(diào)水平提出了更高要求[2]。發(fā)電機組如何能夠更安全穩(wěn)定運行，如何能夠?qū)﹄娋W(wǎng)安全起到更有效支撐成為越來越重要的課題[3]。

本文詳細介紹了某220 kV 線路故障導(dǎo)致關(guān)聯(lián)發(fā)電機組跳閘事故的始末，從短路故障過程、勵磁系統(tǒng)動作情況、三機系統(tǒng)電磁功率變化、機組過載能力4個方面進行分析，結(jié)合機組汽輪機振動數(shù)據(jù)，得到此次事故的結(jié)論，并提出了解決辦法，為其他機組排除隱患，避免類似事故發(fā)生提供經(jīng)驗。

1 事故過程

220 kV AC乙線跳閘，三相重合不良，D變電站220 kVⅠ母跳閘，母線保護動作發(fā)送遠跳至BD線對側(cè)；電廠2號、3號、4號主變壓器高壓側(cè)電流和2號、3號、4號發(fā)電機機端電流出現(xiàn)負序分量；2號、3號、4號主變壓器高壓側(cè)電流和2號、3號、4號發(fā)電機機端電流呈現(xiàn)三相短路特性變化；電廠220 kV BD線第1套、第2套保護裝置均收到遠方其他保護動作命令，保護裝置遠方跳閘保護動作電廠220 kV BD線開關(guān)跳閘；故障切除電廠2號機組7瓦振動突增，汽輪機跳閘動作2號機組主汽門關(guān)閉完成；廠用電自動切換2號機組程序逆功率保護跳閘。

事故期間，受系統(tǒng)擾動影響，2號、3號、4號機組部分400 V輔機設(shè)備跳閘。區(qū)域系統(tǒng)接線如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)接線

2 原因分析

2.1 短路故障過程分析

02:16:04，220 kV AC乙線發(fā)生單相接地故障。02:16:04.275，B電廠2號、3號、4號發(fā)電機定子繞組均出現(xiàn)負序電流，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 單相接地故障機組負序電流數(shù)據(jù)

02:16:07，B電廠2號、3號、4號機組轉(zhuǎn)子軸系出現(xiàn)小幅振動。02:16:44，D變電站220 kV母聯(lián)Ⅰ母隔離開關(guān)發(fā)生短路故障。根據(jù)B電廠提供錄波文件，發(fā)現(xiàn)該短路故障由AC相間短路轉(zhuǎn)為三相短路。

02:16:44.133，B電廠2號、3號、4號發(fā)電機定子繞組均出現(xiàn)負序電流，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 相間短路轉(zhuǎn)三相短路故障機組負序電流數(shù)據(jù)

02:16:44.156，B電廠2號、3號、4號發(fā)電機機端呈現(xiàn)三相短路電流，數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 相間短路轉(zhuǎn)三相短路故障機端三相短路電流數(shù)據(jù)

02:16:46，B電廠2號、3號、4號機組轉(zhuǎn)子軸系出現(xiàn)大幅振動，2號機組轉(zhuǎn)子軸系7號軸瓦振動突增，滿足汽輪機跳閘條件(200 μm 3取2)，振動數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 2號機組振動曲線

負序電流在發(fā)電機氣隙中產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)磁場，相對于轉(zhuǎn)子為2倍的同步轉(zhuǎn)速，因此在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出100 Hz的倍頻電流。同時，轉(zhuǎn)子正序氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與定子負序電流之間也產(chǎn)生100 Hz的交變電磁力矩，這2種力矩將同時作用于轉(zhuǎn)子大軸引發(fā)軸系振動。

發(fā)電機三相短路時，定子電流會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場和直流磁場，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁鏈守恒被破壞。轉(zhuǎn)子勵磁回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流以建立抵消上述磁場對轉(zhuǎn)子繞組形成的磁鏈，上述磁鏈暫態(tài)過程變化將進一步引發(fā)轉(zhuǎn)子軸系振動。

綜上所述，負序電流和三相短路電流都會對機組轉(zhuǎn)子軸系振動產(chǎn)生影響。

2.2 勵磁系統(tǒng)動作情況分析

勵磁系統(tǒng)是供給同步發(fā)電機勵磁電流的電源及其附屬設(shè)備。當電力系統(tǒng)短路、負荷突然增減時對發(fā)電機進行強行增磁減磁以提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。隨著勵磁電流變化，造成磁場不平衡，易導(dǎo)致汽輪發(fā)電機振動數(shù)值增大。

根據(jù)3臺機組故障錄波波形可知，發(fā)生故障時，機組勵磁電流增加，勵磁系統(tǒng)進行增磁動作。發(fā)生三相短路故障時，較比單相短路故障，母線電壓降幅更大，增磁幅度更大。對比分析3臺機組在事故前后勵磁電流變化與振動趨勢可知，機組增磁時，磁場中安培力變大，發(fā)電機和勵磁機振動增大。

2.3 三機系統(tǒng)電磁功率變化分析

發(fā)生單相接地時，機端電壓降低至80%額定值，汽輪機輸出功率不變，發(fā)電機輸出的電磁功率ΔP下降較小，發(fā)電機與汽輪機之間的對輪傳遞功率降低，汽輪機轉(zhuǎn)速上升較小，從2997.839 r/min上升至2998.825 r/min。而勵磁電壓、勵磁電流的上升需要勵磁機輸出的電磁功率ΔP增大，因此勵磁機功率增大導(dǎo)致發(fā)電機與勵磁機對輪傳遞功率上升，進而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動上升。

發(fā)生三相短路時，機端電壓降低至60%額定值，相較于接地短路，發(fā)電機輸出的電磁功率ΔP下降更大，發(fā)電機與汽輪機之間的對輪傳遞功率降低更多，汽輪機轉(zhuǎn)速上升較大，從2998.188 r/min上升至3002.245 r/min。同時，勵磁機需要輸出的電磁功率ΔP上升更大，發(fā)電機與勵磁機對輪傳遞功率上升更大，轉(zhuǎn)子振動也就更大。

2.4 機組過載能力分析

發(fā)電機過載能力體現(xiàn)發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定性，具備較小同步電抗的發(fā)電機，具有更大的過載能力[4]。同步發(fā)電機額定功率為

(1)

式中:δΝ為發(fā)電機機端電壓與空載電動勢的夾角；U為發(fā)電機機端電壓；E0為發(fā)電機空載電動勢；xd為發(fā)電機同步電抗。

同步發(fā)電機的最大功率為

(2)

最大功率與額定功率之比稱為過載能力，用Km表示為

(3)

由式(3)可知，δN越小，Km越大。在一定負載情況下，減小δN必須要減小同步電抗xd。因為短路比與直軸同步電抗xd互為倒數(shù)，所以具有較大短路比的電機也具有較大的過載能力。

B電廠2號、3號、4號機組的發(fā)電機電抗參數(shù)如表4所示。由表4可知，2號發(fā)電機的各項電抗參數(shù)均大于3號、4號發(fā)電機，因此3號、4號發(fā)電機具備更好的穩(wěn)定性，過載能力更強，受故障電流影響小。

表4 發(fā)電機電抗參數(shù)

3 應(yīng)對措施

a.為保障機組穩(wěn)定運行，建議在軸承振動保護中增加1 s延時，避免振動突變造成機組跳閘事故。

b.調(diào)整PSS功能自動投退值定值，指導(dǎo)機組在深度調(diào)峰等工況下PSS正確投入，確保為系統(tǒng)提供阻尼。

c.開展勵磁系統(tǒng)現(xiàn)場試驗工作，定量分析發(fā)電機振動與勵磁系統(tǒng)增減磁動作相關(guān)性。

d.改造400 V輔機設(shè)備交流接觸器，進行適配性分析，防止母線電壓降低，出現(xiàn)交流接觸器無法保持吸合的情況。

e.開展電廠重要輔機低電壓穿越測試，保證電廠對瞬時故障造成母線低電壓的抗干擾能力[5-10]。

4 結(jié)論

a.短路故障過程中，負序電流和三相短路電流產(chǎn)生的交變電磁場均會引起機組轉(zhuǎn)子軸系振動。

b.B廠發(fā)電機均采用三機無刷勵磁方式，轉(zhuǎn)子軸系較長。勵磁系統(tǒng)增磁時產(chǎn)生的安培力疊加發(fā)電機定子故障電流產(chǎn)生的交變電磁力矩，易引發(fā)轉(zhuǎn)子軸系末端振動。

c.三相短路時勵磁機需要輸出更大電磁功率，發(fā)電機與勵磁機對輪傳遞功率更多，對輪承受的耦合力更大。

d.由于3號、4號發(fā)電機過載能力強于2號發(fā)電機，導(dǎo)致2號發(fā)電機受故障電流影響更大。