现场︱一起励磁系统过励限制引起的机组跳闸事件分析
山西漳山发电有限责任公司的研究人员杨奇，在2015年第9期《电气技术》杂志上撰文，分析了一起EX2100励磁系统过励限制及保护动态校核过程中出现的机组跳闸事件，得出了事故原因为过励限制动作时进行了错误的增磁操作，由于两套控制器参数不一致导致了励磁系统跳闸，最后对励磁系统动态校核试验提出了建议。
为确保国内首条特高压交流示范工程调试工作,特别是大负荷试验的顺利进行以及电力系统的安全稳定，由中国电力科学研究院等单位对某特高压供电电厂#3机组励磁系统过励限制及保护进行了动态校核。
该机组容量为600MW，采用发电机变压器组单元接线。励磁系统为美国GE公司EX2100自并励励磁调节器，调节器内部具有转子电流过负荷限制功能(OEL)及转子电流过负荷保护功能(OPE)。发电机变压器组保护采用双重化配置，分别由国电南京自动化研究院DGT801和美国GE公司G60保护装置构成。试验过程中励磁电压、励磁电流、机端电压、机端电流大幅波动，最终导致机组跳闸。
1 EX2100励磁系统简介
EX2100是GE公司第三代数字式励磁系统，具有较高的可靠性，而且设计灵活，操作方便。主要由调节屏（AVR）、可控硅整流屏（SCR），交流进线屏和直流出线屏组成。其中交流进线柜中包含交流滤波器，直流出线柜中包括灭磁开关。
1.1 调节器原理
EX2100励磁系统采用三重冗余的控制器：M1、M2和C。三个控制器同时对输入的信号计算比较，控制器中各板件通过底板高速通讯母线ISBUS相互连接进行通讯。M1、M2一个为主控制器通道，另一个跟踪主控制器通道输出。C控制器对M1和M2进行监控，来决定M1和M2中的一个作为主控制器工作以及M1/M2控制器通道切换。励磁调节器主要有PSS、UEL、EXASP、FCR、FVR等模块构成。
各模块功能及逻辑关系如下：PSS(PowerSystem Stabilizer)，电力系统稳定器；UEL(UnderExcitation Limiter)，低励限制；FVR(Field Voltage Regulators)，励磁电压环调节；FCR(Field Current Regulators)，励磁电流环调节；AVR(Automatic Voltage Regulator)，自动电压调节器；AUTO REF(Auto Reference)，根据用户提供的参数和条件，结合辅助的稳定和保护信号为自动电压调节器生成一个自动整定值；MANUALRER(Manual Reference)，根据用户提供的参数和条件，为FVR提供的手动整定值。
图1 EX2100励磁系统调节器原理
EXASP：综合PSS、AUTOREF、UEL、无功电流补偿、机端电压输入等计算出的AVR整定值。
AVR：整定值为EXASP功能模块输出，反馈为发电机机端电压，采用比例积分调节器输出以维持发电机机端电压恒定。
FVR：运行于手动调节方式时，使用励磁电压作为反馈，采用比例积分形式输出。运行于自动电压调节方式时，AVR的输出不带任何条件，直接送到FVR输出。无论手动或自动调节方式，FVR输出始终有效。
FCR：是一种使用励磁电流作为反馈的特殊手动调节器。其整定值在发电机稳定运行容量范围之内，通过高限、低限之间切换其整定值，以提供瞬时强励能力。一般情况下其整定值要比实际的励磁电流大一点。FCR的输出保持在顶值，当其使能值(Enable)变为允许(True)，输出可以跟随FVR比例积分调节器输出。
当励磁系统过励限制动作时，FVR输出值大于FCR输出值，而整流桥的触发命令是FVR和FCR输出中较小的一个，因此自动切换为FCR方式运行，FCR方式作为限制环运行。
1.2过励限制/保护
发电机转子设计热容量一般用反时限特性函数表示，励磁限制器要保证在磁场过电流时转子不会过热损坏，因此励磁过电流限制也用反时限曲线表示。反时限曲线类型应与发电机转子允许过电流函数特性一致。并且过励反时限特性与发电机转子绕组过负荷保护特性之间留有级差，确保在保护动作之前限制动作。
EX2100励磁系统过励限制器为比较式限制器，由三段反时限曲线构成，如下图：图中上半部分三条曲线自上而下分别是负载状态励磁电流跳闸曲线、通道切换曲线、磁场电流限制曲线；左下部分一段为空载状态励磁电流限制曲线。
图2 EX2100励磁系统过励限制曲线
过励限制曲线参数描述：OETripLev，磁场电流反时限曲线(I*T)120s时跳闸电流（定值4642.4A）；OELimitLev，磁场电流限制曲线，为跳闸电流的百分数（定值70%）；OE_Inf，磁场电流反时限曲线无限大时间终值（定值4393.7A）；OE_PU，磁场电流反时限启动值（定值4227.9A）；FCRReLo，FCR方式过励限制启动值（定值4145A）
当磁场电流超过限制设定值时，进入FCR方式运行，当检测到限制失败，磁场电流大于切换曲线值、小于跳闸曲线值时，控制器发通道切换指令。当励磁电流大于磁场电流跳闸曲线值时，调节器发励磁系统跳闸指令，以保护发电机转子。
2 过励限制试验
2.1试验方法
试验时退出励磁调节器AVC控制，修改调节器参数，降低过励限制值，手动增减磁操作至限制值，观察励磁调节器对励磁电流是否有过励限制功能。
在确认过励限制功能有效后分别进行PSS投入与退出情况下的电压阶跃试验，同时启动录波，阶跃量应由小到大进行，观察励磁电流是否被限制。
2.2试验过程
试验当日02:50分左右，#3机组准备就绪，开始励磁系统过励限制及保护动态校核试验。机组工况：有功功率360MW，无功功率62MVar，转子电流2345A。试验时将过励限制器的OE_PU由原来的4227.9A改为2462.25A，OE_Inf由原来的4393.7A改为2520.875A，OELimitLev由原来的70%改为5%，FCRReLo由原来的4145A改为2403.625A。
开始励磁调节器过励限制校核试验操作，当转子电流升到2600A时，过励限制器经延时运行通道(M1)切换到FCR方式，励磁电流降为2403.625A，装置发94（励磁过电流反时限报警）、104（励磁电流OEL报警）信号，过励限制器正常动作。但随后的操作造成励磁电压、电流大幅摆动，引起#3机组励磁系统重故障联跳发变组。
机组跳闸时机端电压、机端电流、励磁电流、励磁电压、灭磁开关曲线见下图，图中机端电压、机端电流、励磁电流、励磁电压摆动3次后灭磁开关跳闸。
图3 机端电压电流，励磁电压电流曲线
2.3原因分析
励磁调节器过励限制动作至机组跳闸过程如图4，当励磁装置过励限制动作后，转入FCR调节器运行方式，励磁电流被限制在2403A。此时若要退出FCR运行方式，转入AVR运行方式，应对励磁装置进行“减磁”操作，直到励磁电流小于限制值。但当时进行了“增磁”操作，导致AVR的给定值升高。
转子电流在FCR运行方式经冷却延时后转入AVR运行方式时，机端电压为“增磁”操作后AVR的给定值。由于给定值已被升高，导致励磁电流突然升高，重新进入过励限制状态，过励限制器第二次动作，将励磁电流限制在2403A。
由于给定值没有减小，FCR经冷却延时转入AVR方式时重复了上述过程。为防止励磁电流大幅摆动试验人员将控制器M1的FCRReLo改回4145A，过励限制器第三次动作将励磁电流限制在4145A，而控制器M2的FCRRefLo为2403.625A。控制器M1、M2参数不一致且限制器动作引起励磁调节器跳灭磁开关。
图4 励磁电流与过励限制曲线
3 结论及建议
1、EX2100励磁系统动态校核过程中过励限制动作时，错误的进行了增磁操作是造成此次机组跳闸事件的主要原因。
2、EX2100励磁系统在限制器动作时会比较两套控制器参数，用以互相切换，因此在其动作时不能修改参数。限制器动作时修改参数是造成机组跳闸事件的直接原因。
3、EX2100励磁系统过励限制虽能满足限制要求，但动态校核存在较大风险，应该在机组停机状态下先进行静态调试，再进行动态校核。
4、励磁系统动态校核试验前应充分了解励磁系统原理，试验前要做好安全交底工作，确保在调试中发生异常工况时能及时处理。
5、试验参数修改前要确定控制器无限制动作，防止修改参数时恰好限制动作引起机组跳闸。
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