國(guó)產(chǎn)發(fā)電機(jī)組電氣方面的幾個(gè)問(wèn)題
國(guó)產(chǎn)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中存在一些共同的問(wèn)題，這些問(wèn)題涉及到設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行等諸多方面。論述國(guó)產(chǎn)發(fā)電機(jī)組電氣方面的幾個(gè)問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：中國(guó)；發(fā)電機(jī)組；接地碳刷；備用電源；直流小母線；電氣接地
在中國(guó)電力系統(tǒng)中，國(guó)產(chǎn)發(fā)電機(jī)組占有較大比重，如何使這些機(jī)組安全高效率運(yùn)行，是電力工作者的重要任務(wù)。多年的工作經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)到，國(guó)產(chǎn)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中存在一些共同的問(wèn)題，這些問(wèn)題涉及到設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行等諸多方面。
1發(fā)電機(jī)的接地碳刷問(wèn)題
由于發(fā)電機(jī)定子磁場(chǎng)不可能絕對(duì)均勻等原因，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上便會(huì)產(chǎn)生幾伏或更高的電勢(shì)差。由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和軸承、大地所構(gòu)成的回路阻抗很小，就可能形成很大的軸電流。為阻止該電流的形成，制造廠在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁機(jī)側(cè)所有軸承下墊裝了絕緣片，把軸電流通路隔斷。同時(shí)，為了保證大軸與地同電位，應(yīng)該在發(fā)電機(jī)汽輪機(jī)側(cè)裝設(shè)大軸接地碳刷。中國(guó)制造廠家均提供一個(gè)接地碳刷裝置(國(guó)外廠商有的是提供兩個(gè))，而設(shè)計(jì)部門在設(shè)計(jì)圖紙上根據(jù)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的要求，將二次保護(hù)接線經(jīng)碳刷連接大軸，這樣很多施工單位就把制造廠家供給的接地碳刷作為轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的“接軸”用了，而該碳刷并沒(méi)有接地。
發(fā)電機(jī)大軸在汽輪機(jī)側(cè)未接地是有害的。由于發(fā)電機(jī)大軸對(duì)地有電位差，就可能造成大軸通過(guò)軸瓦油隙對(duì)地放電，造成軸瓦電燒傷。在某些事故情況下危害更大，如果發(fā)電機(jī)勵(lì)磁機(jī)側(cè)軸承座的對(duì)地絕緣(包括連接軸承的油管對(duì)地絕緣)遭到損壞，可能會(huì)引起很大的軸電流，特別是如果定子線圈發(fā)生匝間短路時(shí)，該軸電流會(huì)更大，不僅會(huì)損傷軸瓦，而且還可能因很大的軸電流流過(guò)汽輪機(jī)軸引起汽輪機(jī)有關(guān)部件的磁化。
為此，發(fā)電機(jī)組在安裝階段必須將接地碳刷接地(或經(jīng)一個(gè)小電阻接地)，并且在運(yùn)行中要注意維護(hù)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁機(jī)端各軸承的對(duì)地絕緣，特別要注意防止發(fā)電機(jī)勵(lì)磁機(jī)側(cè)的各測(cè)溫、測(cè)振熱工電纜的金屬外皮將軸承的對(duì)地絕緣短路。
2高壓廠用備用電源自動(dòng)切換問(wèn)題
高壓廠用備用電源自動(dòng)切換(備用電源自動(dòng)投入)，中國(guó)設(shè)計(jì)有兩種方式：一為無(wú)時(shí)限快速切換，二為低電壓閉鎖限時(shí)切換(即慢速切換)。
(1) 高壓廠用電動(dòng)機(jī)在備用電源投入時(shí)所承受的電壓分析。
在高壓廠用電源因某種原因跳閘后，該段母線上所有電動(dòng)機(jī)將作減速運(yùn)行，由于電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)作用，在母線上產(chǎn)生殘壓。該殘壓將隨時(shí)間而衰減，即殘壓的幅值在漸漸減小，并且和系統(tǒng)的相位差在隨時(shí)間變化而變化。如圖1所示。
Ud——母線上的殘壓 Us——電源電壓
Xs——電源的等值電抗 Xm——母線上電動(dòng)機(jī)組和低壓負(fù)載的等值電抗(折算到高壓廠用電壓)
電源切換后，高壓廠用電動(dòng)機(jī)上承受的電壓Um：
Um=△U·Xm/(Xs+Xm)
令 K=Xm/(Xs+Xm)
則 U=K△U
1) 當(dāng)實(shí)現(xiàn)備用電源切換到母線上時(shí)，電動(dòng)機(jī)上將突加一個(gè)電壓K△U，如△U過(guò)大會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)造成很大的沖擊電流，如果切換時(shí)間愈短，則△U愈小，對(duì)切換越有利。在《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)》(2)第22－1節(jié)指出：當(dāng)K＝0.67時(shí)，在0.3 s以前切換時(shí)是安全的。
2) θ角隨時(shí)間的變化，主要和母線上所帶大型電動(dòng)機(jī)的容量及特性有關(guān)。所以，對(duì)于不同容量的發(fā)電機(jī)組θ角隨時(shí)間的變化不一樣，就是同容量發(fā)電機(jī)組也因所選主要輔機(jī)的不同而不同。
3) 在θ角大約達(dá)120°～240°時(shí)切換最危險(xiǎn)。電動(dòng)機(jī)將承受的沖擊電壓最大，這可能造成電動(dòng)機(jī)的損壞、損傷或過(guò)流保護(hù)動(dòng)作跳閘。
4) 如切換時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，一方面機(jī)組輔機(jī)轉(zhuǎn)速降低過(guò)多，造成鍋爐運(yùn)行工況的變壞。另外，母線殘壓過(guò)低，切換后電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)困難，都可能造成機(jī)組的運(yùn)行工況大的擾動(dòng)甚至停運(yùn)，這是不希望的。
(2) 快速切換存在的問(wèn)題。根據(jù)機(jī)組所選用的輔機(jī)的電動(dòng)機(jī)情況，有的機(jī)組的高壓廠用電切換設(shè)計(jì)為無(wú)時(shí)限切換。由于所選用的斷路器是國(guó)產(chǎn)少油式開(kāi)關(guān)，其合閘時(shí)間在0.2 s左右，再加上繼電器動(dòng)作時(shí)間，切換時(shí)間將長(zhǎng)達(dá)約0.3 s，所以切換是不安全的。已投入運(yùn)行的電廠是這種切換方式的，應(yīng)盡快將高壓廠用母線上電源開(kāi)關(guān)改換為合閘速度快的真空斷路器或SF6斷路器，(其合閘時(shí)間是：0.08～0.2 s)這樣切換才比較安全。有的進(jìn)口機(jī)組將快速切換限定在150 ms以內(nèi)，如果切換失敗自動(dòng)轉(zhuǎn)換成慢速切換，這種設(shè)計(jì)更為合理。
(3) 慢速切換存在的問(wèn)題。國(guó)產(chǎn)機(jī)組高壓廠用電自動(dòng)切換采用慢速切換的也不少，設(shè)計(jì)采用低電壓檢定加時(shí)間閉鎖的切換方式，即切換條件有2：① 母線電壓低于某值才允許切換；②切換限定在某整定時(shí)間內(nèi)完成?，F(xiàn)在的問(wèn)題是低電壓檢定繼電器和時(shí)間閉鎖繼電器如何整定。既要保證切換一次成功，又要保證高壓廠用電動(dòng)機(jī)在切換中不受到過(guò)電壓沖擊，并在電動(dòng)機(jī)允許承受的電壓下實(shí)現(xiàn)盡快切換。
低電壓檢定繼電器的整定必須考慮最壞的情況，即系統(tǒng)電壓和廠用母線殘壓正好反相時(shí)切換。如果備用電源切換瞬間系統(tǒng)電壓在高壓廠用變壓器上的壓降約30 V(具體壓降值可由計(jì)算或試驗(yàn)求得)，為了保證切換時(shí)加在母線上高壓廠用電動(dòng)機(jī)的電壓不超過(guò)1.1 Ue，考慮到低電壓檢定繼電器接點(diǎn)閉合到備用電源合閘這一短暫時(shí)間內(nèi)，廠用母線電壓仍在降低，所以低電壓檢定繼電器的整定值可整定為45 V，但一般不應(yīng)大于45 V。
時(shí)間閉鎖繼電器的整定，要保證在整定時(shí)間內(nèi)能可靠完成切換，又不能整定時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，以致可能造成的過(guò)低電壓下切換，使廠用電動(dòng)機(jī)不能自啟動(dòng)。
正確的整定值最好通過(guò)試驗(yàn)確定；例如錄制機(jī)組在正常運(yùn)行方式下高壓廠用電源跳閘時(shí)廠用母線殘壓隨時(shí)間變化的曲線，以求得在某一低電壓檢定繼電器的整定值下閉鎖時(shí)間繼電器的整定值。
值得注意的是不少國(guó)產(chǎn)機(jī)組在啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，并未作過(guò)細(xì)的工作去求得低電壓檢定繼電器和時(shí)間閉鎖繼電器合理的整定值，有的甚至只做靜態(tài)下廠用電切換試驗(yàn)，不作機(jī)組正常運(yùn)行方式下的切換試驗(yàn)，這樣，一是不能保證機(jī)組運(yùn)行中高壓廠備用電源自動(dòng)切換成功，二是即使切換成功了，廠用電動(dòng)機(jī)在切換過(guò)程中可能受到過(guò)電壓的沖擊，影響電動(dòng)機(jī)的使用壽命，或者是切換時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，使機(jī)組運(yùn)行受到運(yùn)行工況較大擾動(dòng)的威脅。
3控制室內(nèi)直流控制小母線分段問(wèn)題
按照大多數(shù)設(shè)計(jì)方案，直流電源在控制室內(nèi)按環(huán)行供電方式(平常開(kāi)環(huán))供給各控制屏。主控制屏直流小母線并不分段。對(duì)于主控制室而言，主環(huán)控制屏是所有機(jī)組和重要出線的控制屏，對(duì)于集控方式的大機(jī)組而言，當(dāng)兩個(gè)機(jī)組一個(gè)集控室時(shí)，兩個(gè)機(jī)組的電氣控制屏往往連在一起。這樣，當(dāng)發(fā)生控制小母線短路時(shí)，或當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生短路，控制母線小保險(xiǎn)未能切斷故障，越級(jí)引起控制母線直流總保險(xiǎn)熔斷時(shí)，都引起直流控制電源消失。這時(shí)，將會(huì)使控制室所有保護(hù)和遠(yuǎn)方操作無(wú)能為力，若同時(shí)電氣一次系統(tǒng)發(fā)生故障，發(fā)電機(jī)無(wú)法以自動(dòng)方式和遠(yuǎn)方手動(dòng)操作方式隔離電氣故障，不能快速切斷故障就會(huì)造成嚴(yán)重后果。四川省電力公司1994年1月1日華鎣山電廠特大事故就是上述原因造成一臺(tái)發(fā)電機(jī)燒毀、兩臺(tái)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子燒損的嚴(yán)重事故。所以，將控制室直流控制小母線分段(大機(jī)組可按機(jī)組分段)，當(dāng)發(fā)生上述故障時(shí)，就可使影響面大大減小，將風(fēng)險(xiǎn)化小。
而將控制小母線分段只是增加一根從直流電源控制屏至主環(huán)控制屏的電纜，經(jīng)濟(jì)費(fèi)用很小。
1994年1月1日事故后，該公司推出了“發(fā)電廠控制室直流控制小母線分段”的反事故措施，大多數(shù)發(fā)電廠已認(rèn)真貫徹執(zhí)行。而后某一電廠發(fā)生了上述類似事故時(shí)，僅僅造成一臺(tái)機(jī)組停機(jī)，避免了一次重大事故的發(fā)生。
4電氣接地問(wèn)題
電氣接地是電力系統(tǒng)保證設(shè)備和人身安全的重要措施。按其作用分為工作接地、保安接地、防雷接地等。中國(guó)電力系統(tǒng)的接地方式一直沿用原蘇聯(lián)的設(shè)計(jì)方案，用鋼作為接地材料。接地體的連線和接地引下線通常采用40×4的扁鋼，有的接地引下線甚至采用25×4的扁鋼。由于南方氣候潮濕，對(duì)鋼接地線腐蝕快，不同成分的土壤對(duì)鋼接地體的腐蝕也大不相同，而設(shè)計(jì)并不考慮對(duì)鋼接地體的腐蝕的因素。因此運(yùn)行中的發(fā)電廠、變電站因接地線的嚴(yán)重銹蝕或銹斷已造成了多次嚴(yán)重的事故。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家采用銅材作為接地體和接地線，其截面積大多為240 m2，最小也有120 m2，接地的可靠性和壽命遠(yuǎn)比中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)高。為了提高接地系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)該從設(shè)計(jì)做起，必須考慮各種鋼材腐蝕因素對(duì)接地體的影響，保證接地系統(tǒng)的使用壽命等于或大于該電廠或變電站的使用年限?？梢杂眉哟蠼拥劁摬牡慕孛娣e，或采取一定的防腐措施，在條件特別惡劣的地方可以考慮使用銅材。對(duì)已經(jīng)運(yùn)行的電氣裝置，必須定期檢查接地系統(tǒng)的銹蝕情況。特別是接地引下線在地表部分最容易銹蝕，必須一根根檢查，重點(diǎn)是工作接地引下線(如變壓器中性點(diǎn)的接地引下線)和防雷接地引下線。這里必須指出，光靠測(cè)量接地引下線的接地電阻并不可靠，因?yàn)楫?dāng)引下線尚未銹斷時(shí)，所測(cè)的接地電阻可能是合格的，而當(dāng)通過(guò)很大的接地電流時(shí)就可能被熔斷，所以必須挖開(kāi)地面，用敲打的方式檢查接地體的銹蝕程度。該公司在這方面作了大量工作，所有的發(fā)電廠和變電站都進(jìn)行了開(kāi)挖檢查，對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行了整改，所有接地引下線都已改成了60×6的扁鋼。
值得注意的是，工作接地和保護(hù)接地必須分別接地?，F(xiàn)場(chǎng)安全檢查常常發(fā)現(xiàn)一些變壓器的中性點(diǎn)接地引下線與中性點(diǎn)刀閘的操作機(jī)構(gòu)連結(jié)串聯(lián)接地，這是絕對(duì)不允許的。因?yàn)橄到y(tǒng)一旦發(fā)生接地故障，對(duì)于大電流接地系統(tǒng)可能有數(shù)千安的電流通過(guò)變壓器的中性點(diǎn)接地引下線，這時(shí)中性點(diǎn)刀閘的操作把手的電位會(huì)很高，直接威脅到操作人員的生命安全。
以上是影響國(guó)產(chǎn)機(jī)組安全的幾個(gè)問(wèn)題，希望引起有關(guān)部門領(lǐng)導(dǎo)的重視，采取相應(yīng)措施，防止事故的發(fā)生。
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