GMR3G型勵磁系統(tǒng)運(yùn)行及故障分析

鄔海軍

(湖南省水運(yùn)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司大源渡航電樞紐管理處，湖南 衡陽 421412)

GMR3G型勵磁系統(tǒng)運(yùn)行及故障分析

鄔海軍

(湖南省水運(yùn)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司大源渡航電樞紐管理處，湖南 衡陽 421412)

介紹了GMR3G型勵磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及保護(hù)功能，分析了GMR3G型勵磁系統(tǒng)的高壓側(cè)隔離開關(guān)三相短路故障、勵磁開關(guān)故障、系統(tǒng)電壓異常故障及電子元器件老化故障，對GMR3G型勵磁系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)。

勵磁系統(tǒng)；高壓側(cè)隔離開關(guān)；勵磁跳閘；故障分析

1 概述

某水電站位于湖南省衡東縣境內(nèi)湘江干流上，裝有4臺30 MW的燈泡貫流式發(fā)電機(jī)組，其額定電壓為10.5 kV，額定勵磁電壓為243 V，勵磁電流為899 A。勵磁系統(tǒng)采用了奧地利ELIN公司的GMR3G型微機(jī)數(shù)字式勵磁裝置，基本免維護(hù)設(shè)計(jì)；系統(tǒng)有完整的邏輯控制方式，包括勵磁啟動、勵磁退出、勵磁緊急跳閘、電壓環(huán)/電流環(huán)自動轉(zhuǎn)換、故障監(jiān)測等以及完善的保護(hù)系統(tǒng)，如轉(zhuǎn)子過壓保護(hù)、交流過壓保護(hù)、交流阻容保護(hù)等。

2 GMR3G型勵磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及保護(hù)功能

2.1 功能結(jié)構(gòu)

GMR3G型勵磁裝置由勵磁變壓器和定子三相短路開關(guān)柜、勵磁系統(tǒng)控制柜等構(gòu)成。機(jī)組勵磁為并激勵方式，該系統(tǒng)由勵磁開關(guān)QF1、三相高壓保險(xiǎn)、勵磁變T1、三相全控可控硅整流橋、勵磁調(diào)節(jié)器、測量用電壓互感器、電流互感器、交直流回路保護(hù)系統(tǒng)、操作繼電器等組成。系統(tǒng)原理如圖1所示。

該系統(tǒng)整流橋采用奧地利ELIN公司的微機(jī)數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器，型號為GMR3，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。該勵磁調(diào)節(jié)器是一個多處理器的電壓調(diào)節(jié)和門控制單元，由1個電壓環(huán)(主)和1個電流環(huán)(從)組成?；居布蒃LTAS(伊林牽引自動系統(tǒng))組件組成，包括：1塊主處理器(MRB2)、3塊子處理器(Pr.A,B,C)、1塊數(shù)字輸入板(DE32)、1塊數(shù)字輸出板(DA32)、發(fā)電機(jī)電氣參數(shù)值處理板SAB及門脈沖觸發(fā)電路板。調(diào)節(jié)器作為電壓調(diào)節(jié)器，由1個主控制環(huán)(電壓)和1個從控制環(huán)(勵磁電流)組成。匹配變壓器隔離實(shí)際值(定子電壓UG、定子電流IG、勵磁電流IP、可控硅電壓USYN)被變換成低電壓，由電纜送入SAB板；在SAB板上，經(jīng)處理后送至PIM單元的子處理器。

圖1 系統(tǒng)原理

子處理器C計(jì)算調(diào)節(jié)同步電機(jī)所需參數(shù)，計(jì)算結(jié)果經(jīng)雙端口RAM(DPRC)送至主處理器MRB2。2個處理器都可進(jìn)入雙端口存儲器，且相互獨(dú)立。主處理器的軟件用于電壓調(diào)節(jié)環(huán)(自動運(yùn)行方式)、限制器、附加的調(diào)節(jié)器及對于正確操作很必要的完整的控制邏輯。

所有數(shù)字I/O板和額外系統(tǒng)的特殊模擬量I/O板也與主處理器單元相連。電壓調(diào)節(jié)環(huán)的輸出值經(jīng)雙端口RAM(DPRB)送至PIM板上的子處理器B。子處理器B包含勵磁電流調(diào)節(jié)環(huán)(手動運(yùn)行方式)。該調(diào)節(jié)環(huán)基于實(shí)際的磁場電流(經(jīng)SAB模板記錄)和主處理器提供的信息，為可控硅脈沖計(jì)算觸發(fā)角。觸發(fā)角經(jīng)DPRA送至子處理器A。子處理器A計(jì)算觸發(fā)脈沖。SAB模板上的晶體管電路放大脈沖，經(jīng)電纜送至觸發(fā)變壓器(每個可控硅1只)。SAB面板上有1只開關(guān)，便于觸發(fā)脈沖的手動測試。數(shù)字量輸入及輸出用于控制和處理命令、反饋及報(bào)警。調(diào)節(jié)所需的所有模擬輸入輸出量在SAB板上變?yōu)橛行Э捎玫男盘?。附加的輸入AE8板、輸出AA8板作為可選項(xiàng)，可用于特殊的系統(tǒng)測試任務(wù)。

2.2 勵磁系統(tǒng)保護(hù)功能

GMR3G型勵磁裝置主要的保護(hù)功能有：勵磁變溫度高報(bào)警和溫度高跳閘、可控硅故障跳閘、交流過壓硒堆保護(hù)、轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)。這些保護(hù)裝置中的微動開關(guān)或繼電器動作，將發(fā)出1個勵磁系統(tǒng)緊急停止命令，將勵磁系統(tǒng)停運(yùn)，并聯(lián)動跳發(fā)電機(jī)出口開關(guān)，確保主設(shè)備的安全。

圖2 數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器GMR3硬件結(jié)構(gòu)

3 GMR3G型勵磁系統(tǒng)的故障

該系統(tǒng)自1998年投運(yùn)以來，運(yùn)行比較穩(wěn)定，除日常的清潔衛(wèi)生和一些檢測項(xiàng)目外，基本上免維護(hù)。由于該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的自檢功能和完善的保護(hù)系統(tǒng)，在設(shè)備的有效使用期限內(nèi)完全能滿足水電站安全、穩(wěn)定運(yùn)行的要求。但在運(yùn)行過程中，也曾出現(xiàn)過造成機(jī)組事故停機(jī)的故障。

3.1 高壓側(cè)隔離開關(guān)三相短路故障

勵磁變高壓側(cè)刀閘的最初設(shè)計(jì)為每次停機(jī)時由程序斷開，開機(jī)時再閉合。但在該電站第1臺機(jī)組投產(chǎn)初期，因系統(tǒng)事故造成發(fā)變組定子接地100 %保護(hù)動作，動作跳開勵磁開關(guān)及勵磁變高壓側(cè)刀閘，勵磁變高壓側(cè)刀閘在斷開時弧光造成三相短路，將勵磁變高壓側(cè)刀閘燒壞。

經(jīng)分析故障原因?yàn)樵O(shè)計(jì)缺陷。勵磁變高壓側(cè)不能設(shè)置無任何滅弧裝置的隔離開關(guān)，因這種開關(guān)僅起到電壓隔離的作用，但起不到保護(hù)作用，反而增加了安全隱患。由于高壓側(cè)裝設(shè)高壓熔斷器作為勵磁變的保護(hù)，未考慮將隔離開關(guān)更換為斷路器的改進(jìn)措施，而是將勵磁調(diào)節(jié)器程序重新修改，使得勵磁系統(tǒng)在正常停機(jī)和事故停機(jī)時只跳開滅磁開關(guān)，不斷開勵磁變高壓側(cè)的隔離開關(guān)。

3.2 勵磁開關(guān)故障

勵磁開關(guān)設(shè)計(jì)原理：滅磁開關(guān)合閘時，由勵磁調(diào)節(jié)器發(fā)1個合閘脈沖，使合閘線圈瞬間勵磁，合閘后靠機(jī)構(gòu)的鎖定機(jī)構(gòu)自鎖；跳閘時由勵磁調(diào)節(jié)器發(fā)1個跳閘脈沖，使跳閘線圈勵磁，帶動傳動機(jī)構(gòu)解除閉鎖。但在該水電站投運(yùn)初期，出現(xiàn)過幾次勵磁啟動合閘后勵磁開關(guān)馬上跳開的故障，對回路進(jìn)行檢查未發(fā)現(xiàn)任何電氣問題。后來對滅磁開關(guān)的操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)滅磁開關(guān)鎖定機(jī)構(gòu)存在問題，在勵磁開關(guān)合閘后機(jī)構(gòu)不能鎖住，勵磁開關(guān)又重新分閘。將機(jī)構(gòu)調(diào)整后，勵磁開關(guān)動作正常。

3.3 系統(tǒng)電壓異常故障

該水電站系統(tǒng)電壓曾出現(xiàn)過如下故障：上位機(jī)發(fā)110 kV母線Ⅰ段電壓低，110 kVⅠ段母線PT計(jì)量電壓消失，報(bào)出110 kV母線Ⅱ段電壓低信號，造成1號、2號、4號機(jī)組事故停機(jī)故障。查看勵磁屏操作終端elterm GMR3告警信號，發(fā)現(xiàn)1，2及4號機(jī)均發(fā)AC電源故障信號。從勵磁邏輯圖上勵磁緊急跳閘矩陣分析，當(dāng)勵磁系統(tǒng)發(fā)AC電源故障信號時，勵磁跳閘。從勵磁邏輯圖上勵磁故障檢測部分分析，因機(jī)組當(dāng)時正在運(yùn)行，勵磁變壓器高壓側(cè)勵磁刀閘在合上位置，發(fā)電機(jī)出口開關(guān)在合上位置，綜合分析AC電源故障信號，應(yīng)為可控硅電壓故障。從GMR3G程序圖上分析，發(fā)電機(jī)電壓與可控硅同步電壓經(jīng)過一個減法器(UGK-USYNIW)，其結(jié)果在限制器中與B+(P47=+00.2002)比較，如其值大于B+，則發(fā)可控硅電壓故障信號。

查看勵磁報(bào)警和跳閘原因列表，可控硅電壓故障出現(xiàn)有下列2種可能：

(1) 勵磁變壓器電壓太低；

(2) 調(diào)節(jié)器變壓器回路自動空氣開關(guān)+JD2-F0009跳開(同時發(fā)出報(bào)警“m.c.b跳閘”)，但勵磁屏無“m.c.b跳閘”顯示，由此可以判定為勵磁變壓器電壓太低，從而引起勵磁跳閘。

3.4 電子元器件老化故障

該水電站4號機(jī)因勵磁故障跳閘事故停機(jī)。故障時4號機(jī)帶20 MW有功負(fù)荷，2 MVar無功負(fù)荷;監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)顯示“4號G勵磁跳閘”紅色報(bào)警，4號機(jī)組“總報(bào)警”出口跳閘?，F(xiàn)地檢查發(fā)現(xiàn)MRB2主處理器板RUN運(yùn)行燈不亮， RESET復(fù)歸燈閃爍?，F(xiàn)地多次斷電重啟，均不能正常啟動，更換該處理器板件并下載相關(guān)程序和參數(shù)后，即恢復(fù)正常。

此事故是因該板件連續(xù)運(yùn)行15年后，元器件老化造成的，顯現(xiàn)出該套勵磁調(diào)節(jié)器無冗余配置的不足之處。

4 總結(jié)

GMR3G型勵磁系統(tǒng)在有效使用年限內(nèi)完全能滿足水輪發(fā)電機(jī)的勵磁調(diào)節(jié)要求，但在使用過程中要根據(jù)現(xiàn)場具體情況認(rèn)真進(jìn)行分析比較，配備可靠的一次設(shè)備，確保系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。隨著使用年數(shù)的增加，將會出現(xiàn)電子元器件老化引起的故障，且故障頻率隨投運(yùn)年數(shù)的增加而增加，需加強(qiáng)日常的維護(hù)，并對整個系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)評估，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)角度來分析勵磁系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

1 翟慶志．電機(jī)學(xué)[M]．北京：中國電力出版社，2008.

2014-04-05。

鄔海軍(1975-)，男，工程師，主要從事水電站電氣維護(hù)技術(shù)工作，email：whjfdb@126.com。