小灣水電廠勵磁系統(tǒng)起勵失敗案例分析

張會軍，賀　臻（華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南　大理 675702）

小灣水電廠勵磁系統(tǒng)起勵失敗案例分析

張會軍，賀臻
（華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南大理 675702）

小灣水電廠勵磁系統(tǒng)為西門子Thyripol型勵磁裝置。起勵方式分為交流和直流2種，正常情況下采用廠用電源交流起勵方式。起勵過程中，當同步電壓大于10%額定電壓時，勵磁調(diào)節(jié)器控制脈沖觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，轉(zhuǎn)為自并勵方式。投產(chǎn)以來，共發(fā)生4起勵磁系統(tǒng)起勵建壓失敗案例。針對不同原因?qū)е碌慕▔菏“咐M行了分析。

勵磁系統(tǒng)；起勵失??；調(diào)節(jié)器；同步電壓；小灣水電站

1　勵磁系統(tǒng)簡介

小灣水電站位于瀾滄江中游云南省大理州與臨滄市交界處，裝有6臺單機700 MW混流式水輪發(fā)電機組，總裝機4 200 MW。2009年9月首臺機組投產(chǎn)，2010年8月全部投產(chǎn)。勵磁系統(tǒng)采用西門子Thripol勵磁裝置，調(diào)節(jié)器型號為SIMATIC-S7，直流調(diào)速器控制部分型號為 SIMOREG DC MASTER 6RA7000-0MV62。勵磁系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)為：發(fā)電機額定功率700 MW；發(fā)電機額定電壓18 kV；發(fā)電機額定電流24 948 A；額定勵磁電壓370 V；額定勵磁電流3 690 A。投產(chǎn)以來，共發(fā)生4起勵磁系統(tǒng)起勵建壓失敗案例。本文針對不同原因?qū)е碌慕▔菏“咐M行了分析。

2　起勵建壓失敗案例

2.1外部開關(guān)量異常導(dǎo)致

某日，5號機組開機過程中，機組在正常開機至空轉(zhuǎn)態(tài)后，勵磁系統(tǒng)投入起勵，監(jiān)控系統(tǒng)報“勵磁系統(tǒng)A/B通道勵磁事故跳閘”等信號，滅磁開關(guān)跳閘，計算機監(jiān)控系統(tǒng)啟動電氣事故停機流程，機組轉(zhuǎn)至停機態(tài)。事件發(fā)生在機組啟動過程中，機組未并網(wǎng)。監(jiān)控及勵磁系統(tǒng)告警信息如下：

（1）監(jiān)控系統(tǒng)簡報信息：07∶36∶14滅磁開關(guān)合閘；07∶36∶16勵磁A/B通道勵磁系統(tǒng)投入；07∶36∶21勵磁系統(tǒng)起勵投入復(fù)歸；07∶36∶31勵磁系統(tǒng)報警；07∶36∶31勵磁系統(tǒng)通道1、2狀態(tài)完好復(fù)歸；07∶36∶34勵磁系統(tǒng)A/B通道告警動作；07∶37∶13發(fā)電機保護A/B通道保護裝置故障報警；07∶37∶13發(fā)電機保護A/B通道勵磁系統(tǒng)事故跳閘；07∶37∶14滅磁開關(guān)跳閘；07∶37∶15電氣事故停機過程中。

（2）勵磁系統(tǒng)告警信號：現(xiàn)場檢查勵磁調(diào)節(jié)柜操作面板報警信息，兩通道調(diào)節(jié)器均報出“main low voltage on CM-module”（CUD板同步電壓采樣低，脈沖允許的情況下，功率柜陽極電壓低于額定值5%時報警）；UAL Redundancy lost（冗余丟失，兩通道均判定通道故障）；Colleective Fault CM-Module（CUD存在故障）；Collective Fault channel Error（通道存在嚴重故障）；Protection OFF from T400（T400開出勵磁系統(tǒng)事故跳閘）。

小灣水電站勵磁系統(tǒng)起勵邏輯為：調(diào)節(jié)器收到起勵命令，首先投入400 V廠用交流電源起勵；當機端電壓大于10%額定電壓時，調(diào)節(jié)器控制脈沖觸發(fā)整流柜可控硅導(dǎo)通，轉(zhuǎn)入自并勵運行；當機端電壓大于2 339 V時，切除交流起勵回路；若起勵10 s后機端電壓仍小于2 339 V時，則認為起勵失?。?］。

調(diào)取PMU系統(tǒng)5號機組機端電壓和轉(zhuǎn)子電壓曲線可知，起勵時機端電壓最高已升至2 414.96 V，大于2 339 V，此時初勵已成功，初勵回路已切除。因此，機組開機失敗的直接原因初步判斷為勵磁系統(tǒng)初勵時未切至自并勵升壓［2］。

查閱電站內(nèi)同步相量測量裝置PMU故障時錄波圖可知，5號機組建壓過程如下：07∶36∶13交流起勵投入；07∶36∶18機端電壓升至1 801.4 V（約10%額定電壓）；07∶36∶20機端電壓上升至約2 339 V時切除交流起勵回路；07∶36∶21機端電壓升至最大值2 414.96 V，歷時約8.06 s。勵磁系統(tǒng)從投入起勵至機端電壓升至 2 339 V（11.8%額定電壓）用時6.87 s，交流起勵過程正常。

對比發(fā)電機正常起勵勵磁電壓波形可知，當機端電壓上升至10%額定電壓時（約1 800 V），轉(zhuǎn)子電壓未上升，結(jié)合勵磁系統(tǒng)報“main low voltage on CM-module”（CUD板同步電壓采樣低）預(yù)警信號，初步判斷為同步采樣異常導(dǎo)致勵磁系統(tǒng)未正常發(fā)出脈沖至可控硅，導(dǎo)致5號機組起勵建壓失敗。

07∶36∶31監(jiān)控系統(tǒng)報“5號機組勵磁系統(tǒng)通道1、2狀態(tài)完好復(fù)歸”，對應(yīng)勵磁系統(tǒng)UAL Redundancy lost（冗余丟失，兩通道調(diào)節(jié)器故障）告警，勵磁系統(tǒng)因雙通道調(diào)節(jié)器故障發(fā)出事故信號至發(fā)變組保護，隨后發(fā)變組保護跳開滅磁開關(guān)，進入事故停機流程。

專業(yè)人員根據(jù)勵磁程序、故障時勵磁裝置操作面板報警信息進行詳細討論分析，發(fā)現(xiàn)問題如下：07∶36∶21 B通道“勵磁調(diào)節(jié)器CUD故障”；07∶36∶21 B通道“冗余丟失”；07∶36∶26 A通道“同步采樣電壓低報警”；07∶36∶27 B通道“同步采樣電壓低報警”；07∶37∶04 A通道“勵磁調(diào)節(jié)器CUD故障”；07∶37∶04 A通道“冗余丟失”；07∶37∶04 A通道“勵磁調(diào)節(jié)器T400板跳閘”；07∶37∶09 B通道“勵磁調(diào)節(jié)器T400板跳閘”。

由于兩通道均報“同步電壓采樣低報警”，初步判斷CUD故障報警為“F004”故障。根據(jù)勵磁系統(tǒng)6RA70直流調(diào)速器技術(shù)說明書及調(diào)速器CUD邏輯圖，“同步電壓采樣低報警”邏輯：脈沖允許且同步電壓采樣值低于5%（額定809 V），延遲15 s報警?！癋004”報警邏輯：調(diào)節(jié)器應(yīng)在≤o5狀態(tài)（o5為調(diào)節(jié)器運行狀態(tài)的一種，在調(diào)節(jié)器顯示面板上顯示，下同），且同步電壓采樣值小于10%延時10 s報警。

兩種報警所采同步電壓為同一個源，“同步電壓采樣低報警”兩通道基本同時出現(xiàn)，說明同步采樣電壓過低。兩通道CUD報警時間差43 s，推斷原因如下：起勵時，A通道調(diào)節(jié)器狀態(tài)＞o5，此時不判定同步電壓，而B通道狀態(tài)≤o5，正常采集同步電壓。由于起勵時A通道主用，機端電壓達到10%時，A通道未進入運行狀態(tài)無法觸發(fā)脈沖，導(dǎo)致機端電壓回落，功率柜陽極電壓（同步電壓）回落，經(jīng)延時后同步電壓低報警。而43 s后A通道調(diào)節(jié)器又進入正常狀態(tài)（≤o5），開始判定同步電壓，經(jīng)延時報警，雙通道均報警后勵磁系統(tǒng)開出事故跳閘信號送至發(fā)變組保護柜。因此，故障當日起勵時A通道調(diào)節(jié)器可能的狀態(tài)為o7、o8或o10。

（1）o7狀態(tài)：等待合閘命令（有調(diào)節(jié)器T400板開機令和滅磁開關(guān)合閘位置信號）。

（2）o8狀態(tài)：合閘禁止（有外部跳閘令或調(diào)節(jié)器T400板停機令）。

（3）o10狀態(tài)：合閘禁止和自由停車令，停機后勵磁調(diào)節(jié)器即為此狀態(tài)。

根據(jù)上述分析結(jié)果進行模擬試驗，開機前將A通道CUD滅磁開關(guān)合閘位置信號光耦器件拔除，進行起勵，過程如下：

（1）起勵時，交流起勵回路正常投入，A通道調(diào)節(jié)器進入o7狀態(tài)，B通道調(diào)節(jié)器進入o4狀態(tài)（等待同步電壓）。

（2）當機端電壓大于10%時，B通道狀態(tài)進入I（調(diào)節(jié)器正常運行狀態(tài)）。由于A通道處于o7狀態(tài)，觸發(fā)脈沖無法正常發(fā)出，起勵回路正常退出后，機端電壓開始下降，接著B通道又進入o4狀態(tài)，延遲10 s報“F004”故障。

（3）約5 s后，A、B通道均報出“同步采樣電壓低告警”（PLC報出與調(diào)節(jié)器狀態(tài)無關(guān)）。

（4）將A通道調(diào)節(jié)器CUD滅磁開關(guān)合閘位置信號光耦器件恢復(fù)，A通道進入o4狀態(tài)，延時10 s報“F004”。

（5）兩通道均報警后，勵磁系統(tǒng)開出事故跳閘信號送至發(fā)變組保護柜。

操作面板報警信息與故障時一致，機端電壓及勵磁電壓波形與故障時相同。

由于A通道一段時間后重新進入o4狀態(tài)，判斷勵磁程序內(nèi)開機令一直為1（高電平有效），停機令一直為1（低電平有效）。若有外部調(diào)節(jié)器跳閘信號，操作面板應(yīng)有相關(guān)報警。由此斷定，當時起勵后A通道由于未收到滅磁開關(guān)合閘位置信號，調(diào)節(jié)器CUD進入o7狀態(tài)，等待來自外部的滅磁開關(guān)合閘位置信號。

送入調(diào)節(jié)器A通道的滅磁開關(guān)合閘位置信號來自滅磁開關(guān)位置擴展繼電器K604，K604由滅磁開關(guān)柜內(nèi)的一對常開、一對常閉輔助節(jié)點控制，相對比較可靠，且K604上其他位置信號并未變化。因此，判斷K604繼電器擴展節(jié)點至調(diào)節(jié)器CUD的光電耦合回路存在問題。更換滅磁開關(guān)位置擴展繼電器K604和滅磁開關(guān)合閘位置信號光耦K14后，現(xiàn)5號機勵磁系統(tǒng)已穩(wěn)定運行至今，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

2.2起勵變壓器副邊電壓不足導(dǎo)致

某日，1號機組在正常開機過程中，勵磁系統(tǒng)于07∶46∶18起勵，07∶46∶28報勵磁系統(tǒng)起勵失敗，隨后發(fā)變組保護A、B通道出口報“勵磁系統(tǒng)事故跳閘”信號，機組電氣事故停機。類似情況在小灣水電廠各機組勵磁系統(tǒng)中先后出現(xiàn)過3次，并非個例。

從監(jiān)控系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)及曲線可以看出，機組勵磁系統(tǒng)起勵電源投入正常，但機端電壓并未超過10%的額定電壓，勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)器報出“F004”故障，判定起勵失敗，向機組發(fā)變組保護發(fā)出事故跳閘令［3］。

小灣水電廠勵磁裝置內(nèi)部勵磁變副邊電壓定值設(shè)置：P078.001=809 V；P353=10%；P086=10 s。在調(diào)節(jié)器正常工作過程中（起勵后，滅磁完成前），若勵磁變副邊電壓低于10%的額定電壓，則立即封鎖脈沖。同時，若該故障保持時間小于10 s恢復(fù)，裝置能夠正常運行；若大于10 s未恢復(fù)，則報出故障“F004”?？紤]到裝置本身對參數(shù)修改范圍的限制，故對裝置參數(shù)調(diào)整的方案不可取［4］。

交流起勵是通過變比為400 V/32 V的變壓器將廠用400 V交流電源降壓至32 V，再經(jīng)過二極管整流橋整成43 V左右的直流電源，加在發(fā)電機轉(zhuǎn)子兩側(cè)完成起勵過程。

根據(jù)上述硬件配置及程序要求，再結(jié)合發(fā)電機參數(shù)Td=12.57 s，勵磁繞組電阻0.085 Ω（75℃），空載額定勵磁電流2 140 A，計算出交流起勵方式下機端電壓達到11.8%所需的時間大約為8.5 s（理論值）。但實際運行中，由于起勵過程易受轉(zhuǎn)子充、放電過程，廠用400 V電源是否穩(wěn)定以及勵磁系統(tǒng)PT采樣精度等因素的影響，導(dǎo)致10 s內(nèi)未能建壓至程序所需的數(shù)值，勵磁系統(tǒng)判定“F004”故障，報出起勵失敗信號，機組電氣事故停機，影響了電廠的正常運行需要。因此，抬高副邊電壓，可縮短起勵時間，有效地降低了起勵失敗的可能性［5-6］。

將原起勵變壓器（變比為400 V/32 V）更換為400 V/38 V的起勵變壓器，其他參數(shù)不變。6臺機組在更換起勵變壓器后，起勵時間縮短為6.8 s左右。更換至今，未發(fā)生因勵磁系統(tǒng)起勵失敗而造成機組電氣事故停機現(xiàn)象。

3　結(jié)語

勵磁系統(tǒng)外部設(shè)備、回路及信號與勵磁系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行息息相關(guān)，應(yīng)關(guān)注外圍設(shè)備參數(shù)是否滿足實際需求，日常維護及檢修中應(yīng)加強對外部繼電器、光電耦合器件的檢查及校驗，及時發(fā)現(xiàn)劣化及損壞現(xiàn)象，避免勵磁系統(tǒng)異?，F(xiàn)象的發(fā)生。

［1］許其品，許其質(zhì).勵磁系統(tǒng)的起勵問題［J］.水電廠自動化，2004 （3）：63-66.

［2］王斌.自并勵靜止勵磁系統(tǒng)起勵失敗原因分析及處理［J］.電力安全技術(shù)，2011，13（3）：62-64.

［3］孟凡超，吳龍.發(fā)電機勵磁技術(shù)問答及事故分析［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［4］竺士章.發(fā)電機勵磁系統(tǒng)試驗［M］.北京：中國電力出版社，2005.

［5］王君亮.同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)原理與運行維護［M］.北京：中國水利水電出版社，2010.

［6］王興貴，黃忠良.小型同步發(fā)電機可控硅勵磁起勵問題研究［J］.水力發(fā)電，2005，31（4）：71-73.

（責任編輯楊?。?/p>

Analyses on Excitation Failure Cases of Excitation System in Xiaowan Hydropower Plant

ZHANG Huijun，HE Zhen
（Huaneng Hydro Lancang Xiaowan Hydropower Plant，Dali 675702，Yunnan，China）

The type of excitation system in Xiaowan Hydropower Plant is Siemens Thyripol excitation device.The excitation methods include AC and DC excitation modes，and the AC mode supplied by auxiliary power is used under normal operation condition.In the process of excitation，the excitation regulator will trigger the thyristor when the synchronous voltage is greater than 10%Un，and then switches to self-shunt excitation mode.Four excitation failures occur in the operation of hydrogenerators in Xiaowan Hydropower Plant.The failure cases are analyzed.

excitation system；excitation failure；regulator；synchronous voltage；Xiaowan Hydropower Station

TM761.11（274）

A

0559-9342（2015）10-0054-03

2015-07-27

張會軍（1986—），男，山東費縣人，工程師，主要從事水電廠勵磁及繼電保護、維護及檢修工作.