基于安徽省響洪甸蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司勵(lì)磁系統(tǒng)“7·25”事故的原因分析及處理

李江濤

（安徽省響洪甸蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽省六安市 237335）

基于安徽省響洪甸蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司勵(lì)磁系統(tǒng)“7·25”事故的原因分析及處理

李江濤

（安徽省響洪甸蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽省六安市 237335）

同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性起著重要作用，在我國(guó)，勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性和技術(shù)性能指標(biāo)還不能令人滿意。通過(guò)對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)故障的分析與維修，了解勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、勵(lì)磁系統(tǒng)原理和勵(lì)磁線路控制元件功能，在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)事故現(xiàn)象進(jìn)行分析。

勵(lì)磁系統(tǒng)；事故；原因分析；三相短路；靜態(tài)調(diào)試；動(dòng)態(tài)調(diào)試

0 引言

安徽省響洪甸抽水蓄能電站安裝2臺(tái)單機(jī)容量為40/55MW的單級(jí)可逆式水泵水輪機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組安裝一套勵(lì)磁系統(tǒng)，各配備一臺(tái)容量為810kVA的勵(lì)磁變壓器。該勵(lì)磁系統(tǒng)由安德里茨（中國(guó)）有限公司生產(chǎn)，為并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，其原理是以硅整流器作為功率元件，勵(lì)磁電流取自主變壓器低壓側(cè)10.5kV母線，經(jīng)勵(lì)磁降壓變降壓后，整流變換成直流后建立磁場(chǎng)。主要有以下元件組成：勵(lì)磁變壓器、勵(lì)磁系統(tǒng)電源、晶閘管整流器、調(diào)節(jié)裝置、過(guò)電壓保護(hù)、滅磁裝置、起勵(lì)回路、倒極裝置、啟動(dòng)、電氣制動(dòng)等。本廠機(jī)組采用THEYN 5型雙微機(jī)雙通道并聯(lián)晶閘管勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。正常運(yùn)行時(shí)：兩個(gè)通道并聯(lián)運(yùn)行，相互備用。

本文主要介紹5號(hào)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)2號(hào)功率柜內(nèi)三相交流母排短路事故，全面分析了事故產(chǎn)生的原因及整個(gè)處理過(guò)程。

1 事故發(fā)生經(jīng)過(guò)

1.1 事故發(fā)生前機(jī)組運(yùn)行方式

5號(hào)機(jī)組抽水運(yùn)行，6號(hào)機(jī)組備用。

1.2 事故發(fā)生經(jīng)過(guò)

2013年7月24日23時(shí)52分，該電站5號(hào)機(jī)組應(yīng)調(diào)度指令抽水工況遠(yuǎn)方啟動(dòng)，0時(shí)4分機(jī)組轉(zhuǎn)抽水，25日0時(shí)22分12秒，5號(hào)低壓過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，5號(hào)發(fā)電機(jī)出口斷路器5DL跳閘。

詳細(xì)監(jiān)控流程如下：

23:55:00 5號(hào)機(jī)組抽水調(diào)相轉(zhuǎn)抽水工況；

00:22:10 5號(hào)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作；

5號(hào)機(jī)勵(lì)磁晶閘管脈沖丟失；

5號(hào)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)總故障；

5號(hào)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)動(dòng)作；

5號(hào)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)事故；

5號(hào)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)晶閘管熔絲熔斷；

00:22:11 5號(hào)機(jī)停機(jī)令發(fā)調(diào)速命令；

5號(hào)機(jī)勵(lì)磁滅磁斷路器FBCQF分閘；

5號(hào)發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動(dòng)作（保護(hù)裝

置時(shí)間00:14:37:931，記為保護(hù)0時(shí)刻）；

5號(hào)機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器故障；

5號(hào)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)操作電源故障；

00:22:12 5號(hào)機(jī)組順控啟動(dòng)抽水轉(zhuǎn)停機(jī)流程；

5號(hào)發(fā)電機(jī)低壓過(guò)流保護(hù)t1（一段）動(dòng)作跳機(jī)組；

5號(hào)發(fā)電機(jī)低壓過(guò)流保護(hù)t2（二段）動(dòng)作跳機(jī)組（保護(hù)裝置時(shí)間00:14:39:063，記為保護(hù)1.132s時(shí)刻）；

00:22:13 5號(hào)機(jī)組出口開關(guān)5G5DL斷路器分閘（保護(hù)裝置時(shí)間00:14:39:149，記為保護(hù)1.218s時(shí)刻）。

2 事故原因分析

2.1 外觀檢查

故障發(fā)生后第一時(shí)間對(duì)勵(lì)磁變壓器、發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行隔離、檢查，同時(shí)檢查監(jiān)控趨勢(shì)圖、故障時(shí)波形和保護(hù)裝置日志。監(jiān)控系統(tǒng)記錄的模擬量見表1，繼電保護(hù)裝置動(dòng)作記錄的模擬量見表2。

表1 監(jiān)控系統(tǒng)記錄的模擬量

表2 繼電保護(hù)裝置動(dòng)作記錄的模擬量

續(xù)表

2.1.1 故障時(shí)波形分析

故障時(shí)波形圖見圖1～圖4。

圖1 失磁保護(hù)一段動(dòng)作記錄

圖2 失磁保護(hù)二段動(dòng)作記錄

圖3 低壓過(guò)流t1跳閘記錄

圖4 低壓過(guò)流t2跳閘記錄

2.1.2 監(jiān)控報(bào)警記錄

故障時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控報(bào)警記錄如表3所示。

在瓷面上“打玻璃白”也是一項(xiàng)講究的工藝活，玻璃白是水溶性顏料，而彩瓷是先要用油性顏料鉤線和畫底色，這個(gè)過(guò)程必然會(huì)使瓷面沾上油，這樣水溶性的玻璃白就無(wú)法打在含油的瓷面上。這就需要用到“鍋灰”鍋灰具有吸油作用。在需要上玻璃白的位置先抹上少許鍋灰，然后再把鍋灰輕輕掃除，這樣玻璃白就可以打在瓷面上。

表3 故障時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控報(bào)警記錄

2.1.3 一次設(shè)備檢查及試驗(yàn)

（1）發(fā)電機(jī)定子線棒上下端部。

（2）勵(lì)磁變壓器。

（3）轉(zhuǎn)子磁極及引線。

（4）發(fā)電機(jī)出口斷路器。

（5）發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器。

檢查結(jié)果一切正常。

2.1.4 勵(lì)磁控制盤內(nèi)檢查情況

勵(lì)磁系統(tǒng)由4個(gè)盤柜組成，分別是勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制柜、1號(hào)功率柜、2號(hào)功率柜和滅磁柜。1號(hào)功率柜晶閘管U相正負(fù)極、W相正負(fù)極快速熔絲熔斷；1號(hào)功率柜W相晶閘管交流側(cè)母排連接螺栓燒損；2號(hào)功率柜W相正極快速熔絲熔斷；交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)裝置3相熔絲熔斷；交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)裝置母排側(cè)連接電纜三相燒斷；2號(hào)功率柜內(nèi)三相交流母排端部燒損；2號(hào)功率柜脈沖控制板損壞；2號(hào)功率柜部分引線，晶閘管絕緣支撐和柜體構(gòu)件燒損。如圖5～圖13所示。

圖5 2號(hào)功率管整體燒毀情況

圖6 2號(hào)功率柜內(nèi)交流母排端部燒損（1）

圖7 2號(hào)功率柜內(nèi)交流母排端部燒損（2）

圖8 2號(hào)功率柜內(nèi)交流母排端部燒損（3）

圖9 2號(hào)功率柜內(nèi)交流母排端部燒損（4）

圖10 2號(hào)功率柜內(nèi)交流母排絕緣擋板燒毀情況（1）

圖11 2號(hào)功率柜內(nèi)交流母排絕緣擋板燒毀情況（2）

交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)裝置三相熔絲熔斷；交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)裝置母排側(cè)連接電纜三相燒斷。

圖12 過(guò)電壓保護(hù)裝置母排側(cè)連接電纜三相燒斷

2.2 初步分析

圖13 1號(hào)功率柜W相晶閘管交流側(cè)母排連接螺栓燒損

圖14 故障模擬圖

5號(hào)機(jī)組抽水運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)2號(hào)功率柜主用、1號(hào)功率柜備用。2號(hào)功率柜內(nèi)的交流母排端部（圖中K1處）發(fā)生三相短路，致使勵(lì)磁交流側(cè)電壓降低，勵(lì)磁直流側(cè)電壓隨之降低，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓下降，機(jī)端電壓低于額定值75%時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)控制器強(qiáng)勵(lì)限制動(dòng)作。強(qiáng)勵(lì)限制設(shè)定為額定勵(lì)磁電流（1020ADC）的1.9倍（1938ADC），換算值至交流側(cè)為1581A。2號(hào)功率柜C相正極快速熔絲（圖中K4處，型號(hào)：66URD33TTF1000，額定電壓660～700VAC，額定電流1000A）熔斷；勵(lì)磁控制器功率柜故障邏輯輸出切換命令，退出2號(hào)功率柜、投入1號(hào)功率柜運(yùn)行，因交流母排短路點(diǎn)仍在，導(dǎo)致1號(hào)功率柜晶閘管U相正負(fù)極、W相正負(fù)極快速熔絲熔斷，同時(shí)1號(hào)功率柜W相晶閘管交流側(cè)母排連接螺栓燒損，如圖15所示。

2號(hào)功率柜內(nèi)（如圖16所示）交流母排端部發(fā)生三相短路的同時(shí)，導(dǎo)致交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)裝置三相熔絲熔斷（圖14中K3處）、交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)裝置母排側(cè)連接電纜三相燒斷（圖14中K2處）。

勵(lì)磁控制器1號(hào)功率柜和2號(hào)功率柜均故障后，勵(lì)磁控制器跳開滅磁斷路器，0.5s后跳開晶閘管陽(yáng)極電源開關(guān)（勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)斷路器）。

此時(shí)5號(hào)機(jī)組失去勵(lì)磁，從系統(tǒng)吸收大量無(wú)功，1.0s后失磁保護(hù)一段動(dòng)作發(fā)信號(hào)，1.03s后失磁保護(hù)二段動(dòng)作發(fā)信號(hào)，1.132s后低壓過(guò)流保護(hù)一段、二段均動(dòng)作跳閘，5號(hào)機(jī)組電氣跳閘，機(jī)組解列，進(jìn)入停機(jī)流程。

2.3 事故原因分析

功率柜內(nèi)的交流母排，產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)將三相母排之間、母排與支架間用絕緣塊進(jìn)行固定，端部用一塊L形半封閉絕緣擋板進(jìn)行遮擋。該電站5號(hào)、6號(hào)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)系2003年投運(yùn)，電站機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)長(zhǎng)，勵(lì)磁系統(tǒng)功率柜冷卻方式為強(qiáng)迫風(fēng)冷，由于長(zhǎng)期運(yùn)行，絕緣塊縫隙內(nèi)、端部絕緣擋板內(nèi)側(cè)檢修維護(hù)時(shí)無(wú)法進(jìn)行徹底的清掃，灰塵慢慢集聚，2號(hào)功率柜內(nèi)交流母排端部懸空，此次運(yùn)行時(shí)母排端部產(chǎn)生的電暈（勵(lì)磁交流側(cè)電壓480VAC）通過(guò)絕緣擋板內(nèi)部的灰塵發(fā)生爬電、放電現(xiàn)象，擊穿導(dǎo)致發(fā)生三相短路（圖14中K1處），是本次事故的初始故障點(diǎn)。

圖15 1號(hào)功率柜（左端部）

圖16 2號(hào)功率柜（右端部）

2號(hào)功率柜內(nèi)交流母排端部三相短路，機(jī)端電壓下降，勵(lì)磁系統(tǒng)控制器強(qiáng)勵(lì)限制動(dòng)作。部分短路電流流過(guò)2號(hào)功率柜當(dāng)時(shí)導(dǎo)通的晶閘管，造成2號(hào)功率柜W相正極快速熔絲熔斷，此時(shí)勵(lì)磁控制器將功率柜由2號(hào)主用切換為1號(hào)主用（某勵(lì)磁正常運(yùn)行時(shí)一個(gè)功率柜主用，另一個(gè)功率柜熱備用，檢測(cè)到晶閘管發(fā)生故障后，勵(lì)磁控制器進(jìn)行功率柜切換），由于交流母排端部三相短路點(diǎn)依然存在，部分短路電流再次流過(guò)1號(hào)功率柜當(dāng)時(shí)導(dǎo)通的晶閘管，造成1號(hào)功率柜晶閘管U相正負(fù)極、W相正負(fù)極快速熔絲熔斷，同時(shí)1號(hào)功率柜W相晶閘管交流側(cè)母排與晶閘管散熱片間連接螺栓由于力矩不夠或力矩太大造成散熱片鋁合金部分產(chǎn)生裂紋，使得母排與晶閘管散熱片間接觸電阻大，短路的大電流流過(guò)時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重，散熱片與螺絲接觸的部分燒損。

同時(shí)2號(hào)功率柜內(nèi)交流母排端部三相短路后，產(chǎn)生大量夾雜著金屬粉末的粉塵落在處于側(cè)下方的交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)裝置三相熔絲盒的上端部（圖14中K2處），造成三相短路，三相過(guò)電壓保護(hù)裝置的接線（4mm2多股軟銅線）熔斷；同時(shí)過(guò)電壓保護(hù)裝置中的能量向短路點(diǎn)釋放，交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)裝置造成三相熔絲（額定電流40A）熔斷，其輔助觸點(diǎn)動(dòng)作后輸出“勵(lì)磁系統(tǒng)過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作”報(bào)警至監(jiān)控。

圖17 勵(lì)磁系統(tǒng)小電流試驗(yàn)波形圖

勵(lì)磁控制器1號(hào)功率柜和2號(hào)功率柜均故障后，勵(lì)磁控制器立即跳開滅磁斷路器，延時(shí)0.5s后跳開晶閘管陽(yáng)極電源開關(guān)（勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)斷路器），此時(shí)短路故障方被切除。

由于勵(lì)磁系統(tǒng)總故障、勵(lì)磁系統(tǒng)事故僅送至監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)僅會(huì)根據(jù)此信號(hào)后啟動(dòng)正常停機(jī)流程，而不會(huì)立刻發(fā)出跳機(jī)信號(hào)，此時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)按照正常停機(jī)流程給調(diào)速器發(fā)出了減負(fù)荷指令；同時(shí)滅磁斷路器跳開后也不聯(lián)跳發(fā)電機(jī)出口斷路器。此時(shí)對(duì)于機(jī)組而言，失去勵(lì)磁（監(jiān)控內(nèi)記錄無(wú)功最大值59.4 Mvar，當(dāng)時(shí)機(jī)組有功下降至41.5MW；低壓過(guò)流保護(hù)動(dòng)作時(shí)保護(hù)裝置記錄的電壓、電流計(jì)算出機(jī)組視在功率為96MVA），機(jī)端電壓下降，同時(shí)從系統(tǒng)吸收大量無(wú)功，發(fā)電機(jī)定子電流增大，而失磁保護(hù)一段、二段僅僅報(bào)警，失磁保護(hù)三段（延時(shí)5s）未達(dá)到動(dòng)作跳閘時(shí)間未出口，此時(shí)電壓電流達(dá)到低壓過(guò)流保護(hù)定值，電壓過(guò)流保護(hù)一段、二段同時(shí)出口跳閘，機(jī)組解列，進(jìn)入電氣事故停機(jī)流程。

3 事故處理經(jīng)過(guò)

對(duì)1號(hào)功率柜進(jìn)行詳細(xì)的檢查處理，更換1號(hào)功率柜晶閘管熔斷保險(xiǎn)4只，對(duì)已燒毀的二次線全部更換，對(duì)盤柜進(jìn)行全面清掃。

2號(hào)功率柜損壞元件中，晶閘管散熱片、晶閘管快速熔絲的故障指示接點(diǎn)、三相母排無(wú)備件，暫時(shí)無(wú)法修復(fù)，但由于勵(lì)磁正常運(yùn)行時(shí)僅需一個(gè)功率柜，考慮首先將1號(hào)功率柜恢復(fù)運(yùn)行。全部處理完畢后對(duì)5號(hào)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行了如下試驗(yàn)：

（1）機(jī)組靜態(tài)調(diào)試：勵(lì)磁系統(tǒng)小電流試驗(yàn)，錄波正常，波形圖如圖17所示。

（2） 機(jī)組動(dòng)態(tài)調(diào)試：發(fā)電機(jī)零起升壓試驗(yàn)，調(diào)節(jié)器手自動(dòng)切換試驗(yàn)，發(fā)電試驗(yàn)（手動(dòng)、自動(dòng)）、SFC抽水試驗(yàn)，試驗(yàn)正常。

將1號(hào)功率柜投入，機(jī)組調(diào)試后恢復(fù)備用。

4 事故發(fā)生后所暴露的問(wèn)題

通過(guò)此次事故暴露出勵(lì)磁系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)存在以下問(wèn)題：

（1）勵(lì)磁三相交流銅排端部用半包絕緣擋板設(shè)計(jì)不合理。

（2）監(jiān)控系統(tǒng)采集勵(lì)磁系統(tǒng)點(diǎn)數(shù)較少，在勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)生事故時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)中不能有效地反映出勵(lì)磁系統(tǒng)各參數(shù)情況。

（3）勵(lì)磁系統(tǒng)備品備件不充足，以至于在緊急處理時(shí)出現(xiàn)備品備件短缺的情況。

（4）沒(méi)有滅磁斷路器事故跳閘聯(lián)跳發(fā)電機(jī)出口斷路器控制邏輯。

5 防控措施

（1）為了避免類似事故發(fā)生，已將5號(hào)機(jī)組、6號(hào)機(jī)組勵(lì)磁2號(hào)功率柜交流母排端部支撐絕緣件的絕緣擋板拆除。

（2）研究并落實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)、繼電保護(hù)系統(tǒng)與勵(lì)磁系統(tǒng)控制合理配合技術(shù)措施。

（3）舉一反三，加強(qiáng)隱患排查治理和技術(shù)監(jiān)督。

[1] 文伯瑜，姜龍華，等.發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)試驗(yàn).北京：中國(guó)電力出版社，2005.

[2] 林樹滋，張紹煌，等.小型同步發(fā)電機(jī)晶閘管勵(lì)磁.北京：水利電力出版社，1984.

[3] 黃耀群，李興源，等.同步電機(jī)現(xiàn)代勵(lì)磁系統(tǒng)及控制.成都：成都科技大學(xué)出版社，1993.

李江濤（1986—），男，大學(xué)本科，助理工程師，生產(chǎn)技術(shù)部專責(zé)，主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)控制與繼電保護(hù)方向研究。E-mail:lijt2008@163.com

Analysis of the Causes and Accident Treatment of“7·25”Excitation System Accident for Anhui Xianghongdian Energy Storage Power Generation Co.,Ltd.

LI Jiangtao

The excitation system of synchronous generator plays an important role in reliability and stability of power system.However,the reliability of current excitation system in China is not very satisfactory. Through fault analysis of the excitation system and maintenance, the structure of excitation system,the principle of excitation system and the excitation line control element function are known.

excitation system; malfunction; analysis of causes;threephase short-circuit; static adjustment; dynamic debugging