關(guān)于大型發(fā)電機組事故滅磁的有效防護問題

摘 要：本文從大型發(fā)電機內(nèi)部故障的基本要求出發(fā)，分析解讀現(xiàn)行事故防護標(biāo)準(zhǔn)和防護能力是否達到主機設(shè)備要求的問題，提出根本解決滅磁技術(shù)關(guān)鍵難題的創(chuàng)新措施方案，以及必備的技術(shù)條件，并且站在發(fā)電全局的高度，真正從根本上解決好：為什么設(shè)置事故滅磁裝置，設(shè)置怎樣的事故滅磁，怎樣滿足主設(shè)備的要求，如何從根本上提高事故滅磁的安全性和有效性等一系列關(guān)鍵技術(shù)問題，爭取做到厘清技術(shù)思路，消除技術(shù)屏障，創(chuàng)新技術(shù)方法，拓展技術(shù)應(yīng)用，確保主機安全，服務(wù)電力發(fā)展。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機內(nèi)部故障；事故滅磁；磁場開關(guān)；換流能力；滅磁結(jié)果

1 引言

隨著國家電力工業(yè)的大發(fā)展，以三峽為代表的一大批大型、超大型發(fā)電機組的陸續(xù)投產(chǎn)，彰顯了我國電力裝備制造能力和運行管理水平躍上了新臺階，也對大機組、大電廠的安全穩(wěn)定運行提出了更高的要求。現(xiàn)代化的源頭是電力，發(fā)電主設(shè)備作為電力系統(tǒng)的心臟，其穩(wěn)定運行的可靠性水平，很難與機組容量同步增加，相反許多前所未遇的新問題亦有可能發(fā)生。同時大型發(fā)電設(shè)備的事故安全防護能力，并未隨著機組容量、參數(shù)規(guī)格的提高而提高，某些方面還顯得矛盾和滯后，甚至自顧不及，例如承擔(dān)機組內(nèi)部故障保護的事故滅磁裝置等，全面的解決好配套技術(shù)的升級問題，對于保證電力生產(chǎn)的本質(zhì)安全意義重大。近年來，國內(nèi)一些電廠發(fā)生主機事故擴大，或滅磁失敗、擊穿轉(zhuǎn)子磁極等不成功案例屢有所聞，而成功的保護了發(fā)變機組事故不被擴大的案例卻十分鮮見，現(xiàn)行的事故滅磁功能形同虛設(shè)，主機事故后果慘重。此類問題遠未得到妥善解決，有必要再作深入探討。

2 事故滅磁技術(shù)的現(xiàn)狀和問題

對于現(xiàn)代大型發(fā)電機組，尤其是采用靜止整流器勵磁（自并勵）方式的機組，勵磁系統(tǒng)為發(fā)電機提供大容量、高參數(shù)勵磁輸出，從量值上已大大超越前幾代機組的等級，且存在發(fā)生誤強勵、三相短路等超高極端工況的可能，對應(yīng)的磁場能量更強大，實行滅磁操作的難度倍增。事故滅磁的電氣強度正比于磁場電流的平方If2，受制于磁場開關(guān)的遮斷、建壓能力。如同20世紀(jì)80年代初DM2滅磁開關(guān)、2000年DM4磁場開關(guān)所遇到的問題一樣，在新的高量級上又在重復(fù)過去的老路，并未從根本上突破和解決高參數(shù)滅磁的關(guān)鍵問題。同時為了自保，事故滅磁設(shè)計深陷某些國外技術(shù)的誤區(qū)誤導(dǎo)之中，功能特性處于能力和效力欠缺不足的被動局面，整體配置并無技術(shù)先進性可言。

特別是巨型發(fā)電機組，事故保護仍然沿用傳統(tǒng)小參數(shù)條件下的強開斷滅磁方式，型式（技術(shù)）上已嚴(yán)重遭遇瓶頸制約，由于磁場開關(guān)動作滅磁，弧斷口只能串聯(lián)使用，每個斷口上流過的都是最大勵磁電流，都要承受最大的遮斷強度和燃弧壓力，成敗在此一舉，不可能有第二次補救的機會。所以當(dāng)前的滅磁配置相當(dāng)于給高速跑車裝了一副劣質(zhì)剎車，平常勉強可用，而在事故高強度極端條件下絕對會崩潰失效。設(shè)計上缺乏核心技術(shù)主導(dǎo)，僅以磁場開關(guān)有限條件下的建壓能力為依據(jù)，忽略了內(nèi)部故障極端條件下的燃弧、控弧能力，會導(dǎo)致磁場開關(guān)超過最大遮斷強度嚴(yán)重過載，其后果只能是失敗燒毀，也就是說磁場開關(guān)本身的遮斷能力未必能滿足大機組對象的要求，極端條件下滅磁的安全性明顯不足。

所以，實際滅磁配置又產(chǎn)生了另外一種傾向，即千方百計降低滅磁殘壓和增加輔助手段等方式，典型代表就是超配的SiC滅磁電阻，輔以切脈沖、逆變等配合措施，雖在一定條件下可減輕磁場開關(guān)的壓力，但并不能保證在事故最大極限參數(shù)下的可靠遮斷能力，或者說不能滿足嚴(yán)酷狀態(tài)下系統(tǒng)最大邊界條件的要求，滅磁的成功與否多由外界因素決定（典型案例：岱海2F誤強勵事故）。同時，卻導(dǎo)致大大延長了事故滅磁時間，犧牲了對事故發(fā)電機組的有效保護，一般空載額定滅磁僅相當(dāng)于逆變的時間，事故短路滅磁要10多秒超過Tdo時間，完全不具有快速有效性，造成主機事故破壞面和事故損失擴大的嚴(yán)重后果，失去了保護主機設(shè)備和勵磁系統(tǒng)內(nèi)部故障的有效性作用（三峽3F、向家壩8F發(fā)電機事故和龍羊峽4F勵磁事故）。

還有一種危險狀況，即許多大型機組設(shè)置的交流開關(guān)，位于勵磁變出口至整流器之間，當(dāng)發(fā)生勵磁系統(tǒng)內(nèi)部故障時，此開關(guān)會延時（100ms）跳閘，切除直流或交流短路電流，可能超過額定電流數(shù)十倍，由于此交流開關(guān)不具有切斷強直流感性電流的能力，則極有可能噴弧短路而燒毀（最近官地2F的整流器短路事故）。

分析傳統(tǒng)強開關(guān)滅磁方式的性能和效果，設(shè)計了“發(fā)電機事故滅磁保護因果邏輯圖”，將發(fā)電主設(shè)備、勵磁系統(tǒng)，有可能發(fā)生的內(nèi)部故障和事故擴大等問題，及其相互的因果關(guān)系、技術(shù)條件和形成后果，用跨功能流程圖的形式加以展現(xiàn)，從而進一步理清了發(fā)電機組事故滅磁的功能、作用和效果的關(guān)系，特別是清晰的抓住了整個事故滅磁體系的關(guān)鍵節(jié)點或瓶頸，即磁場開關(guān)的換流能力欠缺的問題，及必然導(dǎo)致以下幾種并不希望見到的事故滅磁結(jié)果：⑴磁場開關(guān)換流成功——以犧牲發(fā)電主設(shè)備為代價，超長的滅磁時間擴大了主機事故的破壞面和損失量，事故滅磁的有效性不足；⑵磁場開關(guān)換流失敗——導(dǎo)致勵磁功率設(shè)備燒毀損壞，造成次生損失擴大，極限滅磁的安全性沒有保障；⑶磁場開關(guān)換流，交流開關(guān)噴弧燒毀——內(nèi)部短路情況下跳交流開關(guān)，失敗燒毀的可能性更高，冗長的滅磁時間更增加了破壞的程度，而快速有效的所謂“理想滅磁”結(jié)果，現(xiàn)行條件下是不可能發(fā)生的（詳見圖1）。其最好的結(jié)果就是成功換流、緩慢滅磁；若換流不成功或交流開關(guān)噴弧短路，則事故擴大設(shè)備損壞的結(jié)果很難避免。

3 為何要設(shè)置事故滅磁裝置

對于當(dāng)前滅磁裝置性能弱化，功能短缺，有名無實的現(xiàn)狀，有必要重新認(rèn)識一下事故滅磁配置的重要意義。大型發(fā)電機組的事故滅磁裝置，是裝設(shè)于勵磁主回路、直接作用于磁場電流的發(fā)電機重要保護裝置，是發(fā)變組內(nèi)部故障保護的最后防線，是有效防止發(fā)電主設(shè)備事故擴大的必備措施，是繼電保護事故跳閘指令的最終執(zhí)行者。其功能和效用直接影響到機組內(nèi)部事故的破壞程度和損失量。由于勵磁系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜性，要求事故滅磁裝置：能在任何嚴(yán)酷工況下、滿足最大邊界條件、具有強制性和獨立性的執(zhí)行事故滅磁指令，實施可靠高效快速滅磁的功能。

事故滅磁功能相當(dāng)于高鐵機車必須具備有效的剎車制動一樣，巨型發(fā)電機系統(tǒng)也要有相匹配的強有力的事故滅磁配置，否則就會形成技術(shù)功能的短板和瓶頸，非但起不到保護主機的作用，運行在發(fā)電機上就是一個炸彈和隱患。由于發(fā)變組或勵磁系統(tǒng)發(fā)生極端事故的概率并不高，所以這個隱患很難提前暴露，一旦發(fā)生則后果慘重（如龍羊峽4F事故）。對此應(yīng)該引起充分的重視，對關(guān)鍵性能指標(biāo)必須設(shè)立量化標(biāo)準(zhǔn)和工程測試標(biāo)準(zhǔn)，并有效實行，采取嚴(yán)密的技術(shù)安全評估預(yù)判，嚴(yán)格掌控防患于未然，這也是近年來重點研究掌握的核心技術(shù)方法。

事故滅磁裝置應(yīng)該回到其根本任務(wù)和目標(biāo)上來，擔(dān)當(dāng)起發(fā)電機組的貼身保鏢、緊急救命丹的作用，是繼電保護系統(tǒng)指令的最終執(zhí)行者，其能力和品質(zhì)怎樣強調(diào)都不過分，其經(jīng)濟價值更是舉足輕重，若能夠避免一次內(nèi)部故障擴大的損失，少則幾千萬元、多則上億元，是裝置本身的幾十、上百倍的高效益。所以事故滅磁的安全性和有效性同等重要，均衡統(tǒng)一不可偏廢，其目的就是無條件滿足機組最大頂值參數(shù)下，快速轉(zhuǎn)移和消除磁場能量，有效保護主機設(shè)備的故障不被擴大，重建起堅強有力的保護防線。重點是必須建立起有明確指標(biāo)的有約束力的評估評價體系和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，而不是用折中將就的方式降低標(biāo)準(zhǔn)，遷就低能的磁場開關(guān)，建議推進強制性滅磁安全標(biāo)準(zhǔn)，大力促進事故滅磁技術(shù)發(fā)展進步，最大限度的提高對巨型發(fā)電機組安全的保護能力，徹底解決電力技術(shù)發(fā)展的瓶頸問題。

4 發(fā)電機需要怎樣的事故滅磁

既然事故滅磁對于發(fā)電機組來講是不可或缺的重要保護裝置，是直接針對發(fā)變組各種內(nèi)部故障起作用的無可替代的唯一功能設(shè)備，一旦發(fā)生內(nèi)部事故必須確?？焖贉绱乓淮纬晒Γ渲匾浴⒖煽啃詰?yīng)該與發(fā)電機出口斷路器等同，從系統(tǒng)功能、性能上不允許有半點折扣偏差，某些所謂的后備冗余設(shè)置和補丁措施都是多余的花哨，加上復(fù)雜的時序配合關(guān)系，關(guān)鍵時刻未必能夠起到作用。因為事故發(fā)生只是一瞬間的事，第一級保護將承受全部壓力，若承受不了只有失敗燒毀，與其將希望寄托在后備補丁上面，為何不在滅磁主體上多下些功夫，強化其功能特性，在發(fā)電機組、勵磁系統(tǒng)可預(yù)計的任何異常狀態(tài)下，都能夠絕對可靠、快速有效的完成滅磁功能，確保一次成功。設(shè)計上必須滿足機組對象在最大極端條件下的滅磁能力，這對一般機械開關(guān)幾乎不可能達到，也是現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)所不及。但是若不對此提出明確要求，也就失去了滅磁裝置配置的實際意義，使滅磁裝置淪為高貴的擺設(shè)裝飾品，毫無功能特性可言，或者再以犧牲主機為代價，就更加主次顛倒得不償失。這里提出事故滅磁必備的技術(shù)條件和技術(shù)指標(biāo)要求：

⑴發(fā)電機滅磁的極限能力：

Ifm≥4IfN（水機頂值，或根據(jù)實際參數(shù)校核）

⑵發(fā)電機滅磁產(chǎn)生的最大過電壓：

Ump≤0.5Usp （常規(guī)滅磁）

Ump≤0.7Usp （極端條件）

⑶發(fā)電機空載額定滅磁時間：（If≈0的時間）

Tmo<0.3Tdo（較快速 事故損失率rs<10%）

Tmo=0.167Tdo（理想滅磁 事故損失率rs<3%）

⑷發(fā)電機空載額定滅磁系數(shù)：

Km=Tmo/Tdo（0.167≤Km≤0.3）

⑸等效滅磁電壓倍數(shù)：

Ku=Um/UfN

且有Km=1/（1+Ku）

⑹磁場開關(guān)成功換流的電壓條件：

Ukm>Udm+Uzm （建壓能力）

⑺磁場開關(guān)最大遮斷強度：

Wkm>>∫ukmif dt（斷口容量）

⑻磁場開關(guān)拉弧建壓換流時間：

25ms

⑼滅磁電阻總體能容量：

Wr≥[（1.1～1.3）/0.8]*（0.5LoIfN2）（裕量充沛）

5 如何滿足發(fā)電主設(shè)備滅磁要求

上述技術(shù)條件和技術(shù)指標(biāo)，符合大型發(fā)電機自并勵系統(tǒng)的實際要求，但采用傳統(tǒng)的強開關(guān)滅磁方式，很難全面達到要求，受到種種的制約和限制，例如：磁場開關(guān)的性能，滅磁的非線性特性，滅磁電阻的型式與配置方式等，根本上還是受困于滅磁建壓和換流的老舊模式問題，還是傳統(tǒng)滅磁方式與新機組高參數(shù)之間難相適應(yīng)不匹配的問題。

隨著大電廠、大機組的發(fā)展，滅磁的參數(shù)容量更是大大高出，甚至要高出一個量級，磁場開關(guān)所承受的遮斷強度或稱電應(yīng)力正比于勵磁電流的平方If2，遠非昔日的中等容量機組可比，即使磁場開關(guān)能夠應(yīng)付2～3倍的額定強度，但也很難過得了極端誤強勵的考驗，其遮斷強度在極端狀況可能超過16倍額定值，對一些短弧道設(shè)計的磁場開關(guān)，更加危險。近年來國內(nèi)幾起典型事故案例，燒毀磁場開關(guān)多是在此種工況下發(fā)生的，無論是進口還是國產(chǎn)開關(guān)，這一致命的弱點均無法逾越，僥幸的是許多機組還未發(fā)生過，畢竟內(nèi)部故障和空載誤強勵事故較外部故障的概率要低，發(fā)電主設(shè)備的可靠性也有所提高，但不等于不會發(fā)生。

國內(nèi)勵磁界在這些問題上長期困擾、十分糾結(jié)、難有突破，唯一的寄希望于老外對磁場開關(guān)能給出什么保證值，恰恰這是最難以保證的，即使是開關(guān)型式試驗參數(shù)，也是在特定條件下的特定參數(shù)，并不能代表所有狀態(tài)下的參數(shù)一致和穩(wěn)定，這是磁場開關(guān)應(yīng)用的特點所決定，往往只是一些數(shù)字游戲，那么這樣的選型和應(yīng)用豈不危機四伏，風(fēng)險重重，尤其對于巨型機組的超高強度矛盾更加突出。

怎樣為世界最大的水輪發(fā)電機配備合適的滅磁保護裝置呢？滅磁技術(shù)如何跟上電力發(fā)展的步伐，而不是拖其后腿呢？創(chuàng)新，唯有創(chuàng)新，中國人能上天、能入海，能造出世界上最大的發(fā)電機，能完成特高壓直流輸電，怎么就不能解決好大電源核心的發(fā)電機自身的安全保護問題？

若能打開思路，另辟蹊徑，前面這些問題均可化解，由于業(yè)界始終框定在一個既定前提下，其潛臺詞是磁場開關(guān)是滅磁的必需，要滅磁就是拼開關(guān)，延用著固有的思維模式——開關(guān)拉弧建壓，轉(zhuǎn)移磁場電流。其實磁場開關(guān)在事故滅磁中起到的僅僅是二傳手的作用，且采用最機械原始的方法，十分吃力勉強甚至危險的操作，完成的只是對磁場電流的換流功能。而當(dāng)今的勵磁系統(tǒng)早已電子化、柔性化了，巨型機組的參數(shù)規(guī)格遠超以往數(shù)倍，事故滅磁方式卻還停留在陳舊落后機械老套的模式，這里才是最應(yīng)該、最有可能創(chuàng)新改進的地方，當(dāng)我們拋開那臺磁場開關(guān)，就會發(fā)現(xiàn)還有許許多多的技術(shù)方法和手段，可以實現(xiàn)可靠轉(zhuǎn)移磁場電流、快速高效滅磁的目標(biāo)，何必爭搶那個獨木橋。

先進合理的解決方案早已產(chǎn)生于長江電力公司，基于主動換流技術(shù)的高性能自動滅磁裝置（無源零開斷自動滅磁技術(shù)），突破了限制瓶頸，化解了技術(shù)矛盾，完全滿足系統(tǒng)最大邊界條件和技術(shù)要求，確保將事故滅磁導(dǎo)向唯一正確的結(jié)果——理想滅磁，避免了造成擴大損壞的可能，實現(xiàn)安全快速的全新事故滅磁設(shè)計。裝置已成功應(yīng)用于葛洲壩電廠機組六年多，具有超極限參數(shù)的滅磁換流能力，快速理想的滅磁時間（空載額定0.82秒），優(yōu)異的限壓特性和充足的在線能容量，兼顧轉(zhuǎn)子回路過電壓保護等其他功能，完全滿足各項滅磁技術(shù)條件的要求，從根本上避免了換流失敗或開關(guān)噴弧失控導(dǎo)致事故擴大的可能，確保機組任何事故滅磁的安全性和有效性，詳見圖2。

該項技術(shù)是在長江電力公司的支持下完全自主研發(fā)，獲得湖北省重大科技成果和國家發(fā)明專利，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，通過省級院士專家鑒定的，屬國內(nèi)外首創(chuàng)、國際先進的技術(shù)，是長江電力公司在勵磁技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新成果，解決了世界級的滅磁難題，是對國家水電發(fā)展的重要貢獻，曾榮獲公司總經(jīng)理特別獎、以及國際專利博覽會雙金獎。對于完善大型、超大型水電機組保護功能，具有顛覆性的意義和價值。

最近某電廠（向家壩8#機）新機投產(chǎn)事故，就是典型的內(nèi)部事故，最終擴大到60多根線棒要更換，短路能量將風(fēng)洞門沖開，影響投產(chǎn)工期20余天，損失發(fā)電量3.5億KWH，其事故損失不可謂不大。嚴(yán)峻的事實再次證明，若能夠應(yīng)用快速滅磁，事故損失將呈平方級下降。該事故再次暴露了巨型發(fā)電機保護不力的問題，造成發(fā)電主設(shè)備損壞擴大，值得業(yè)界三思，說明問題的嚴(yán)重性和復(fù)雜性，應(yīng)該引起足夠的重視和警覺。巨型機組失去有效的防護，還有何本質(zhì)安全可言。高價從國外引進的保護裝置（磁場開關(guān)/SiC電阻）自顧自都不足，哪還有能力保護我們的發(fā)電機？我們提出的《勵磁系統(tǒng)安全風(fēng)險評估排查表》（CYPC-105-0560-2012），其中滅磁裝置最高風(fēng)險等級的（D-3）項問題，就是勵磁系統(tǒng)中僅有的Ⅰ級最高風(fēng)險項之一，應(yīng)該立即整改，絕對避免重復(fù)發(fā)生的零允許事件，且在大型水電機組普遍存在著的隱性潛在安全隱患。

對于如此嚴(yán)重的安全風(fēng)險，我們的安全管理思路應(yīng)該有所轉(zhuǎn)變。以往一些僅停留在表面的技術(shù)改進難以解決深層次的根本問題?？炕ㄥX是買不來核心技術(shù)的。大型超大型機組應(yīng)該如何解決內(nèi)部事故有效防護的問題，如何追求本質(zhì)安全和創(chuàng)新關(guān)鍵技術(shù)，歸根結(jié)底還是一個治標(biāo)和治本的問題。

6.結(jié)論

通過以上深入分析，本文得出以下結(jié)論：

大型發(fā)電機內(nèi)部保護措施和能力至關(guān)重要不可或缺；

事故滅磁應(yīng)能強制和獨立的執(zhí)行緊急滅磁功能；

事故滅磁的安全性和有效性均衡統(tǒng)一不可偏廢；

事故滅磁必須滿足對象最大邊界條件下可靠快速滅磁；

磁場開關(guān)必須確保建壓能力和遮斷強度同時滿足要求；

主動換流方式的滅磁能力突破了常規(guī)限制條件的制約；

新型主動換流技術(shù)是確保滅磁成功和快速有效的唯一結(jié)果；

恢復(fù)重建理想滅磁條件是在全新的技術(shù)高度上整體能力的體現(xiàn)；

創(chuàng)新滅磁技術(shù)是滿足電力發(fā)展消除最高安全風(fēng)險的首選方向。

當(dāng)前大型發(fā)電機組事故滅磁的功能特性和防護效果，實際性能評價并不令人樂觀，好在問題再次暴露，不容回避和漠視。通過葛洲壩30余年勵磁技術(shù)的積累和創(chuàng)新實踐，一些關(guān)鍵核心技術(shù)均已破解掌握。而重新認(rèn)識問題和解決問題的思路和方向才是根本，沒有保護或保護不力的發(fā)電機組是危險的；不能有效保護發(fā)電機組的滅磁裝置是低劣的；屈從于低能磁場開關(guān)的滅磁技術(shù)是落后的；沒有整體創(chuàng)新核心技術(shù)的滅磁安全是沒有保障的。必須通過主動攻關(guān)，科技創(chuàng)新，才能切實提高大水電、大機組事故滅磁的安全水平。對此問題的充分認(rèn)識、探索實踐、創(chuàng)新研發(fā)與現(xiàn)實需要之間目標(biāo)應(yīng)該是一致的，即通過創(chuàng)新主導(dǎo)發(fā)展，真正提高我國在發(fā)電機勵磁領(lǐng)域的技術(shù)水平。

參考文獻

[1] 黃大可《事故發(fā)電機實施快速滅磁的作用和評價指標(biāo)》