老撾南湃水電站機(jī)組起勵(lì)失敗原因分析與探討

周 愨，劉 勇，胡元鋒

（北方國(guó)際合作股份有限公司，北京100040）

1 電站概述

南湃（Nam Phay）水電站位于老撾萬(wàn)象省北部Phoun區(qū)，壩址位于南俄河（Nam Ngum）支流南湃河（Nam Phay）上游峽谷。站內(nèi)裝設(shè)2臺(tái)43 MW沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量86 MW，額定水頭700 m，額定流量14.03 m3/s。

2 勵(lì)磁系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 概述

南湃水電站發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)為武漢洪山電工的HWJT-08 DS勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)由機(jī)端勵(lì)磁變壓器、可控硅整流裝置、自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器AVR、滅磁和過(guò)電壓保護(hù)裝置、起勵(lì)裝置、必要的監(jiān)測(cè)、保護(hù)、報(bào)警輔助裝置等組成。

勵(lì)磁系統(tǒng)的控制是由AVR調(diào)節(jié)器輸出觸發(fā)信號(hào)控制可控硅的導(dǎo)通，從而控制發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，達(dá)到無(wú)功調(diào)節(jié)的作用。

2.2 組成

HWJT-08DS勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)可分為四個(gè)主要部分，如圖1所示：

勵(lì)磁變壓器（-TE01）；

2套相互獨(dú)立的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器（-AA01，-AA02）；

可控硅整流橋單元（-VT01～- VT06）；

起勵(lì)單元（-KM07，-QF15，-VD01）和滅磁單元（-VD02，-RV05，-RV04）。

圖1 HWJT-08DS勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)

2.3 勵(lì)磁起勵(lì)方式

HWJT-08DS微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的工作電源采用兩路獨(dú)立電源供電，其中一路取自廠(chǎng)用直流系統(tǒng)，另一路取自交流電源系統(tǒng)，依據(jù)勵(lì)磁方式的不同有所不同。

HWJT-08DS勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用自并勵(lì)與直流他勵(lì)相結(jié)合的方式，在起勵(lì)初期通過(guò)DC110 V直流電源快速起勵(lì)，在很短的時(shí)間內(nèi)將機(jī)端電壓升至設(shè)定值（如30%額定值），然后自動(dòng)斷開(kāi)起勵(lì)回路，轉(zhuǎn)入自勵(lì)激磁狀態(tài)。

3 勵(lì)磁起勵(lì)失敗原因分析及排查過(guò)程

3.1 起因

2017年6月21日1號(hào)機(jī)組停機(jī)檢修后，于19：32時(shí)通過(guò)上位機(jī)起勵(lì)建壓，大約8 s左右報(bào)“勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)失敗”，連續(xù)操作2次起勵(lì)均沒(méi)有成功。

3.2 初步排查

根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)致起勵(lì)失敗的原因可能有轉(zhuǎn)子回路絕緣降低、勵(lì)磁控制系統(tǒng)故障、勵(lì)磁PT故障、轉(zhuǎn)子正負(fù)極性接反、勵(lì)磁變故障等?？紤]到本次機(jī)組檢修時(shí)涉及到電纜的拆接，首先對(duì)回路檢修檢查，過(guò)程如下：

（1）1號(hào)機(jī)組檢修時(shí)拆除過(guò)集電環(huán)上電纜（勵(lì)磁電源正負(fù)線(xiàn)纜），因此懷疑此處電纜接線(xiàn)錯(cuò)誤導(dǎo)致起勵(lì)失敗。通過(guò)設(shè)計(jì)及廠(chǎng)家圖紙，核對(duì)集電環(huán)上電纜接線(xiàn)，并與2號(hào)機(jī)組的接線(xiàn)比較，接線(xiàn)無(wú)誤，且滑環(huán)正負(fù)極性相同。但通過(guò)現(xiàn)地LCU柜再次起勵(lì)時(shí)，仍然起勵(lì)失敗。因此可以排除了滅磁柜至發(fā)電機(jī)電纜接線(xiàn)錯(cuò)誤導(dǎo)致起勵(lì)失敗的可能性。

（2）用1000 V搖表測(cè)量轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈及連接滅磁柜電纜絕緣，測(cè)量到絕緣電阻值為10 MΩ。但通過(guò)現(xiàn)地LCU柜再次起勵(lì)，仍然起勵(lì)失敗，排除轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈及連接至滅磁柜電纜絕緣降低導(dǎo)致起勵(lì)失敗的可能性。

（3）核實(shí)勵(lì)磁參數(shù)設(shè)置參數(shù)，確認(rèn)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置正確，排除勵(lì)磁調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤導(dǎo)致起勵(lì)失敗的可能性。

（4）檢查機(jī)端側(cè)勵(lì)磁PT空開(kāi)在合閘狀態(tài)，測(cè)量勵(lì)磁PT二次殘壓為1.7 V左右（三相基本相同），排除勵(lì)磁PT電壓異常。

（5）檢查碳刷，清理碳架上的碳粉，并將活動(dòng)不靈活的碳刷進(jìn)行打磨。通過(guò)現(xiàn)地LCU再次柜起勵(lì)，仍然起勵(lì)失敗，排除碳刷粉末導(dǎo)致轉(zhuǎn)子回路絕緣降低的可能性。

（6）檢查勵(lì)磁變保護(hù)裝置，無(wú)保護(hù)動(dòng)作或異常告警現(xiàn)象。

（7）檢查勵(lì)磁變?nèi)嗉拌F心對(duì)地絕緣良好（10 MΩ），排除勵(lì)磁變故障。

3.3 深入檢查及處理結(jié)果

由于上述的檢查均未發(fā)現(xiàn)異常情況，針對(duì)本電站勵(lì)磁系統(tǒng)特點(diǎn)：起勵(lì)初期勵(lì)磁系統(tǒng)將使用直流電源110 V進(jìn)行激勵(lì)。當(dāng)機(jī)端電壓大于30%額定電壓（3 kV）后，起勵(lì)電源自動(dòng)切回勵(lì)磁變供電，勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行自并勵(lì)模式。當(dāng)直流110 V激勵(lì)8 s后，機(jī)端電壓未達(dá)到30%額定電壓（3 kV），系統(tǒng)也將發(fā)出起勵(lì)失敗報(bào)警。對(duì)整個(gè)勵(lì)磁回路再次進(jìn)行檢查，并對(duì)整個(gè)起勵(lì)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)：

（1）起勵(lì)過(guò)程中，直流系統(tǒng)出現(xiàn)“直流母線(xiàn)絕緣降低”報(bào)警。

（2）停機(jī)時(shí)，機(jī)端勵(lì)磁變PT、發(fā)電機(jī)出口PT二次殘壓均為1.7 V左右（三相基本相同），勵(lì)磁變二次側(cè)電壓為5.5 V（三相基本相同），機(jī)端一次電壓為160 V （保護(hù)測(cè)量）。

（3）起勵(lì)后，起勵(lì)繼電器正常動(dòng)作，并測(cè)量轉(zhuǎn)子電壓約為15 V。

（4）起勵(lì)期間，勵(lì)磁PT二次、發(fā)電機(jī)出口PT二次殘壓降至0.8 V（三相基本相同），勵(lì)磁變二次側(cè)電壓降至4 V（三相基本相同），機(jī)端一次電壓降至140 V（保護(hù)測(cè)量）。

（5）起勵(lì)完成后上述數(shù)據(jù)均恢復(fù)到停機(jī)時(shí)數(shù)值。

通過(guò)對(duì)起勵(lì)過(guò)程中的數(shù)據(jù)分析，機(jī)端勵(lì)磁變PT、發(fā)電機(jī)出口PT二次殘壓、勵(lì)磁變二次側(cè)電壓和機(jī)端一次電壓在起勵(lì)過(guò)程中均出現(xiàn)降低的現(xiàn)象，與停機(jī)滅磁時(shí)的現(xiàn)象相似。逆變滅磁時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)通過(guò)改變轉(zhuǎn)子電源極性，以反電勢(shì)形式加于轉(zhuǎn)子繞組，使轉(zhuǎn)子電流（或轉(zhuǎn)子電壓）迅速衰減到零。因此判斷：起勵(lì)失敗由轉(zhuǎn)子直流電源的極性接反導(dǎo)致。

基于上述猜測(cè)，把滅磁柜至發(fā)電機(jī)電纜接線(xiàn)（也即勵(lì)磁電源正負(fù)線(xiàn)纜）的滅磁柜端的正負(fù)極調(diào)換了位置，通過(guò)現(xiàn)地LCU柜再次起勵(lì)，此次起勵(lì)成功，電壓穩(wěn)定在11 kV。至此確定起勵(lì)失敗為轉(zhuǎn)子直流電源極性接反所致。

3.4 原因分析

由于停機(jī)后的發(fā)電機(jī)均有少量的剩磁，當(dāng)轉(zhuǎn)子達(dá)到額定轉(zhuǎn)速并切割剩磁時(shí)，在定子繞組中將感應(yīng)一個(gè)微小的殘壓電勢(shì)，外加起勵(lì)電源時(shí)，該起勵(lì)電源形成的磁場(chǎng)必須要增強(qiáng)原有的剩磁，才能使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)加大，如果起勵(lì)電源所產(chǎn)生的磁勢(shì)方向與剩磁方向相反，則剩磁將削弱，發(fā)電機(jī)的電壓便不能建起。

新機(jī)組勵(lì)磁繞組極性不分正負(fù)，機(jī)組安裝完畢后，需要對(duì)機(jī)組進(jìn)行充磁，對(duì)于自并勵(lì)發(fā)電機(jī)，剩磁的方向?qū)嶋H上已規(guī)定了磁極的極性，本電站中2臺(tái)機(jī)組安裝完成后對(duì)機(jī)組充磁時(shí)，1號(hào)機(jī)組剩磁方向?yàn)樯霞姯h(huán)為正，下集電環(huán)為負(fù)，2號(hào)機(jī)上集電環(huán)為負(fù)，下集電環(huán)為正，在接線(xiàn)時(shí)應(yīng)按此極性接線(xiàn)，否則會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)不能正常建壓。

4 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

（1）根據(jù)三相交流發(fā)電機(jī)原理：當(dāng)勻速旋轉(zhuǎn)的電樞繞組（轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈）通以直流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割定子三相線(xiàn)圈從而會(huì)產(chǎn)生一組幅值相等、頻率相等、相位互相差120°的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。而水輪發(fā)電機(jī)電樞繞組（轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈）上直流電的極性正反，只會(huì)顛倒其產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)方向，對(duì)三相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值、頻率、相位互相差均無(wú)影響，僅改變同一時(shí)刻同相電動(dòng)勢(shì)的相位角。由于本站水輪發(fā)電機(jī)采用準(zhǔn)同期方式并網(wǎng)：待并發(fā)電機(jī)側(cè)的電壓和系統(tǒng)側(cè)的電壓大小相等、相位相同且頻率相等時(shí)，才允許合閘并網(wǎng)。因此，水輪發(fā)電機(jī)電樞繞組（轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈）上直流電的極性正反不影響機(jī)組的起勵(lì)減壓與并網(wǎng)發(fā)電（即集電環(huán)正負(fù)極性可任意選擇）。上述原理闡明了本站2臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)電樞繞組（轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈）直流電極性相反均能正常發(fā)電的原因，其剩磁極性由機(jī)組調(diào)試階段使用直流焊機(jī)充磁決定。

（2）發(fā)電機(jī)勵(lì)磁方式歸納起來(lái)主要有兩類(lèi):自并勵(lì)方式和他勵(lì)方式兩種。

自并勵(lì)方式（殘壓起勵(lì)）是發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源取自發(fā)電機(jī)本身，即是利用發(fā)電機(jī)定子線(xiàn)圈的殘余電壓通過(guò)勵(lì)磁系統(tǒng)整流后送回其轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈，再對(duì)定子線(xiàn)圈進(jìn)行相互激勵(lì)，使發(fā)電機(jī)在自激勵(lì)過(guò)程中不斷升高到設(shè)定值；

他勵(lì)方式是發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源不是發(fā)電機(jī)本身供給，而是由其他電源供給。起勵(lì)電源可以用廠(chǎng)用直流電源， 稱(chēng)為直流起勵(lì)。也可以用廠(chǎng)用交流電源經(jīng)整流后提供， 稱(chēng)為交流起勵(lì)。

自并勵(lì)相對(duì)于他勵(lì)的優(yōu)缺點(diǎn)：主機(jī)軸系短、接線(xiàn)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、運(yùn)行可靠性高和維護(hù)檢修方便等，但起勵(lì)過(guò)程困難、系統(tǒng)故障時(shí)機(jī)端電壓下降明顯對(duì)調(diào)節(jié)控制有影響。目前大部分發(fā)電機(jī)采用自并勵(lì)方式，因此發(fā)電機(jī)的開(kāi)機(jī)起勵(lì)建壓是一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)，如果在開(kāi)機(jī)過(guò)程中不能正常建壓可能對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定和社會(huì)經(jīng)濟(jì)會(huì)造成一定的影響，特別要求機(jī)組黑啟動(dòng)時(shí)對(duì)成功建壓顯得尤為重要。

（3）自并勵(lì)建壓過(guò)程其實(shí)就是一個(gè)內(nèi)部正反饋過(guò)程，首先由剩磁在電樞繞組中感應(yīng)產(chǎn)生剩磁電壓，進(jìn)而產(chǎn)生不大的勵(lì)磁電流，這個(gè)勵(lì)磁電流會(huì)在轉(zhuǎn)子中建立勵(lì)磁磁勢(shì)，由此增強(qiáng)了氣隙磁場(chǎng)，加大了電樞繞組內(nèi)的電勢(shì)，勵(lì)磁電流隨之上升，氣隙磁場(chǎng)得到進(jìn)一步增強(qiáng)（自勵(lì)過(guò)程就這樣極其迅速）往復(fù)地進(jìn)行下去，直至建壓成功。根據(jù)以上分析可知：勵(lì)磁回路交流側(cè)輸入剩磁電壓的幅值應(yīng)大于勵(lì)磁回路的門(mén)檻電壓是自勵(lì)式同步發(fā)電機(jī)自建壓的必要條件。

因此，本站起勵(lì)采用自并勵(lì)與直流他勵(lì)相結(jié)合的方式，既保留了自并勵(lì)方式的優(yōu)點(diǎn)，又通過(guò)直流他勵(lì)的方式提高起勵(lì)建壓的可靠性。

發(fā)電機(jī)首先使用DC110 V作為起勵(lì)電源來(lái)勵(lì)磁，當(dāng)發(fā)電機(jī)的電壓值達(dá)到了規(guī)定電壓（可通過(guò)勵(lì)磁系統(tǒng)軟件設(shè)定修改，最小為30%Un）之后，將起勵(lì)回路自動(dòng)退出，切換為自并勵(lì)方式，勵(lì)磁電源則由勵(lì)磁變壓器來(lái)提供，直到發(fā)電機(jī)出口電壓上升至額定值。這種起勵(lì)模式避免了在建立起發(fā)電機(jī)電壓之前（剩磁過(guò)低），勵(lì)磁電源都不能由勵(lì)磁變壓器來(lái)予以提供，需為自并勵(lì)系統(tǒng)提供他勵(lì)電源。同時(shí)該組合方式為黑啟動(dòng)時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)零起升壓提供了起勵(lì)備用電源。

（4）本站勵(lì)磁系統(tǒng)采用自并勵(lì)接線(xiàn)方式：勵(lì)磁電源接于發(fā)電機(jī)出口母線(xiàn)，這種方式可靠性高、較為簡(jiǎn)單，只需要發(fā)電機(jī)保持在有效運(yùn)行的狀態(tài)，那么就會(huì)由發(fā)電機(jī)機(jī)端并聯(lián)勵(lì)磁變壓器發(fā)出勵(lì)磁電源；其強(qiáng)勵(lì)能力會(huì)在切除外部短路之后不久就有效地發(fā)揮出來(lái)。但是接于發(fā)電機(jī)出口母線(xiàn)的最大缺點(diǎn)就在于：發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓會(huì)嚴(yán)重影響到勵(lì)磁電源，一旦有三相短路故障出現(xiàn)在線(xiàn)路首端，那么就會(huì)減弱強(qiáng)勵(lì)作用，不利于暫態(tài)穩(wěn)定，進(jìn)而還有可能會(huì)影響到系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。因此我站采用封閉母線(xiàn)等措施，減少自并激勵(lì)磁系統(tǒng)諸如機(jī)端短路等問(wèn)題的發(fā)生，同時(shí)配置發(fā)電機(jī)復(fù)壓記憶過(guò)流保護(hù)，確保發(fā)電機(jī)機(jī)端出現(xiàn)故障時(shí)，能快速可靠地切除短路電流，確保機(jī)組的安全。

（5）由于發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中正負(fù)滑環(huán)所受到的電腐蝕不同，導(dǎo)致正負(fù)極滑環(huán)磨損的程度不同，負(fù)極磨損的程度比正極大。在電流的作用下，負(fù)極集電環(huán)表面大量金屬“蒸發(fā)”，使集電環(huán)表面損蝕嚴(yán)重，同時(shí)這些金屬離子也附著在碳刷表面，反過(guò)來(lái)使集電環(huán)表面磨損更加嚴(yán)重，對(duì)氧化碳素薄膜造成破壞，出現(xiàn)“條痕”。這種情況下集電環(huán)表面粗糙，氧化碳素薄膜不均勻，呈金屬性光亮，接觸面間機(jī)械磨損大。因此要定期對(duì)集電環(huán)正負(fù)極進(jìn)行調(diào)整（即倒換勵(lì)磁柜與集電環(huán)的連接電纜）。調(diào)整的原則根據(jù)滑環(huán)電腐蝕程度、光潔度、石墨薄膜的好壞情況來(lái)決定，一般一年調(diào)整1～2 次為宜。

5 結(jié)語(yǔ)

勵(lì)磁系統(tǒng)是發(fā)電廠(chǎng)運(yùn)行的主設(shè)備， 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)成功與否直接關(guān)系到發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的可靠性。自并勵(lì)與直流他勵(lì)相結(jié)合的起勵(lì)方式，雙通道微機(jī)調(diào)節(jié)器的使用可提高水電機(jī)組的開(kāi)機(jī)成功率，為發(fā)電機(jī)組及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。同時(shí)本文可為水電站勵(lì)磁系統(tǒng)的起勵(lì)方案設(shè)計(jì)、勵(lì)磁系統(tǒng)維護(hù)及改造提供參考。