典型靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)危險(xiǎn)源分析與控制措施

羅 剛，孫曉波，蔣冰芝

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司白鶴灘電廠籌建處，四川 涼山615400）

隨著電力建設(shè)的發(fā)展，金沙江水電機(jī)組進(jìn)入百萬千瓦級(jí)時(shí)代，特高壓直流工程建設(shè)持續(xù)推進(jìn)，電力系統(tǒng)行業(yè)大網(wǎng)絡(luò)、高電壓、大機(jī)組的特性不斷得到加強(qiáng)。大容量機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)整體的穩(wěn)定性和安全影響較大，而勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行影響最大。勵(lì)磁系統(tǒng)不僅保證了機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定，還可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)中的無功和電壓。因此，對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行危險(xiǎn)源的識(shí)別分析并在設(shè)計(jì)階段采取控制措施使其危險(xiǎn)性減至最小，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義，也是對(duì)本質(zhì)安全的追求。

1 系統(tǒng)安全理論

隨著現(xiàn)代安全生產(chǎn)管理理論的發(fā)展，安全理論進(jìn)入系統(tǒng)安全論與綜合原因論階段，對(duì)安全的理解不斷加深，要求對(duì)安全進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理。

系統(tǒng)安全（System Safety），指的是在系統(tǒng)的全生命周期中應(yīng)用系統(tǒng)安全工程和系統(tǒng)安全管理方法，識(shí)別系統(tǒng)中的危險(xiǎn)源，并采取有效的控制措施以最大程度地降低風(fēng)險(xiǎn)，能夠使系統(tǒng)在指定的性能、時(shí)間和成本范圍內(nèi)達(dá)到最好的安全程度。系統(tǒng)安全要求在一個(gè)新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段就考慮其安全性，制定并執(zhí)行系統(tǒng)安全活動(dòng)，屬于事前分析和預(yù)先防護(hù)，不同于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)法的思路。

2 勵(lì)磁系統(tǒng)

由相互作用、相互依存的若干部分組成的具有特定功能的有機(jī)整體稱為系統(tǒng)。依據(jù)國(guó)標(biāo)的定義，勵(lì)磁系統(tǒng)是指提供同步電機(jī)磁場(chǎng)電流的裝置。靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)（Static rectified excitation system）是指用靜止晶閘管整流裝置將交流電源整流成可調(diào)直流，作為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的勵(lì)磁系統(tǒng)。

3 危險(xiǎn)源分析及控制措施

從安全生產(chǎn)的角度解釋，危險(xiǎn)源是指可能造成人員傷害和疾病、財(cái)產(chǎn)損失、作業(yè)環(huán)境破壞或其他損失的根源或狀態(tài)。

考慮到勵(lì)磁系統(tǒng)的重要性，目前的勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般采用冗余控制的思想。嚴(yán)格來說，冗余控制是指使用成倍的設(shè)備或組件來形成控制系統(tǒng)以參與控制。這種設(shè)計(jì)提高了勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，有可能導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性的降低，因此在勵(lì)磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)進(jìn)行辯證考慮。

3.1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是勵(lì)磁系統(tǒng)的核心，它通過控制整流裝置的控制角度從而改變勵(lì)磁電流的大小，使發(fā)電機(jī)電壓及無功功率滿足發(fā)電廠及電力系統(tǒng)的運(yùn)行要求，有自動(dòng)和手動(dòng)調(diào)節(jié)模式，可以確保發(fā)電機(jī)在安全穩(wěn)定的范圍內(nèi)運(yùn)行。

3.1.1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器危險(xiǎn)源示例

調(diào)節(jié)器的冗余配置在硬件上提高了勵(lì)磁系統(tǒng)的安全程度，但仔細(xì)進(jìn)行危險(xiǎn)源分析辨識(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)存在由冗余配置引進(jìn)的新的危險(xiǎn)源。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器硬件進(jìn)行了冗余配置，但其核心是軟件，也就是勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的控制邏輯，這是由人工預(yù)先進(jìn)行編寫控制的，但由于人的經(jīng)驗(yàn)水平和內(nèi)外環(huán)境條件變化等原因可能會(huì)存在漏洞，下面舉兩種實(shí)際的例子。

（1）機(jī)端電壓PT 的慢熔現(xiàn)象

慢熔是指PT 的熔斷器慢速熔斷。對(duì)于PT 斷線，目前國(guó)內(nèi)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮PT 完全斷開的狀態(tài)，沒有考慮到未完全斷開的熔斷器慢熔狀態(tài)。PT的機(jī)端電壓是勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制的重要信號(hào)，所以PT 是否斷線是勵(lì)磁系統(tǒng)需要關(guān)注檢測(cè)的，當(dāng)主通道使用的PT 故障時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)需要迅速作出正確判斷，切換到PT 正常的備用通道或勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)通道，并發(fā)出相應(yīng)報(bào)警信號(hào)。但PT 未直接斷線而發(fā)生PT 熔體慢熔時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)只能檢測(cè)到機(jī)端電壓的降低，從而不斷增大勵(lì)磁電流使發(fā)變組保護(hù)動(dòng)作，近年來PT 慢熔現(xiàn)象多有發(fā)生并造成停機(jī)等后果，嚴(yán)重影響發(fā)電廠設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）勵(lì)磁調(diào)節(jié)器通信故障

通信故障包括調(diào)節(jié)器雙通道之間的通信故障和調(diào)節(jié)器與外部裝置之間的通信故障。

某發(fā)電廠因調(diào)節(jié)器內(nèi)部通信故障導(dǎo)致調(diào)節(jié)器認(rèn)定雙通道故障連續(xù)兩次跳機(jī)，原因僅是因?yàn)殡p通道之間通信線路松動(dòng)，由軟件設(shè)定的邏輯認(rèn)定為調(diào)節(jié)器雙通道故障。

還有另一發(fā)電廠發(fā)生勵(lì)磁調(diào)節(jié)器與功率柜之間的通信故障導(dǎo)致整流柜退出引起勵(lì)磁故障跳閘，該廠采用總線型的通信網(wǎng)絡(luò)，因某聯(lián)接點(diǎn)環(huán)境工作溫度較高，運(yùn)行不穩(wěn)定，造成該點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)頻繁連接和斷開，使網(wǎng)絡(luò)無響應(yīng)，導(dǎo)致整流橋脈沖閉鎖，以致跳閘。

3.1.2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的危險(xiǎn)源分析控制

由以上兩種故障的例子可知，PT 斷線檢測(cè)采用雙套以上的冗余原本已在勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段被辨識(shí)到了勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的控制邏輯中，但因?yàn)榭紤]不充分不全面，硬件的冗余被軟件的疏漏所阻礙，冗余控制并沒有產(chǎn)生應(yīng)有的效果。

某發(fā)電廠調(diào)節(jié)器內(nèi)部通信故障原本已經(jīng)被辨識(shí)進(jìn)軟件控制邏輯中，同樣因?yàn)榭紤]不充分不全面，硬件的冗余并沒有效果，應(yīng)修改軟件內(nèi)的通信故障邏輯來改進(jìn)。另一發(fā)電廠勵(lì)磁調(diào)節(jié)器與功率柜之間的通信故障主要是硬件原因，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器本身的冗余控制無法提高外部未采取冗余控制的器件的可靠性，此例中可以更改總線型的通信方式為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式以及進(jìn)行通信方式冗余來改進(jìn)。此例提醒除非整個(gè)系統(tǒng)都采取了冗余控制，否則單個(gè)子系統(tǒng)的冗余無法提高未采取冗余控制的其他子系統(tǒng)的可靠性。

這些例子說明對(duì)系統(tǒng)的危險(xiǎn)源分析需要全面細(xì)致，在目前的認(rèn)知水平上做到?jīng)]有遺漏。

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的危險(xiǎn)源分析控制：

（1）若采取了冗余控制，需要確定調(diào)節(jié)器本身及相關(guān)聯(lián)的勵(lì)磁系統(tǒng)子系統(tǒng)都是冗余的，未冗余的子系統(tǒng)需要對(duì)硬件的可靠性進(jìn)一步辨識(shí)危險(xiǎn)源。

（2）對(duì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的軟件邏輯部分，要進(jìn)行全面的梳理，做到軟件邏輯增強(qiáng)勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性，而不是使硬件冗余失效。目前很多發(fā)電廠勵(lì)磁系統(tǒng)的工作與繼電保護(hù)系統(tǒng)未分清，很多沒必要跳閘的信號(hào)應(yīng)改為報(bào)警，而且勵(lì)磁本身的保護(hù)不應(yīng)與繼電保護(hù)系統(tǒng)沖突和重復(fù)，勵(lì)磁系統(tǒng)可以發(fā)出和接受信號(hào)進(jìn)行內(nèi)部跳閘，但外部跳閘信號(hào)應(yīng)送到繼電保護(hù)系統(tǒng)，勵(lì)磁系統(tǒng)不應(yīng)直接聯(lián)跳發(fā)電機(jī)出口斷路器（GCB）。

（3）對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)內(nèi)部使用的通信線路要制定定期更換的標(biāo)準(zhǔn)，不得超過通信線路的設(shè)計(jì)使用年限使用。

3.2 晶閘管整流裝置

晶閘管是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱，屬于半控型電力電子器件，又稱為可控硅整流器（SCR），簡(jiǎn)稱可控硅，目前大型機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)中均采用晶閘管三相全控橋式整流器。晶閘管整流裝置通過交直流變換，將直流電流提供給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組進(jìn)行勵(lì)磁。

3.2.1 晶閘管冗余設(shè)計(jì)

對(duì)于大型機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)，整流橋的并聯(lián)支路數(shù)量一般由“N+1”冗余方式確定?！癗+1”中的N為保證發(fā)電機(jī)正常勵(lì)磁的最少整流橋個(gè)數(shù)，1 為冗余的1 個(gè)整流橋。這種冗余方式當(dāng)一個(gè)整流橋因故障退出時(shí)，仍能夠確保勵(lì)磁系統(tǒng)正常工作。

3.2.2 晶閘管換相過電壓控制

對(duì)于整流裝置，由于晶閘管的換相過電壓特性，會(huì)引起勵(lì)磁變壓器及發(fā)電機(jī)絕緣性能下降，也可能導(dǎo)致晶閘管誤導(dǎo)通或擊穿損壞，引發(fā)誤強(qiáng)勵(lì)和失磁故障，必須給予足夠的重視并采取控制措施。目前，主流的辦法是采取集中式或分散式的阻容吸收電路來應(yīng)對(duì)，實(shí)際效果良好。主要控制措施是電阻電容的參數(shù)選定，以及裝置的散熱分析。對(duì)于散熱，可采取阻容吸收裝置遠(yuǎn)離勵(lì)磁系統(tǒng)盤柜的布置方式，使其與勵(lì)磁系統(tǒng)其余部件之間不會(huì)相互影響。

3.2.3 過電流保護(hù)

服務(wù)特點(diǎn)：I）全球領(lǐng)域內(nèi)數(shù)據(jù)最全、最權(quán)威、更新速度最快的科技文獻(xiàn)在線檢索與獲取服務(wù)平臺(tái)之一，提供在線全文閱讀（含參考文獻(xiàn)）與PDF下載，圖書付費(fèi)分為全書以及條目付費(fèi)，OA資源提供開放下載；II）提供優(yōu)先出版服務(wù)（快速，比紙本期刊更快看到最新的研究）；III）期刊投稿與同行評(píng)審平臺(tái)（需登陸等使用，無法測(cè)評(píng)）

晶閘管對(duì)溫度變化敏感，過電流將使晶閘管芯片過熱并引起質(zhì)量下降，壽命降低甚至損壞。勵(lì)磁系統(tǒng)采用快速熔斷器來保護(hù)晶閘管，具有快速熔斷的特性，晶閘管與熔斷器串聯(lián)，熔體在過電流時(shí)迅速熔斷，使電路切斷以達(dá)到保護(hù)的目的。這里的關(guān)鍵在于快熔的參數(shù)要合適。

3.2.4 脈沖觸發(fā)

整流裝置與勵(lì)磁系統(tǒng)其他部分的主要關(guān)系在于可控硅的觸發(fā)脈沖由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器發(fā)出，調(diào)節(jié)器本身的可靠性以及調(diào)節(jié)器與整流裝置間的連接方式很大程度決定了整流裝置的工作狀態(tài)。使用脈沖變隔離注意防止絕緣擊穿。

3.2.5 整流裝置冷卻

溫度控制，可控硅的結(jié)溫必須受到限制，否則會(huì)影響可控硅的性能甚至損壞，目前較常用的是強(qiáng)迫風(fēng)冷，熱管冷卻方式正在普及。強(qiáng)迫風(fēng)冷需注意風(fēng)機(jī)的冗余設(shè)計(jì)，以及風(fēng)冷設(shè)計(jì)所帶來的集塵問題。

3.2.6 隔離開關(guān)

部分勵(lì)磁系統(tǒng)整流裝置的每個(gè)整流柜內(nèi)都設(shè)置了交流隔離刀閘和直流隔離刀閘，可方便將單柜與交流銅排和直流銅排之間的電路斷開。但這種設(shè)置引入了新的危險(xiǎn)源，隔離刀閘的質(zhì)量是否可靠無法確定，隔離開關(guān)的參數(shù)也需要匹配，對(duì)于雙極和多極的直流隔離開關(guān)，由于隔離開關(guān)手動(dòng)合閘無標(biāo)準(zhǔn)，各極間分流不合理會(huì)導(dǎo)致接觸電阻小的極流過超過額定設(shè)計(jì)的電流量導(dǎo)致局部過熱，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)沒有處理?xiàng)l件，增大了勵(lì)磁系統(tǒng)的整體危險(xiǎn)性，建議取消。

3.3 滅磁裝置

所謂勵(lì)磁系統(tǒng)的滅磁，指的是將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路中的磁場(chǎng)能量減小到零的過程。對(duì)滅磁裝置的要求可歸納為：滿足任何工況滅磁要求、時(shí)間盡可能短、限制轉(zhuǎn)子兩端電壓、獨(dú)立可靠不依賴于其他系統(tǒng)。

對(duì)于靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)，面對(duì)不同的工況，滅磁方式主要分為逆變滅磁和事故滅磁，主要考慮事故滅磁。逆變滅磁適用于發(fā)電機(jī)正常停機(jī)，事故滅磁主要在發(fā)電機(jī)發(fā)生電氣事故時(shí)使用。逆變滅磁的成功主要取決于晶閘管電路的可靠性，危險(xiǎn)源參照對(duì)晶閘管整流裝置的危險(xiǎn)源分析，主要注意逆變時(shí)觸發(fā)脈沖消失會(huì)導(dǎo)致逆變顛覆。事故滅磁主要采用直流滅磁方式，交直流滅磁方式為冗余方式。大型發(fā)電機(jī)組的事故滅磁裝置是防止事故擴(kuò)大的有效措施，其效果直接影響事故的嚴(yán)重程度。

滅磁裝置安全可靠需考慮以下幾點(diǎn)：

（1）按三相短路、空載誤強(qiáng)勵(lì)等極限工況下的需要來制定滅磁開關(guān)參數(shù)及滅磁電阻容量的技術(shù)要求。

（2）定期對(duì)滅磁開關(guān)及滅磁電阻性能進(jìn)行檢查。

（3）對(duì)行業(yè)內(nèi)有相關(guān)案例發(fā)生的同型號(hào)滅磁開關(guān)內(nèi)部進(jìn)行檢查，防止滅磁開關(guān)內(nèi)部機(jī)構(gòu)損壞導(dǎo)致滅磁開關(guān)失效。

近年來某些發(fā)電廠曾發(fā)生因機(jī)組未配置具有充足滅磁能力的滅磁裝置，導(dǎo)致滅磁開關(guān)燒毀的事故，還有因滅磁不成功而導(dǎo)致事故擴(kuò)大的情況。具有充足可靠滅磁能力的滅磁裝置，是發(fā)電廠和電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要保障。

3.4 勵(lì)磁變壓器

干式變壓器是目前勵(lì)磁變壓器的主要類型。對(duì)于容量較大的勵(lì)磁變壓器，采用3 個(gè)單相干式變壓器組合而成，勵(lì)磁變壓器通常采用Y/△聯(lián)接。勵(lì)磁變壓器相對(duì)于普通變壓器，有幾點(diǎn)特殊的地方需要加以考慮。

3.4.1 溫度控制

勵(lì)磁變壓器工作時(shí)，它的負(fù)載是晶閘管整流電路，因此勵(lì)磁變壓器的二次側(cè)含有高次諧波分量，附加損耗導(dǎo)致溫升相對(duì)高于普通變壓器。勵(lì)磁變壓器的安全運(yùn)行與變壓器繞組的絕緣狀況息息相關(guān)，繞組溫度超過絕緣耐受溫度引起的絕緣老化是勵(lì)磁變壓器故障的重要原因，需設(shè)計(jì)勵(lì)磁變壓器繞組的測(cè)溫設(shè)備以及所測(cè)溫度超過允許值時(shí)的非電量保護(hù)，用以監(jiān)測(cè)勵(lì)磁變壓器的運(yùn)行狀態(tài)并確保勵(lì)磁系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.4.2 過電壓

相比普通變壓器，由于晶閘管的反向恢復(fù)特性，運(yùn)行時(shí)晶閘管在換相電流減小達(dá)到反向峰值時(shí)急劇恢復(fù)，而繞組具有一定漏感，會(huì)在勵(lì)磁變壓器二次側(cè)產(chǎn)生換相過電壓。在繞組內(nèi)感應(yīng)出的持續(xù)、周期的過電壓，必將使勵(lì)磁變壓器絕緣下降，最后導(dǎo)致?lián)舸?。此過電壓在整流裝置中采取阻容吸收裝置處理，效果良好。

為了防止發(fā)電機(jī)主回路出現(xiàn)過電壓對(duì)勵(lì)磁變壓器二次側(cè)的危害，在高、低壓繞組之間增加靜電屏蔽網(wǎng)并引出接地能有效抑制高、低壓繞組間的傳遞過電壓。

3.4.3 陽極電纜

勵(lì)磁系統(tǒng)中，將勵(lì)磁變低壓側(cè)與勵(lì)磁整流裝置之間的連接電纜稱為陽極電纜。由于機(jī)組的容量不斷加大，對(duì)陽極電纜的散熱設(shè)計(jì)需要加以考慮，避免因陽極電纜溫度過高迫使機(jī)組停機(jī)，可從電纜的布線方式改進(jìn)來避免。

3.5 電磁兼容

電磁兼容是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁干擾的能力。

目前勵(lì)磁控制系統(tǒng)已經(jīng)全面由模擬式轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字式控制，廣泛使用數(shù)字調(diào)節(jié)器。發(fā)電廠存在各種發(fā)電設(shè)備電磁干擾源，使得勵(lì)磁調(diào)節(jié)器處于易于受到干擾的電磁環(huán)境中。發(fā)電廠中出現(xiàn)過很多由于電磁干擾導(dǎo)致的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器故障影響機(jī)組運(yùn)行的案例。

電磁干擾可能引起勵(lì)磁調(diào)節(jié)器失控，測(cè)量信號(hào)的波動(dòng)會(huì)造成勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的輸出錯(cuò)誤變化甚至保護(hù)誤動(dòng)。勵(lì)磁系統(tǒng)的電磁兼容需在設(shè)計(jì)階段納入考慮并在安裝階段調(diào)試檢驗(yàn)。

勵(lì)磁系統(tǒng)的電磁兼容需注意：在勵(lì)磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)招標(biāo)文件中，明確應(yīng)滿足的標(biāo)準(zhǔn)和需求的電磁兼容技術(shù)要求。設(shè)計(jì)階段就應(yīng)考慮勵(lì)磁系統(tǒng)輸入輸出電纜的抗干擾問題，避免控制及信號(hào)電纜與整流裝置交流側(cè)和直流側(cè)的電纜近距離敷設(shè)。選取達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境要求的屏蔽層類型，再考慮經(jīng)濟(jì)情況。勵(lì)磁系統(tǒng)屏柜與接地系統(tǒng)可靠連接。

4 結(jié)語

由于人的認(rèn)識(shí)能力有限，很多時(shí)候追求完善卻并不能完全認(rèn)識(shí)和窮盡危險(xiǎn)源。即使認(rèn)識(shí)了現(xiàn)有的危險(xiǎn)源，由于設(shè)備的更新以及環(huán)境的變化等又會(huì)產(chǎn)生新的危險(xiǎn)源。因?yàn)楦鞣N條件限制，對(duì)識(shí)別出的危險(xiǎn)源采取了控制措施也不一定能完全消滅危險(xiǎn)源，因此更多時(shí)候追求的是降低危險(xiǎn)到整個(gè)系統(tǒng)，更大一些可以說是到整個(gè)社會(huì)可接受的程度，可接受的危險(xiǎn)也即是風(fēng)險(xiǎn)管理的思想。系統(tǒng)安全理論的工作目標(biāo)就是控制危險(xiǎn)源，降低事故發(fā)生概率，如發(fā)生事故，則采取的措施能夠控制傷害和損失在可接受程 度內(nèi)。

勵(lì)磁系統(tǒng)的重要性要求人們追求它的穩(wěn)定性，本文對(duì)靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行了危險(xiǎn)源分析與控制措施的探討，試圖將系統(tǒng)的危險(xiǎn)降低到可接受的程度，由于認(rèn)知水平等原因的限制，可能仍有遺漏，系統(tǒng)安全分析是一個(gè)持續(xù)變化的動(dòng)態(tài)過程，這項(xiàng)工作也需持續(xù)的進(jìn)行完善。