那降水電站勵磁系統(tǒng)故障的檢查與處理

楊鴻鋒，陳炳森，唐正權(quán)，嚴欣婷

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530023）

1 工程概況

那降水庫位于廣西南寧市隆安縣右江支流那降河上，距離縣城6 km，建于1960 年，庫容1880 萬m3，集雨面積63 km2，主要負責縣城供水和下游農(nóng)田灌溉。那降水電站廠房位于水庫主壩之后，始建于1978 年，2015 年12 月完成增效擴容改造，共安裝3臺單機容量200 kW 的混流式低壓水輪發(fā)電機組，總裝機容量600 kW，電站額定水頭17.7 m，額定流量4.41 m3/s，尾水排至灌渠和下游。

電站改造后的電氣主接線如圖1 所示，3 臺機組出口電壓均為400 V，經(jīng)出口斷路器、隔離開關(guān)后并接至1#主變壓器低壓側(cè)，經(jīng)主變升壓至10 kV，再經(jīng)熔斷器、負荷刀閘后“T”接至電站附近的10 kV那降線并入隆安縣農(nóng)網(wǎng)。2#站用變負責電站廠房及水庫管理所用電。

圖1 那降水電站電氣主接線

那降水電站采用控制、保護、勵磁、開關(guān)一體化屏外加調(diào)速裝置實現(xiàn)機組控制功能[1]，發(fā)電機采用自并勵的晶閘管勵磁調(diào)節(jié)控制方式，勵磁用的勵磁變、晶閘管及二極管模塊、勵磁調(diào)節(jié)器以及相應(yīng)開關(guān)儀表均集中在一體化屏內(nèi)，屬于單機容量800 kW以下農(nóng)村小型水電站低壓機組常用的勵磁方式。

那降水電站新發(fā)電機并網(wǎng)運行后，多次出現(xiàn)無法起勵建壓，發(fā)電機勵磁電流、勵磁電壓以及輸出電流大幅度擺動，發(fā)電機集電環(huán)的滑環(huán)與碳刷接觸處出現(xiàn)較大火花等典型勵磁故障現(xiàn)象，直接影響到機組的發(fā)電運行和電站的生產(chǎn)安全，現(xiàn)結(jié)合上述故障的處理，總結(jié)并介紹小型水輪發(fā)電機勵磁故障的檢查與處理辦法。

2 發(fā)電機勵磁回路工作原理

那降水電站發(fā)電機勵磁回路如圖2 所示，由勵磁主電路、起勵回路、勵磁自動調(diào)節(jié)控制單元等組成。

2.1 勵磁主電路

由空氣開關(guān)QF1、勵磁變壓器LB、主熔斷器FU5～7、三相半控橋式整流電路（二極管D1～3、晶閘管VT1～3及相應(yīng)的過壓RC保護組成）、整流電源輸入端過壓保護（熔斷路FU1～3、壓敏電壓RF1～3 組成）、整流電源輸出端過壓保護（熔斷器FU4、壓敏電阻RF4組成）、滅磁二極管D4組成。

2.2 起勵電路

由開關(guān)QF2、起勵控制開關(guān)SA、中間繼電器ZJ、整流二極管D5 等組成，開機時可通過此回路實現(xiàn)發(fā)電機起勵升壓，一旦發(fā)電機建壓成功，ZJ動作，其常閉觸點將起勵回路切斷，由勵磁調(diào)節(jié)器實現(xiàn)發(fā)電機的自動勵磁調(diào)節(jié)控制。

2.3 勵磁自動調(diào)節(jié)控制單元

勵磁自動調(diào)節(jié)控制單元包括電壓互感器TV1、勵磁調(diào)節(jié)器、發(fā)電機電流反饋用電流互感器TA 和電阻Rf 等組成。發(fā)電機出口端A、B、C 三相電壓經(jīng)熔斷器FU8～10 輸入到三相測量電壓互感器TV1，其Y形接法輸出A1、B1、C1、N1（線電壓41.6V）接至DKL-11 型勵磁調(diào)節(jié)器端子，一是為勵磁調(diào)節(jié)器提供工作電源；二是為晶閘管提供同步控制基準信號，以實現(xiàn)晶閘管導(dǎo)通角的精準控制。另一組△接法輸出A2、B2、C2（線電壓17V）接至發(fā)電機勵磁測量端子，其中，發(fā)電機C相電流經(jīng)電流互感器TA1、TA2兩次轉(zhuǎn)換后并至Rf 兩端，所形成的電壓疊加在B2電壓回路中，從而形成發(fā)電機電流反饋，讓勵磁調(diào)節(jié)器在發(fā)電機負荷增減時自動增減發(fā)電機勵磁電流。

圖2 那降水電站發(fā)電機勵磁原理圖

勵磁調(diào)節(jié)數(shù)字電位器用于調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流，從而實現(xiàn)并網(wǎng)前發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)和發(fā)電機并網(wǎng)后無功功率調(diào)節(jié)，也可通過安裝在一體化屏上的按鈕SB1、SB2實現(xiàn)勵磁電流調(diào)節(jié)。

勵磁調(diào)節(jié)器根據(jù)所測量到的發(fā)電機電壓（B 相含電流反饋值）和給定值計算出勵磁電流調(diào)節(jié)值，結(jié)合同步控制基準信號自動生成三相晶閘管的觸發(fā)控制信號G1～3 輸出至VT1～3 的觸發(fā)端子，實現(xiàn)對三相半控橋式整流電路輸出電流的控制。

整流電路輸出的直流電經(jīng)分流器FL 和勵磁電纜接至發(fā)電機集電環(huán)的碳刷處，再由滑環(huán)引至發(fā)電機轉(zhuǎn)子的勵磁線圈，一體化屏上安裝的電流表A和電壓表V用于顯示勵磁電流值和電壓值。

3 那降水電站發(fā)電機故障的原因

那降水電站自并網(wǎng)運行后，多次在長時間停機后集電環(huán)與碳刷的接觸面生銹（集電環(huán)材料存在質(zhì)量問題），導(dǎo)致發(fā)電機工作時集電環(huán)與碳刷接觸不良，在集電環(huán)處出現(xiàn)火花、勵磁電流和空載電壓不穩(wěn)定等現(xiàn)象，需要進行除銹處理才能正常工作；兩次出現(xiàn)無法起勵建壓情況，一次是運行人員在拆除集電環(huán)勵磁電纜處理集電環(huán)銹蝕問題后，回裝時將正負極電纜裝反，發(fā)電機轉(zhuǎn)子剩磁消失而無法建壓，一次是長時間停機后，發(fā)電機開機時殘壓過低而無法建壓；出現(xiàn)過一次C相晶閘管控制極導(dǎo)線在端子處接觸不良，導(dǎo)致發(fā)電機并網(wǎng)后勵磁電流及發(fā)電機輸出電流大幅度擺動、發(fā)電機內(nèi)部出現(xiàn)異常尖叫聲的嚴重事故，直接影響到機組的安全。

那降水電站發(fā)電機上述故障，在小型水電站中較為普遍，如何在故障發(fā)生后，更快更準地找出故障原因和故障部位，需要掌握故障排查及試驗方法，下面結(jié)合圖2的勵磁原理圖，介紹那降水電站發(fā)電機勵磁故障排查及試驗的方法。

4 發(fā)電機典型勵磁故障排查及試驗方法

小型水輪發(fā)電機常見的勵磁故障包括發(fā)電機無法起勵建壓、發(fā)電機集電環(huán)出現(xiàn)火花、發(fā)電機工作聲音異常、空載勵磁不穩(wěn)定、空載電壓不穩(wěn)定或無法調(diào)至額定電壓、并網(wǎng)后勵磁電流不穩(wěn)定等，可從以下幾個方面進行排查。

4.1 發(fā)電機絕緣電阻的檢測與處理

發(fā)電機一旦出現(xiàn)上述故障，應(yīng)先檢查并測量發(fā)電機定子及轉(zhuǎn)子線圈的絕緣電阻。對于400 V的低壓發(fā)電機，先拆除其對外連接電纜，再使用500 V兆歐表測量發(fā)電機定子線圈相間及對地、轉(zhuǎn)子線圈對地的絕緣電阻，所測絕緣電阻均不小于0.5 MΩ，如果絕緣電阻為零或過低，說明發(fā)電機線圈及其引線絕緣有破損，甚至出現(xiàn)了短路或接地，必須進行維修才能使用；如果僅是絕緣電阻偏低，說明發(fā)電機受潮，應(yīng)先進行烘干處理，待絕緣電阻恢復(fù)正常后再使用。

4.2 發(fā)電機集電環(huán)出現(xiàn)火花故障的檢查與處理

發(fā)電機集電環(huán)出現(xiàn)火花故障的原因大多是因為機組長時間停機后，滑環(huán)與碳刷的接觸面生銹，或者機組長時間運行后，造成滑環(huán)表面磨損不均勻，與碳刷接觸面出現(xiàn)溝痕，導(dǎo)致滑環(huán)與碳刷接觸不良，在發(fā)電機工作時產(chǎn)生火花，同時勵磁回路電阻不斷變化，造成勵磁電流波動，影響到機組的安全和穩(wěn)定運行。

因此，在日常運行維護工作中，要注意檢查集電環(huán)部位，及時清掃日常運行產(chǎn)生并累積在集電環(huán)處的碳粉，以免因空氣潮濕導(dǎo)致轉(zhuǎn)子勵磁回路絕緣電阻下降甚至短路；定期或不定期采用120 目粗砂紙打磨滑環(huán)表面，一是去銹，二是修復(fù)滑環(huán)表面損傷，確保滑環(huán)與碳刷接觸良好。

4.3 發(fā)電機無法起勵故障的排查及處理

自并勵發(fā)電機勵磁電壓需要以發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁極剩磁為基礎(chǔ)來建立[2]，并通過起勵回路來實現(xiàn)，因此，發(fā)電機無法起勵故障排查應(yīng)先按上述方法排除發(fā)電機定轉(zhuǎn)子內(nèi)部、勵磁主電纜連接以及集電環(huán)處的問題，如屬正常，則應(yīng)是發(fā)電機起勵回路故障或發(fā)電機剩磁不足的問題。

根據(jù)圖1接線，正常開機空轉(zhuǎn)時，發(fā)電機定子線圈會切割轉(zhuǎn)子磁極剩磁形成的旋轉(zhuǎn)磁場，感應(yīng)出三相交流電動勢，簡稱“殘壓”，當發(fā)電機轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速時，殘壓一般達到7 V（線電壓）以上，此時合上QF2，把SA轉(zhuǎn)至“起勵”位，發(fā)電機出口的殘壓UBC經(jīng)D5進行半波整流后直接送至發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組，從而形成勵磁電流，迅速增強轉(zhuǎn)子磁極的磁場強度，發(fā)電機的出口電壓也就迅速上升并給勵磁主回路、勵磁調(diào)節(jié)器提供了工作電源，最后由勵磁調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)控制發(fā)電機出口電壓在額定電壓附近，實現(xiàn)發(fā)電機的自并勵建壓。

正常開機空轉(zhuǎn)時，使用萬用表檢測發(fā)電機出口的殘壓，如達到7 V 以上也無法建壓，則重點按圖2排查起勵回路各元件的完好性和起勵回路內(nèi)部接線的可靠性；如果殘壓偏低無法建壓，可能是發(fā)電機長時間停機，發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁極剩磁不足，此時在發(fā)電機空轉(zhuǎn)情況下，臨時采用12 V 蓄電池，將其正負端短時接至勵磁電纜的正負端（圖3 中的L+、L-處，不能采用固定連接方式，以免發(fā)電機起勵成功，過高的勵磁電壓接至蓄電池導(dǎo)致設(shè)備損壞），使用外部直流電源來起勵，發(fā)電機正常工作后，發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁極的剩磁會恢復(fù)起來。

在實際故障處理中，也碰到維護人員將勵磁電纜正負端在集電環(huán)處回裝時接錯了極性，導(dǎo)致發(fā)電機起勵時，起勵電流對轉(zhuǎn)子磁極剩磁產(chǎn)生了去磁作用，殘壓會越來越低直至為零，此時只能采用上述方式，外接蓄電池輔助發(fā)電機起勵實現(xiàn)建壓。

4.4 發(fā)電機空載勵磁不穩(wěn)定故障排查及處理

發(fā)電機在空轉(zhuǎn)狀態(tài)下能起勵，但起勵后勵磁電流、勵磁電壓不穩(wěn)定，常伴隨著發(fā)電機電磁聲音異常，發(fā)電機出口電壓不穩(wěn)定或電壓過低、無法調(diào)至額定電壓等現(xiàn)象。為了更好地縮小故障排查范圍，找出故障原因，可采用模擬發(fā)電機工作的試驗方式進行，接線如圖3，方法步驟如下:

（1）在一體化屏內(nèi)拆除發(fā)電機出口電纜A、B、C三相接線以及勵磁電纜L+、L-兩根接線，確保發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子與外部連接斷開；采用3根導(dǎo)線旁路短接發(fā)電機出口斷路器QF；在勵磁出口端并接一個2 kW電爐絲用作發(fā)電機勵磁的模擬負載R，見圖3。

（2）合上QS，將電網(wǎng)的電倒送至發(fā)電機出口斷路器下方，發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)控制回路獲得工作電源并處于勵磁自動調(diào)節(jié)控制狀態(tài)，其控制的三相橋式整流電路輸出的勵磁電流經(jīng)模擬負載R構(gòu)成閉合回路，讓勵磁調(diào)節(jié)控制回路工作于發(fā)電機工作的模擬狀態(tài)，并可通過增/減磁操作實現(xiàn)勵磁電流的調(diào)節(jié)。

（3）使用萬用表檢測熔斷器前后電壓、勵磁變LB 低壓側(cè)電壓、整流橋輸入三相電壓、3 個晶閘管觸發(fā)電壓、電壓互感器TV1 輸出電壓、勵磁輸出電壓與正常工作電壓進行比對和判斷。

（4）如果在模擬狀態(tài)下，勵磁電流穩(wěn)定可調(diào)，那說明故障原因不在一體化屏內(nèi)，而是發(fā)電機內(nèi)部故障或集電環(huán)處接觸不良等原因引起的；如勵磁電流也不穩(wěn)定，則可能是熔斷器熔斷、某一晶閘管或二極管損壞、勵磁調(diào)節(jié)器內(nèi)部故障導(dǎo)致某一相沒有觸發(fā)脈沖信號、勵磁調(diào)節(jié)電位器故障導(dǎo)致其輸出給勵磁調(diào)節(jié)器的控制信號不穩(wěn)定等原因引起，此時可通過模擬工作狀態(tài)下各處電壓信號的檢測和比對找到故障元件，特別是能快速判斷出是否勵磁調(diào)節(jié)器的內(nèi)部故障，提高檢修的效率。

4.4 發(fā)電機帶負載勵磁不穩(wěn)定故障排查及處理

如果發(fā)電機在空載下起勵及建壓正常，工作穩(wěn)定，在并網(wǎng)帶負載運行時出現(xiàn)勵磁電流不穩(wěn)定、發(fā)電機無功功率不斷變化、發(fā)電機電磁聲音異常的現(xiàn)象，此時應(yīng)重點考慮與帶負載運行有關(guān)的設(shè)備或元件出現(xiàn)了故障，根據(jù)圖2和發(fā)電機工作原理，可能的原因有:

（1）反饋電阻Rf 接觸不良或電流互感器TA 故障，引起勵磁調(diào)節(jié)器檢測到的B相電壓不穩(wěn)定，影響到B相晶閘管的控制，最后導(dǎo)致勵磁電流不穩(wěn)定故障的出現(xiàn)。

（2）發(fā)電機內(nèi)部存在故障，空載和并網(wǎng)時，發(fā)電機工作聲音均與平常有較大差別，甚至?xí)谢鸹ǔ霈F(xiàn)。

（3）發(fā)電機外部故障，包括三相負載電流不平衡、中性點電流過大等原因。

圖3 那降水電站發(fā)電機勵磁故障排查試驗接線圖

5 結(jié)語

小型水電站發(fā)電機勵磁系統(tǒng)是水電站機組故障率較高的設(shè)備，本文結(jié)合那降水電站發(fā)電機勵磁系統(tǒng)故障的維修，介紹了水電站低壓發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成，總結(jié)了典型故障的排查及分析處理方法，在難以快速甄別發(fā)電機內(nèi)部及其引出線故障還是勵磁調(diào)節(jié)控制部分故障的情況下，提出了發(fā)電機勵磁系統(tǒng)模擬試驗方法，使用模擬負載和電網(wǎng)電壓來對勵磁調(diào)節(jié)控制部分進行試驗，為故障判斷提供良好的檢測條件，可幫助維修人員快速判斷發(fā)電機勵磁系統(tǒng)故障的部位或元件，可在小型水電站中推廣使用。