水電廠勵磁系統(tǒng)的故障原因分析及對策

廣東省能源集團天生橋一級水電開發(fā)有限責任公司水力發(fā)電廠 張延龍

1 水電廠勵磁系統(tǒng)分析

水電廠。即將水能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿墓こ淘O(shè)施，又被稱之為水電站。水電廠樞紐中的建筑物包括擋水建筑物、泄水建筑物、進水建筑物、引水建筑物、平水建筑物及廠房樞紐建筑物等，同時水電廠中也有很多設(shè)備，如水輪機、水輪發(fā)電機組、勵磁設(shè)備、升壓變壓器、高壓配電裝置等。

勵磁系統(tǒng)。指的是供給同步發(fā)電機勵磁電流的電源與其附屬設(shè)備，主要是由勵磁調(diào)節(jié)器與勵磁功率單元共同構(gòu)成的。其中，勵磁調(diào)節(jié)器可根據(jù)輸入信號及調(diào)節(jié)準則進行勵磁功率單元的輸出，自動勵磁調(diào)節(jié)器可有效增強電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而勵磁功率單元可為同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子提供勵磁電流，根據(jù)不同的標準可將勵磁系統(tǒng)劃分為不同類型。如，直流電機中的勵磁方式有復勵、他勵、串勵及并勵等類型；整流電機的勵磁方式有旋轉(zhuǎn)式勵磁、靜止式勵磁。當前最常用的方式是自并勵可控硅勵磁，主要是由整流柜、隔離開關(guān)、變壓器、滅磁開關(guān)、調(diào)節(jié)柜及非線性電阻等多種設(shè)備共同構(gòu)成的，應用了自動調(diào)壓這種方式調(diào)節(jié)勵磁。自動調(diào)壓方式主要是利用PID 調(diào)節(jié)器實現(xiàn)勵磁調(diào)節(jié)的，可通過對比機端實際電壓與給定值調(diào)節(jié)勵磁，增強輸出電壓的穩(wěn)定性。

2 水電廠勵磁系統(tǒng)的故障原因及對策

2.1 失磁故障

是水電廠勵磁系統(tǒng)的常見故障，會對其正常運行產(chǎn)生較大影響，需綜合分析失磁故障的原因并采取針對性解決措施。在運轉(zhuǎn)過程中，若系統(tǒng)某一位置出現(xiàn)故障這一區(qū)域的錄波就會詳細記錄，這一位置的電壓值也會出現(xiàn)突變的情況。在這種情況下，運行人員發(fā)現(xiàn)問題后需要即做出應急處理，保障設(shè)備安全，然后由檢修人員詳細分析錄波信息，及時找出故障位置與原因。一般情況下錄波開啟后一段時間內(nèi)電壓值就會不斷下降為負值，導致電力與定子的電壓出現(xiàn)較大變化，這就可判斷為失磁故障。出現(xiàn)失磁故障的主因是勵磁系統(tǒng)功率電壓開關(guān)輔助觸點的接觸不穩(wěn)定，導致接觸電阻過大，繼而造成系統(tǒng)出現(xiàn)逆變，形成失磁故障。

為避免系統(tǒng)出現(xiàn)失磁故障，可在開關(guān)接點位置安裝一個故障監(jiān)控錄波器，對開關(guān)接點位置進行實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)開關(guān)接點位置的異常情況，并通過有效措施進行應對；其次也需定期檢查勵磁開關(guān)輔助接點位置，若有問題需及時處理，從而增強勵磁開關(guān)接點的穩(wěn)定性。

2.2 整流電源故障

水電機組在運行過程中對電壓要求較高，需將電壓一直控制在標準范圍內(nèi)，且其他條件也符合勵磁系統(tǒng)的運行要求，但在出現(xiàn)故障時發(fā)電機沒有電壓，而勵磁裝置沒有任何報警反應，這就需綜合分析故障出現(xiàn)的原因。常見原因包括回路出現(xiàn)故障或整流電源出現(xiàn)故障，但并不能明確是由哪種原因造成的，因此需逐一排查：首先，發(fā)現(xiàn)故障后應檢查勵磁調(diào)節(jié)器與可控硅整流裝置間是否存在問題，若沒有問題就不是由回路故障造成的；其次需檢查可控硅電源部位，若閘刀位置存在斷裂情況就說明是其造成的整流電源異常，繼而導致發(fā)電機沒有電壓、無法正常運行，這就屬于整流電源故障，需采取有效措施解決問題[1]。

為解決整流電源故障，可及時將可控硅電源的閘刀更換成新閘刀。其次，檢修也需通過有效措施增強電壓回路故障報警信號的靈敏性，并對其靈敏性進行試驗，若試驗結(jié)果合格便可正常使用。

2.3 自并勵勵磁故障

自并勵勵磁系統(tǒng)也是水電廠常用系統(tǒng)，主要是由勵磁變壓器、勵磁調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換裝置、過電壓保護裝置、發(fā)電機消磁裝置、功率整流裝置、勵磁啟動裝置及勵磁操作控制設(shè)備共同組成，相比其他勵磁系統(tǒng)具有較強穩(wěn)定性與安全性，且運行成本相對較低，但在長期運行過程中系統(tǒng)仍會出現(xiàn)故障。自并勵勵磁系統(tǒng)的常見故障有PT 斷線故障、起勵失敗、勵磁變過熱等。

PT 斷線故障。自并勵勵磁系統(tǒng)中每一相的電壓都大于三相電壓平均值的80%，若PT 電壓大于10%就可能會發(fā)生PT 故障。PT 斷線故障可能由多種因素造成，需逐一排查，明確是PT 高壓側(cè)保險絲熔斷、調(diào)節(jié)器DSP 板出現(xiàn)故障還是PT 回路二次接線存在松動。若想排除PT 斷線故障，應在明確故障原因后采取合理措施，如檢查PT 輸入端三相電壓是否平衡、更換DSP 板或使DSP 板的指示燈處于正常工作狀態(tài)、對二次回路的接線端進行緊固處理。

起勵失敗。在起勵過程中可能會出現(xiàn)起勵失敗情況，即機端電壓沒有達到設(shè)置值，起勵操作自動推出去就是起勵失敗。造成起勵失敗的原因有，起勵時間設(shè)置過短，導致發(fā)電器電壓不足，無法支撐整流橋?qū)?；在完成檢修工作之后沒有對滅磁開關(guān)、直流側(cè)刀閘等進行合閘處理；在對機組進行修理后沒有進行充磁試驗，導致磁場不穩(wěn)定。為防范此故障，勵磁系統(tǒng)起勵時間應設(shè)置在8s 左右；在完成檢修工作后及時對所有開關(guān)進行合閘處理；完成機組修理工作后立即進行充磁試驗。

勵磁變過熱。在系統(tǒng)運行過程中勵磁變可能會出現(xiàn)過熱甚至冒煙等故障，主要是由于冷卻裝置運行問題造成的。出現(xiàn)這一故障時系統(tǒng)會發(fā)出高溫警報，此時應降低勵磁輸出，確保發(fā)電機的電壓大于額定電壓的95%，并對運行環(huán)境與冷卻裝置的運行狀態(tài)進行檢查。

2.4 發(fā)電機非全相運行故障

在運行過程中，發(fā)電機可能會出現(xiàn)非全相運行的情況，需做好防范工作。如，某一水電組在啟動后電壓先升高到額定值，之后迅速下降變成零且存在異響，這就需檢測故障原因。在故障排查時應先將勵磁系統(tǒng)的起勵方式從自動起勵轉(zhuǎn)變?yōu)槭謩悠饎?，若電壓變化情況一致需進行下一步檢測。同時檢修人員需配合檢測發(fā)電機的定子與轉(zhuǎn)子，若運行穩(wěn)定需進行絕緣檢驗與逆變檢驗。進行系統(tǒng)絕緣檢驗后，發(fā)現(xiàn)絕緣沒有問題再進行逆變試驗，也同樣沒有問題。但在出口開關(guān)處于工作狀態(tài)時出現(xiàn)報警信號，提示B 相出現(xiàn)接地短路情況，當出口開關(guān)處于試驗狀態(tài)時系統(tǒng)沒有報警信號，說明系統(tǒng)發(fā)電機的出口開關(guān)存在問題[2]。檢修人員測量各相絕緣后，發(fā)現(xiàn)B 相兩個觸點間的絕緣為零，且開關(guān)分開時兩個觸點應處于斷開狀態(tài)中，這就證明觸點位置存在問題。經(jīng)詳細檢查后發(fā)現(xiàn)動觸頭缺少連桿螺絲，導致出口開關(guān)無法正常開合。若開關(guān)無法及時斷開三相系統(tǒng)的電壓就會不同，會破壞勵磁系統(tǒng)的控制脈沖，導致勵磁系統(tǒng)出現(xiàn)逆變情況，造成了滅磁。

若發(fā)電機出現(xiàn)了嚴重的非全相運行的故障就可能會影響到整個系統(tǒng)運行，因此當系統(tǒng)出現(xiàn)問題時應在最短時間明確故障的發(fā)生原因，并根據(jù)具體原因進行檢修，保障發(fā)電機一直處于全相運行狀態(tài)中。

3 全面開展勵磁系統(tǒng)日常管理工作

加強勵磁開關(guān)設(shè)備監(jiān)視。若勵磁系統(tǒng)開關(guān)輔助接觸點特別大就會改變整個系統(tǒng)，甚至可能會導致系統(tǒng)出現(xiàn)逆狀態(tài)。同時若繼電器的接點出現(xiàn)故障也會改變勵磁調(diào)節(jié)器，但無法通過監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測到過小的勵磁開關(guān)輔助接觸點分段，不會產(chǎn)生異常反應。從這一角度看，監(jiān)控系統(tǒng)應用的是變量監(jiān)控方式，采樣較少，無法及時發(fā)現(xiàn)勵磁開關(guān)出現(xiàn)的問題，可能會導致勵磁系統(tǒng)無法運轉(zhuǎn)。因此需改變監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控方式，實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的高速采樣，及時發(fā)現(xiàn)勵磁開關(guān)的問題，避免造成大的影響。

加強勵磁通道監(jiān)控。不僅需加強勵磁開關(guān)的監(jiān)控，也需要加強勵磁通道的監(jiān)控，對勵磁系統(tǒng)運行情況進行詳細記錄，從而制定科學合理的勵磁通道監(jiān)控方案。

增強勵磁開關(guān)輔助接點可靠性。勵磁系統(tǒng)開關(guān)輔助接點在勵磁系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，能有效控制多個地方，若其出現(xiàn)問題可能會影響到整個系統(tǒng)運行，因此需通過有效措施增強勵磁開關(guān)輔助接點的可靠性。從實驗結(jié)果看，勵磁開關(guān)輔助接點及其他接點都能通過切勵磁實現(xiàn)電流的邏輯控制[3]。在對比實驗錄波與故障錄波后，可發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子電壓與轉(zhuǎn)子電流的變化情況基本一致。若勵磁開關(guān)輔助接點的分段小于等于1秒，勵磁監(jiān)控系統(tǒng)不會察覺到異樣、不會產(chǎn)生變化，但如勵磁開關(guān)輔助接點較大勵磁系統(tǒng)就會產(chǎn)生強烈反應，甚至會出現(xiàn)逆變狀態(tài)。因此應加強防范，定期檢查和維護勵磁開關(guān)輔助接點，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性，避免系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

綜上，失磁故障、整流電源故障、自并勵式勵磁故障及發(fā)電機非全相運行等是勵磁系統(tǒng)的常見故障，每種故障出現(xiàn)的原因不同、應對措施也不同，需采取針對性的策略確保勵磁系統(tǒng)可正常運轉(zhuǎn)，從而為水電廠的穩(wěn)定運行奠定基礎(chǔ)。