發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)故障原因分析及改進(jìn)措施

大唐陜西發(fā)電有限公司石泉水力發(fā)電廠 姚 磊

1 勵磁系統(tǒng)的典型故障

1.1 功率單元回路故障

電路在勵磁系統(tǒng)正常運行中需提供恒定的電流。系統(tǒng)功率的主電路可有效確保勵磁系統(tǒng)的可靠性，也可對發(fā)電機(jī)的運行產(chǎn)生重大影響。通過數(shù)據(jù)研究，發(fā)電機(jī)勵磁機(jī)電源單元電路部分最常見是整流電路中晶閘管的故障。晶閘管故障是指主電路任何相電路中的晶閘管都不能通過相電路，從而導(dǎo)致短路，并會直接引起相電路電流上升。為消除運行中的短路故障，通常包括晶閘管過渡。晶閘管開路故障是指主電路中任何一個晶閘管不能正常工作，相橋臂電路仍可工作，但輸出的波形失真并會出現(xiàn)振動增加的情況。平均輸出電壓直接降低，并且會直接導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組無法穩(wěn)定工作。

功率單元主回路工作原理。如圖1所示，主電路的上半部分由三個可控晶閘管V1、V3、V5組成。當(dāng)主電路工作時，系統(tǒng)中的三個晶閘管可依次打開，下半橋由三個V4、V6、V2和共陽極組成。該單元的主電路可以負(fù)半周期進(jìn)行工作，且三個晶閘管導(dǎo)通。如在此階段主電路橋式整流器中觸發(fā)角是基于觸發(fā)信號的波形變化點作為觸發(fā)起點，則主電路整流器電橋功率電路單元在整流器狀態(tài)下工作。當(dāng)觸發(fā)信號在90°～180°時，主電路單元的整流橋在反相狀態(tài)下工作。當(dāng)整流器電路正常工作時，電路的輸出是一個激勵電壓，該電壓在一個周期內(nèi)跳動六次，且脈動波形都具有六個相同的傳導(dǎo)特性。

圖1 功率單元主回路工作原理

功率單元主電路故障類別。在功率單元主電路正常期間，最常見的故障是管斷開或觸發(fā)信號脈沖。當(dāng)發(fā)生故障時，在此過程端口激勵電壓會輸出一定的規(guī)律的波形。通過對該故障的總結(jié)和分析，可有效的加以驗證晶閘管是否有缺陷。主電路故障可將常見的故障分為單管、雙管和三管故障。單管故障可劃分為V1、V3、V5、V4、V6、V2；雙管以劃分為兩個晶閘管V1V4、V1V6、V1V2、V3V4、V3V6、V3V2、V5V6、V5V2，同時出現(xiàn)的兩個故障armV3V5出現(xiàn)V4V2、V6V2錯誤，相應(yīng)的錯誤類別全面總結(jié)單元傳輸主電路運行可能發(fā)生的故障。

啟動電源故障。工作電源故障發(fā)生時通常在發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)調(diào)節(jié)器，在某系統(tǒng)的研究中，該系統(tǒng)在運行中使用雙微機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用雙電源供電為主/備用著DSP供電電源，其電源發(fā)生故障的主要原因是斷電故障和過沖故障。斷電意味著在操作中提供的電源丟失。必須通過設(shè)備的硬件切換到系統(tǒng)驅(qū)動器以及調(diào)節(jié)器才能及時糾正電源故障。發(fā)電機(jī)組中的DSP勵磁器系統(tǒng)通過系統(tǒng)調(diào)節(jié)器完成對故障數(shù)據(jù)的有效收集和計算，因此勵磁調(diào)節(jié)器在發(fā)電機(jī)組勵磁中起著決定性的作用，并確保DSP正常工作的穩(wěn)定性，因此電源故障會影響勵磁設(shè)置。對于發(fā)電機(jī)來說這是最嚴(yán)重的故障，但這種故障在驅(qū)動系統(tǒng)的運行中極為罕見；超出功率限制錯誤表示系統(tǒng)電源已超過額定電壓數(shù)值。如超出10%的范圍則會直接影響勵磁調(diào)節(jié)器的正常有效運行。在設(shè)備實際的操作中這些錯誤有時會發(fā)生。

勵磁控制器故障。作為中央控制部分，發(fā)電機(jī)驅(qū)動控制器可自動改變晶閘管控制角度，從而自動調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)驅(qū)動電流大小，保持發(fā)電機(jī)運行同步的轉(zhuǎn)子電路恒定的端子電壓或無功電流。因此，當(dāng)發(fā)電機(jī)啟動控制在運行中失敗時，將對整個發(fā)電機(jī)組運行產(chǎn)生極其重大的影響。在控制器運行中其常見的故障包括電源觸發(fā)脈沖故障和系統(tǒng)DSP芯片故障。

關(guān)于觸發(fā)脈沖故障。發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)進(jìn)行點火脈沖的位置，決定了發(fā)電機(jī)功率單元主總控制電橋校正的工作啟動模式。在勵磁系統(tǒng)的正常運行中，觸發(fā)脈沖一旦故障會影響功率單元電路的有效運行，導(dǎo)致機(jī)組勵磁系統(tǒng)電流受到直接影響，嚴(yán)重時導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的過載。觸發(fā)脈沖故障的主要是脈沖丟失和脈沖相序擾動。當(dāng)發(fā)電機(jī)組勵磁系統(tǒng)在運行過程中發(fā)生這種類型的系統(tǒng)故障時，通常是由系統(tǒng)檢測電路、并及時將故障開關(guān)的信號發(fā)送到系統(tǒng)勵磁微機(jī)調(diào)節(jié)器，當(dāng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器檢測到故障信號時立即發(fā)出事故警告并清除脈沖丟失故障。為消除這種情況，檢測電路發(fā)出切換命令以切換到待機(jī)跳閘單元。當(dāng)發(fā)電機(jī)組勵磁系統(tǒng)實際運行中發(fā)生誤差時，通常的解決方法是更換通道接口板[1]。

脈沖誤差。發(fā)電機(jī)組勵磁系統(tǒng)具有雙閉路結(jié)構(gòu)，由于電壓測量單元輸出的電壓變化的直流信號相對較弱，因此必須通過功率放大單元。因此須對中間單元進(jìn)行放大，此時由脈沖放大裝置進(jìn)行有效確定，其驅(qū)動系統(tǒng)是否能穩(wěn)定運行。由于集成電路系統(tǒng)放大器的電路，具有工作運行精度高、運算分析準(zhǔn)、傳輸信號穩(wěn)定的優(yōu)點。因此，脈沖裝置采用集成電路放大器幫助維持系統(tǒng)運行。組件中存在脈沖放大錯誤，通常處理方法是更換集成電路的放大器電路板[2]。

2 故障診斷方法與控制策略研究

2.1 一般策略設(shè)計原則

在編譯該系統(tǒng)的DSP程序時采用了結(jié)構(gòu)化的編程思想，從而使勵磁系統(tǒng)的故障診斷具有更好的可靠性和可持續(xù)性，并遵循獨立性、單一輸入/輸出、范圍原則和完整的原則。在設(shè)計實現(xiàn)該目標(biāo)的策略的過程中，編寫的DSP程序應(yīng)滿足該組機(jī)勵磁系統(tǒng)發(fā)生器的實時數(shù)據(jù)的要求，并不會影響系統(tǒng)的實時性能。DSP處理器具有豐富的外圍硬件接口，因此在編寫診斷時可充分利用DSP中斷服務(wù)子例程，以確保診斷的準(zhǔn)確性以及對系統(tǒng)驅(qū)動器勵磁的容錯控制。因此須要求勵磁系統(tǒng)的DSP程序在正常運行過程中具有功能多和穩(wěn)定性強(qiáng)的特性[3]。

2.2 雙微機(jī)發(fā)電機(jī)組勵磁系統(tǒng)中各模塊運行策略研究

在進(jìn)行設(shè)計機(jī)組勵磁系統(tǒng)的DSP程序軟件時要采用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化的設(shè)計思維，在這種設(shè)計思維的有效指導(dǎo)下，機(jī)組系統(tǒng)由主程序模塊進(jìn)行科學(xué)的控制。其中包含CPU定時器系統(tǒng)模塊、中斷服務(wù)子例程處理模塊、EV系統(tǒng)事件管理器處理模塊、通信模塊，調(diào)整系數(shù)的計算、PID算法的參數(shù)的計算及通過設(shè)計的模塊進(jìn)行控制計算，數(shù)據(jù)采集和其他任務(wù)的點火角計算。計算機(jī)系統(tǒng)中的運行和備用機(jī)具有相同的功能，DSP編程的差異很小[4]。

2.3 關(guān)于控制主程序運行

發(fā)電機(jī)組的勵磁控制系統(tǒng)，是一個可能在設(shè)備運行過程中進(jìn)行無限循環(huán)的工作流程，一直到主機(jī)設(shè)備系統(tǒng)和備用機(jī)同時發(fā)生嚴(yán)重的故障，這時才會使得整個發(fā)電機(jī)設(shè)備系統(tǒng)機(jī)止工作。

電機(jī)勵磁系統(tǒng)程序流程包括主機(jī)運行流程、備用機(jī)運行流程和雙機(jī)同時故障切換工作流程。整個機(jī)組系統(tǒng)對設(shè)備中的勵磁系統(tǒng)進(jìn)行了合理的初始化，并對基本運行狀態(tài)進(jìn)行模擬計算，之后再進(jìn)入PID算法，完成勵磁系統(tǒng)中各功率單元運行中主回路系統(tǒng)中的相關(guān)計算，對系統(tǒng)相關(guān)模數(shù)字量的詳細(xì)計算后，再對設(shè)備主機(jī)系統(tǒng)和備用系統(tǒng)機(jī)進(jìn)行全面互檢，如主機(jī)可正常工作則設(shè)備系統(tǒng)可正常運行，從而進(jìn)入下一個正常的檢測循環(huán)。若是發(fā)生故障則系統(tǒng)會進(jìn)入故障狀態(tài)，讓待命狀態(tài)的備用機(jī)組立刻進(jìn)入工作系統(tǒng)。備用機(jī)組會首先完成自檢，若此時備用機(jī)組也出現(xiàn)故障問題則系統(tǒng)會立刻發(fā)出報警，若此時備用機(jī)組運行正常，則勵磁系統(tǒng)就可正常的運行[5]。

2.4 AD采樣程序

發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)運行中需采樣的數(shù)據(jù)量包含了機(jī)端電壓電流等。通過對電路的調(diào)節(jié)，將收集到相關(guān)數(shù)據(jù)量轉(zhuǎn)換為0～3V的電壓，并連接到取樣通道。這時AD程序是數(shù)據(jù)有效進(jìn)行運算的保證。通常采樣分為直流和交流采樣兩種，進(jìn)行直流數(shù)據(jù)采樣原理是采集系統(tǒng)整流變換后直流電流量。交流采樣原理是，被測的數(shù)據(jù)信號通過識別規(guī)律后對系統(tǒng)的瞬值采樣的一種方式，然后按照對采集的數(shù)值進(jìn)行有效處理，得到最終的系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)。

為避免數(shù)據(jù)采集帶來相關(guān)誤差，所以就必須要求其數(shù)據(jù)保持同步性和實時性，包含硬件系統(tǒng)和軟件同步及系統(tǒng)的采樣同步，并確保對其頻率可直接測量。同步采樣通過對預(yù)設(shè)的系統(tǒng)頻率進(jìn)行及時的數(shù)據(jù)采樣，通過對系統(tǒng)快速變換的方法進(jìn)行有效運算，得出兩個相鄰的基波相位的計算差值，再利用該系統(tǒng)基波差值得到同步頻率，最后使用得到的頻率來取代預(yù)設(shè)的系統(tǒng)頻率，進(jìn)行勵磁器系統(tǒng)下一個運行周期的采樣工作。通過預(yù)設(shè)頻率采樣，然后再對得到的計算結(jié)果進(jìn)行有效的誤差補(bǔ)償[6]。

AD采樣程序的設(shè)計流程主要過程：打開系統(tǒng)電源并重啟后，設(shè)備開始初始化的相關(guān)變量和記錄。并設(shè)置端口的I/O，然后調(diào)用事件管理器的啟動程序，以通過設(shè)置系統(tǒng)和外部中斷的占空比和捕獲單元來啟動外圍PIE。然后中斷寄存器，啟用全局中斷系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)傳入緩沖區(qū)。同時對環(huán)路系統(tǒng)進(jìn)行采樣。再計算獲取發(fā)電單元數(shù)據(jù)。如果系統(tǒng)中的定期采樣指示不符，則將對系統(tǒng)重新采樣[7]。

2.5 雙微機(jī)中斷服務(wù)子程序

為了在勵磁系統(tǒng)運行期間提供實時快速的故障檢測，通過調(diào)整中斷模塊可完成系統(tǒng)采用的故障檢測，來進(jìn)行對勵磁模塊系統(tǒng)的故障診斷。對中斷系統(tǒng)模塊和容錯模塊的有效控制可極大提高勵磁器系統(tǒng)，處理中斷系統(tǒng)事件的執(zhí)行效率和質(zhì)量。在驅(qū)動系統(tǒng)DSP中，其中斷請求信號，通常是由軟、硬件同時生成的信號確定，這種中斷信號是服務(wù)中斷和CPU程序的執(zhí)行。通常外圍設(shè)備會發(fā)出系統(tǒng)中斷請求信號，如來自發(fā)勵磁系統(tǒng)外圍電路的中斷信號。不論中斷的類型如何，中斷的性質(zhì)均可分為可屏蔽和不可屏蔽中斷[8]。

2.6 勵磁變壓器選型和要求

勵磁變壓器在設(shè)計中要考慮如何避免由于諧波和功率運行時變壓器局部發(fā)熱，否則長時間過熱運行會對絕緣造成破壞，甚至?xí)?dǎo)致機(jī)組停機(jī)。勵磁變壓器可選擇采用干式變壓器，保證諧波電流對變壓器損耗的影響較小?；芈烽g采用屏蔽結(jié)構(gòu)，電流互感器安裝在勵磁體，并需布置合理、便于后期工作人員檢修。低壓線圈用圓筒式且要求首末端采用平繞方式。高壓線圈采用分段式，需要相關(guān)的誤差這零。

2.7 勵磁控制系統(tǒng)的應(yīng)用

采用具有較高初始響應(yīng)的勵磁系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)電機(jī)勵磁電壓和電流在最大輸出不超過勵磁電流和電壓的1.1倍時，系統(tǒng)可確保自動運行。系統(tǒng)具有短期過載的計算能力，允許的強(qiáng)勵磁時間不小于20秒。發(fā)電機(jī)電壓控制的精度應(yīng)不超過額定的0.5%。對階躍的響應(yīng)為±10%時發(fā)電機(jī)電壓不超過階躍的30%。發(fā)電機(jī)空載時，設(shè)定電壓的分辨不超過額定的0.2%。當(dāng)發(fā)電機(jī)空載頻率變化±1%，端子電壓變化將不超過標(biāo)值的±0.25%，自動電壓調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)速度不應(yīng)超過額定的1%/秒。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電路配備足夠容量值的過電壓保護(hù)，確保在無負(fù)載的下進(jìn)行不適當(dāng)?shù)耐?，裝置不會損壞其自身的組件。當(dāng)電壓不超過±10%時，勵磁裝置的晶閘管組件可承受直流側(cè)的短路故障，異步運行和其他運行條件而不會受到損壞。勵磁系統(tǒng)具有自動調(diào)節(jié)和遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)功能，確保測量結(jié)果和信號發(fā)送到控制室。

2.8 實際案例

根據(jù)某勵磁系統(tǒng)故障分析功率柜內(nèi)的交流母排，設(shè)計時將三相母排與支架間用絕緣塊進(jìn)行固定，端部用一塊半封閉絕緣遮擋。勵磁系統(tǒng)功率柜冷卻為強(qiáng)迫風(fēng)冷，由于絕緣塊縫隙內(nèi)、絕緣擋板內(nèi)側(cè)檢修時無法徹底的清掃，灰塵慢慢集聚，功率柜內(nèi)交流母排懸空，運行時母排端部產(chǎn)生的電暈通過絕緣擋板灰塵發(fā)生爬電現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)生短路。為避免類似事故發(fā)生，已將勵磁功率柜交流母排端部的絕緣擋板拆除，研究并落實監(jiān)控系統(tǒng)、繼電保護(hù)與勵磁系統(tǒng)，合理配合技術(shù)措施，加強(qiáng)隱患排查和技術(shù)監(jiān)督。