IACE6000型勵磁系統(tǒng)故障分析及應(yīng)對措施

解志 張志強(qiáng) 薛鋒 羅天貴

（烏東德水力發(fā)電廠）

0 引言

勵磁系統(tǒng)是水電站發(fā)電機(jī)組的核心組成部分，在發(fā)電機(jī)運(yùn)行時承擔(dān)著調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓和機(jī)組無功的任務(wù)，滿足機(jī)組正常運(yùn)行和發(fā)電要求。當(dāng)電網(wǎng)因事故電壓降低時能通過快速強(qiáng)行勵磁來提高系統(tǒng)電壓，從而提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此提高勵磁系統(tǒng)安全穩(wěn)定性意義重大。但勵磁系統(tǒng)較容易發(fā)生故障，因此對勵磁系統(tǒng)故障進(jìn)行分析并找到應(yīng)對策略極其重要。本文針對IACE6000勵磁系統(tǒng)故障問題進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的處置措施，達(dá)到提高增強(qiáng)勵磁系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的目標(biāo)。

1 IACE6000型勵磁系統(tǒng)的組成

IACE6000型勵磁系統(tǒng)主要由勵磁變壓器、勵磁調(diào)節(jié)器、三相全控橋式晶閘管整流裝置、交直流滅磁開關(guān)、滅磁電阻、保護(hù)、測量和信號設(shè)備等組成。

勵磁調(diào)節(jié)器采用兩套相同配置但完全獨(dú)立的數(shù)字式調(diào)節(jié)器，兩套調(diào)節(jié)器采用熱備用運(yùn)行，工作調(diào)節(jié)器故障則備用調(diào)節(jié)器自動投入，完全實(shí)現(xiàn)無擾動切換。當(dāng)兩套調(diào)節(jié)器均故障時可以轉(zhuǎn)功率柜獨(dú)立運(yùn)行。功率柜4柜并聯(lián)并按（N-1）原則冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)其中一個或兩個功率柜故障時，可自動閉鎖脈沖，并將電流平分到其他功率柜上，當(dāng)一個功率柜故障退出運(yùn)行時，可自動閉鎖脈沖，并將電流平分到其他功率柜上，可保證發(fā)電機(jī)所有運(yùn)行工況下（包括強(qiáng)勵）均能正常運(yùn)行。兩個功率柜故障退出運(yùn)行時，可自動閉鎖脈沖，并將電流平分到其他功率柜上，能滿足除強(qiáng)勵以外的所有功能。采用4柜并聯(lián)的三相全控橋式晶閘管整流裝置。功率柜冷切采用熱管自冷為主，風(fēng)機(jī)自動啟動為輔，同時風(fēng)機(jī)還可手動合上風(fēng)機(jī)電源空開投入運(yùn)行。

機(jī)組起勵方式為殘壓起勵配合交流起勵，殘壓起勵優(yōu)先。正常停機(jī)時直流滅磁開關(guān)不分閘，滅磁采用交直流雙滅磁開關(guān)配合機(jī)械跨接器投入SiC非線性電阻放電滅磁方式。當(dāng)轉(zhuǎn)子電壓達(dá)到過電壓動作值時，轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)回路的跨接器被觸發(fā)導(dǎo)通，投入SiC非線性電阻消耗轉(zhuǎn)子磁場能量。

2 IACE6000型勵磁系統(tǒng)常見故障分析及應(yīng)對措施

2.1 失磁故障

失磁是勵磁系統(tǒng)較為常見的一種故障，當(dāng)勵磁系統(tǒng)出現(xiàn)失磁故障時，發(fā)電機(jī)的無功功率突然降到零，機(jī)端電壓和電站主母線電壓會大幅波動并持續(xù)下降，最終發(fā)電機(jī)機(jī)端可能出現(xiàn)負(fù)電壓的情況，同時發(fā)電機(jī)定子電流將會劇烈波動，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)失步，危及電網(wǎng)安全運(yùn)行。造成失磁的原因較多，但主要原因有以下幾方面：一是勵磁變故障跳閘引起發(fā)電機(jī)失磁，由于勵磁變壓器存在絕緣制造缺陷，或運(yùn)行中絕緣缺陷逐步惡化，產(chǎn)生放電或者爆炸現(xiàn)象，導(dǎo)致勵磁變壓器保護(hù)動作跳閘，例如某水電廠就曾因勵磁變絕緣材料不合格導(dǎo)致勵磁變爆炸失磁。二是滅磁開關(guān)誤跳閘導(dǎo)致失磁，滅磁開關(guān)誤跳閘的原因主要來源于勵磁調(diào)節(jié)器誤發(fā)跳閘指令和跳閘出口繼電器故障誤發(fā)出滅磁開關(guān)跳閘指令。三是整流裝置誤關(guān)閉導(dǎo)致發(fā)電機(jī)失磁，整流裝置誤關(guān)閉的原因主要是勵磁調(diào)節(jié)器發(fā)出錯誤的脈沖信號導(dǎo)致勵磁電流在極端時間內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)減磁后不能強(qiáng)勵或者整流裝置故障3個及以上支路。

對于發(fā)電機(jī)失磁故障，運(yùn)行人員應(yīng)快速檢查機(jī)組是否已經(jīng)和電網(wǎng)解列，出口開關(guān)是否已斷開，匯報(bào)調(diào)度并及時做好手動緊急停機(jī)和滅磁的準(zhǔn)備；維護(hù)人員要全面檢查勵磁系統(tǒng)交直流滅磁開關(guān)、勵磁變壓器及滅磁電阻的狀態(tài)，并對開關(guān)本體及開關(guān)相連接的部位仔細(xì)檢查。在檢修過程中要嚴(yán)格按照檢修要求對勵磁變絕緣、交直流滅磁開關(guān)及其輔助接點(diǎn)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路和勵磁調(diào)節(jié)器程序等重點(diǎn)部位進(jìn)行檢查。日常巡檢中對交直流滅磁開關(guān)輔助節(jié)點(diǎn)及勵磁電纜進(jìn)行定期檢查也是防止失磁故障發(fā)生的有效措施[1]。

2.2 勵磁交直流輸入回路故障

勵磁交直流輸入回路故障后將無法再提供勵磁電流，將迫使機(jī)組停運(yùn)，造成電量和棄水的損失。

（1）交流輸入回路故障

IACE6000型勵磁系統(tǒng)容量大，陽極電纜最大承載電流高到3000A，除使用滿足耐壓能力陽極電纜外，對敷設(shè)水平和電纜橋架要求都較高，在敷設(shè)和整理過程中要盡量避免形成金屬環(huán)路和渦流，如果處理不當(dāng)可能導(dǎo)致陽極電纜因渦流過熱燒毀。例如某大型電廠維護(hù)人員在勵磁陽極電纜敷設(shè)中將金屬環(huán)路導(dǎo)磁材料更換為非導(dǎo)磁材料、電纜嚴(yán)格按照品字形布置，并盡量使三相電纜導(dǎo)線軸心間距相等措施避免形成金屬環(huán)路和渦流，從而使勵磁陽極電纜的溫度降低了近20℃[2]。若因交流滅磁開關(guān)故障導(dǎo)致交流輸入回路故障，應(yīng)對開關(guān)本體、控制回路及開關(guān)兩端連接的螺栓進(jìn)行嚴(yán)格檢查，處理完成后開關(guān)需做分合閘試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果達(dá)標(biāo)后才能再次投入運(yùn)行。

此外IACE6000型勵磁系統(tǒng)陽極電纜與交流滅磁開關(guān)前端交流母線銅排采用螺栓連接，由于電纜承載電流的電流過大，在調(diào)試過程中曾出現(xiàn)因施工人員使用的螺栓尺寸不合格和材質(zhì)不滿足標(biāo)準(zhǔn)而使連接處過熱燒毀，導(dǎo)致勵磁系統(tǒng)無法正常工作。因此在檢修過程中應(yīng)檢查陽極電纜與交流母線銅排連接螺栓的質(zhì)量，如需更換必須保證螺栓質(zhì)量符合國家標(biāo)準(zhǔn)。在汛期長周期大負(fù)荷運(yùn)行過程中應(yīng)采用紅外成像儀加強(qiáng)對連接處的溫度的檢測，異常時應(yīng)盡快停機(jī)處理，防止因電纜大面積燒毀導(dǎo)致發(fā)電機(jī)失磁。

（2）直流輸入回路故障

IACE6000型勵磁系統(tǒng)直流輸入回路電流大，機(jī)組汛期長周期大負(fù)荷運(yùn)行可能導(dǎo)致碳刷溫度過高打火和磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致滑環(huán)上積碳過多，如不及時處理會增加轉(zhuǎn)子接地故障的發(fā)生率。因此汛期要增加采用紅外測溫成像儀對碳刷進(jìn)行測溫的頻次，對磨損嚴(yán)重的碳刷及時更換，積碳及時清理，并注意檢查碳粉吸收裝置運(yùn)行正常，必要時開機(jī)并網(wǎng)前可搖測發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣是否合格。此外碳刷壓簧壓力不均可能造成部分碳刷電流分布不均，致使個別碳刷電流過大，引起發(fā)熱，在日常的檢修和巡檢中需要重點(diǎn)地檢查碳刷壓簧是否正常、勵磁引線與轉(zhuǎn)子繞組、直流滅磁開關(guān)與直流母線銅排之間的連接點(diǎn)，若連接部位出現(xiàn)松動必須立即對其進(jìn)行加固處理，避免造成轉(zhuǎn)子回路斷線故障。其次在對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路進(jìn)行檢驗(yàn)時，若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)差異較大，則很可能是轉(zhuǎn)子繞組某些接點(diǎn)存在短路故障或者開焊，要對發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行詳細(xì)檢查并處理，保證處理后檢測部位數(shù)據(jù)的誤差在規(guī)定的范圍內(nèi)[2]。

2.3 功率柜故障

IACE6000型勵磁系統(tǒng)采用三相全控橋式晶閘管整流裝置，整流功率大，冷切采用熱管自冷為主，風(fēng)機(jī)輔助?？赡軙霈F(xiàn)功率柜無輸出、整流裝置故障及功率柜溫度過高等故障。

功率柜無輸出可能導(dǎo)致其他功率柜過負(fù)荷，甚至導(dǎo)致機(jī)組降負(fù)荷運(yùn)行。功率柜退出可能原因?yàn)榭刂七壿嫼驼餮b置故障。IACE6000型勵磁系統(tǒng)在調(diào)試過程中曾出現(xiàn)功率柜因控制邏輯的問題導(dǎo)致觸發(fā)角度漂移，單個功率柜退出和均流系數(shù)低等問題，具體如圖1所示。經(jīng)過檢查原因是功率柜脈沖時鐘不一致導(dǎo)致，采用在各個控制器加入一個10ns分辨率的絕對時鐘脈沖后，觸發(fā)角度漂移現(xiàn)象消失，在升流、升壓、自并勵空載、負(fù)載等各種工況下的實(shí)際均流系數(shù)在均流系數(shù)達(dá)到了0.97，后續(xù)運(yùn)行過程中未出現(xiàn)功率柜退出問題。

圖1 均流系數(shù)不達(dá)標(biāo)

在長期高負(fù)荷工況下，功率柜整流橋發(fā)熱嚴(yán)重，整流橋臂上整流晶閘管，以及整流橋出口部位都是整流裝置故障的常發(fā)點(diǎn)，這也會導(dǎo)致功率柜退出，嚴(yán)重時還會燒毀整流橋裝置。針對IACE6000型勵磁系統(tǒng)功率柜溫度過高時應(yīng)立即檢查熱管自冷裝置外觀是否完好及其介質(zhì)有無泄露，若熱管自冷裝置故障且輔助風(fēng)機(jī)未啟動應(yīng)立即手動投入風(fēng)機(jī)，并現(xiàn)場監(jiān)視功率柜溫度，必要時降低機(jī)組負(fù)荷運(yùn)行。當(dāng)整流橋元件等故障時應(yīng)立即根據(jù)監(jiān)控信號及現(xiàn)場檢查結(jié)果迅速找出故障元件，并對故障元件更換。

2.4 機(jī)端PT慢熔

發(fā)電機(jī)機(jī)端PT慢熔在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生概率較高，在國內(nèi)諸多水電站均有發(fā)生，特別是對巨型機(jī)組因其機(jī)端電壓高發(fā)生概率較高。PT慢熔過程中其二次側(cè)電壓可能會緩慢下降且慢熔點(diǎn)溫度遠(yuǎn)超過正常PT，從而導(dǎo)致錯誤強(qiáng)勵、機(jī)端電壓顯著升高、過激磁保護(hù)頻繁動作、系統(tǒng)電壓波動等一系列連鎖反應(yīng)。IACE6000型勵磁系統(tǒng)所用信號采集于機(jī)端1PT和3PT，設(shè)置PT慢熔報(bào)警和PT斷線自動切換至備用通道運(yùn)行，報(bào)警值邏輯為兩套采集裝置電壓差值大于5%且持續(xù)100s。但在運(yùn)行中若PT出現(xiàn)慢熔而電壓差值未達(dá)到報(bào)警值或者持續(xù)時間小于100s，此時調(diào)節(jié)器不會自動切換至備用通道運(yùn)行，發(fā)電機(jī)存在因PT慢熔而導(dǎo)致誤強(qiáng)勵的風(fēng)險。因此運(yùn)維人員在日常巡檢中要加強(qiáng)對采集電壓值的檢查和分析，定期采用紅外成像儀測量PT保險溫度并做好記錄，此外查閱取自同一PT送保護(hù)、故錄等設(shè)備的電壓值做對比也是一種判斷機(jī)端PT是否慢熔的有效方法。

2.5 起勵失敗

起勵失敗是勵磁系統(tǒng)的常見故障之一，原因多為起勵時間設(shè)置不合理、輔助起勵回路故障和交流滅磁開關(guān)合閘失敗。IACE6000型勵磁系統(tǒng)初期運(yùn)行時曾因殘壓起勵時間設(shè)置不合理發(fā)生多次建壓失敗，甚至起勵至空載過程中出現(xiàn)機(jī)端電壓大于1.1倍額定機(jī)端電壓，發(fā)電機(jī)保護(hù)A、B套定子過壓保護(hù)動作出口跳開勵磁系統(tǒng)直流滅磁開關(guān)，導(dǎo)致機(jī)組開機(jī)至空載態(tài)不成功并退出開機(jī)流程，如圖2所示。在隨后的改進(jìn)中將起勵時間由12s設(shè)置為14s，殘壓起勵時間由4s改為1s后電壓未達(dá)到0.08%機(jī)端額定電壓自動投入初勵減少起勵超調(diào)量，同時提高保護(hù)空載過電壓定值至1.2倍額定電壓（原為1.1倍），從而解決起勵過程中定子過壓跳閘的問題，改進(jìn)后從未出現(xiàn)空載過壓，運(yùn)行工況良好。

圖2 殘壓起勵時間設(shè)置不合理導(dǎo)致起勵失敗

IACE6000型勵磁系統(tǒng)正常停機(jī)過程不斷開直流滅磁開關(guān)，僅斷開交流滅磁開關(guān)。因此起勵過程中交流滅磁開關(guān)合閘失敗將導(dǎo)致起勵不成功。在運(yùn)行過程中IACE6000勵磁系統(tǒng)曾出現(xiàn)兩起交流滅磁開關(guān)合閘不成功導(dǎo)致建壓失敗。當(dāng)出現(xiàn)交流滅磁開關(guān)合閘失敗時應(yīng)對開關(guān)本體、二次回路接線和繼電器等進(jìn)行全面檢查。若合閘失敗是開關(guān)本體限位裝置調(diào)校不到位導(dǎo)致，將限位裝置調(diào)校到位后，要在停機(jī)時多次分合閘來檢驗(yàn)限位裝置調(diào)校效果，同時調(diào)校完成投入運(yùn)行應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)視。

2.6 滅磁回路故障

滅磁是發(fā)電機(jī)停機(jī)過程中防止轉(zhuǎn)子嚴(yán)重過壓的最有效措施，轉(zhuǎn)子過壓可能損害轉(zhuǎn)子絕緣，特別是事故停機(jī)。IACE6000型勵磁系統(tǒng)事故滅磁采用逆變加跳開直流滅磁開關(guān)，聯(lián)動投入滅磁電阻和斷開交流滅磁開關(guān)的方式，待轉(zhuǎn)子電流小于2%或電壓小于5%的額定勵磁電壓時，延時封脈沖。滅磁電阻可由直流滅磁開關(guān)分閘輔助常閉接點(diǎn)和機(jī)械跨接器投入。因此在檢修過程中要加強(qiáng)對滅磁回路重要元器件的維護(hù)，要注重對交直流滅磁開關(guān)本體及輔助節(jié)點(diǎn)、跨接器可控硅、轉(zhuǎn)折二極管和滅磁電阻性能的測定，性能不滿足要求必須更換，更換后需進(jìn)行試驗(yàn)合格后方可投入運(yùn)行。此外事故滅磁后要重點(diǎn)檢查跨接器及滅磁電阻的狀態(tài)，有異常要及時處理。

3 結(jié)束語

本文介紹了IACE6000型勵磁系統(tǒng)某大型水電站實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的一些問題，并結(jié)合其他類型勵磁系統(tǒng)的問題詳細(xì)列舉IACE6000型勵磁系統(tǒng)一些常見故障，提出了相應(yīng)的解決方法和處理策略，能夠?yàn)樗娬緳C(jī)組處理同類問題提供參考和借鑒。勵磁系統(tǒng)對發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行舉足輕重，電站運(yùn)維人員必須加強(qiáng)對勵磁系統(tǒng)故障的分析并掌握應(yīng)對措施才能確保電站的安全可靠運(yùn)行。