沙河抽水蓄能電站勵(lì)磁系統(tǒng)常見故障分析與處理

王 成，湯 勛

（江蘇沙河抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇 溧陽 213333）

1 前言

江蘇沙河抽水蓄能電站（以下簡稱“沙河電站”）是江蘇省第一座抽水蓄能電站，位于江蘇省溧陽市境內(nèi)，距溧陽市區(qū)20 km，距常州105 km。在電網(wǎng)中主要起削峰填谷、事故備用和黑啟動(dòng)等作用，電站總裝機(jī)100 MW，有2臺(tái)50 MW機(jī)組，通過一回220 kV線路接入江蘇電網(wǎng)，電站主機(jī)由法國ALSTOM公司制造。電站于1998年9月正式開工建設(shè)，2002年7月正式投產(chǎn)并網(wǎng)發(fā)電。

2 勵(lì)磁系統(tǒng)概述

抽水蓄能電站的勵(lì)磁系統(tǒng)對于提高和維持發(fā)電電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性、確保電力系統(tǒng)安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著重要的作用。性能優(yōu)良的勵(lì)磁系統(tǒng)能夠有效地保證電壓的質(zhì)量，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性與其空載電動(dòng)勢的大小有關(guān)，而空載電動(dòng)勢為勵(lì)磁電流的函數(shù)，改變勵(lì)磁電流就可以直接影響發(fā)電機(jī)在電力系統(tǒng)中的運(yùn)行性能。因此，勵(lì)磁控制是對發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)控制的主要內(nèi)容之一。

在正常情況下，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的變化主要影響發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓和并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組間無功功率的分配。電網(wǎng)故障時(shí)，要求迅速改變勵(lì)磁電流，維持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定?？梢?，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制在保證電能質(zhì)量、無功功率的合理分配和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行方面都具有十分重要的作用。

3 勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

沙河電站的勵(lì)磁系統(tǒng)由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和勵(lì)磁功率單元組成。勵(lì)磁功率單元是指向同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組提供直流勵(lì)磁電流的勵(lì)磁電源部分，而勵(lì)磁調(diào)節(jié)器則是根據(jù)控制要求的輸入信號和給定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則控制勵(lì)磁功率單元輸出的裝置。

3.1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的組成

主要由主處理器、輔助處理器、數(shù)字和模擬量輸入輸出卡、電機(jī)信號測量和觸發(fā)脈沖的處理卡等組成。

對于靜止勵(lì)磁而言，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)能根據(jù)機(jī)端電壓或無功電流的大小，自動(dòng)地改變可控硅的控制角，以調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路勵(lì)磁電流的大小，維持發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓或無功電流恒定。因此，測量比較、綜合放大和移相觸發(fā)構(gòu)成了勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的3個(gè)基本環(huán)節(jié)。

3.1.1 測量比較單元

用來測量經(jīng)過變換的與發(fā)電機(jī)端電壓成正比例的直流電壓，并與相應(yīng)于發(fā)電機(jī)額定電壓的基準(zhǔn)電壓相比較，得到發(fā)電機(jī)端電壓與其給定值的偏差。電壓的偏差信號輸入到綜合放大單元。

3.1.2 綜合放大單元

綜合放大單元對測量等信號起綜合和放大作用。本環(huán)節(jié)是調(diào)節(jié)電路中的中心環(huán)節(jié)，它用來放大測量環(huán)節(jié)的差值信號，并能將多種信號進(jìn)行綜合，以實(shí)現(xiàn)多種功能的調(diào)節(jié)作用。

3.1.3 移相觸發(fā)單元

移相觸發(fā)單元根據(jù)輸入的控制信號的變化，改變輸出到可控硅的觸發(fā)脈沖相位，從而控制可控硅整流電路的輸出，以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流。

3.2 勵(lì)磁功率單元的組成

功率單元包括勵(lì)磁變壓器、可控硅整流橋、起勵(lì)單元、冷卻單元、滅磁開關(guān)及勵(lì)磁變低壓側(cè)開關(guān)。

3.2.1 勵(lì)磁變壓器

變比：10.5 kV/350 V

額定容量：644 kVA

類型：三相、戶內(nèi)、干式

冷卻方式：自然空氣冷卻

3.2.2 可控硅整流橋

自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)中的大功率整流裝置均采用三相橋式接法。優(yōu)點(diǎn)是半導(dǎo)體元件承受的電壓低。

三相橋式電路可采用半控或全控橋方式。這兩者增強(qiáng)勵(lì)磁的能力相同，但在減磁時(shí)，半控橋只能把勵(lì)磁電壓控制到零，而全控橋在逆變運(yùn)行時(shí)可產(chǎn)生負(fù)的勵(lì)磁電壓，把勵(lì)磁電流急速下降到零。

可控硅全控整流橋工作原理：

全控整流橋的工作特點(diǎn)是既可以工作于整流狀態(tài)（觸發(fā)角α：0°～90°），將交流轉(zhuǎn)換為直流；也可工作于逆變狀態(tài)，將直流轉(zhuǎn)換為交流（觸發(fā)角α：90°～180°）。

6個(gè)橋臂上的可控硅元件，每個(gè)元件都是連續(xù)導(dǎo)通120°，每隔60°有一個(gè)可控硅元件換流。

3.2.3 起勵(lì)單元

當(dāng)機(jī)組黑啟動(dòng)時(shí)，起勵(lì)電流經(jīng)起勵(lì)開關(guān)引自電站220 V直流系統(tǒng)。當(dāng)起勵(lì)電流使機(jī)端電壓升至5%的發(fā)電機(jī)額定電壓時(shí)，可控硅整流器開始工作，使機(jī)組電壓上升至額定值。在勵(lì)磁電流達(dá)到20%的空載勵(lì)磁電流時(shí)，自動(dòng)斷開起勵(lì)開關(guān)，退出起勵(lì)回路。

3.2.4 冷卻單元

造成可控硅發(fā)熱的原因是損耗，最主要的是通態(tài)時(shí)的損耗，即可控硅在導(dǎo)通狀態(tài)下的損耗。

勵(lì)磁可控硅橋通常采用裝設(shè)在盤柜上的兩臺(tái)互為備用的冷卻風(fēng)扇來冷卻，并在盤柜上裝設(shè)濾網(wǎng)，防止灰塵進(jìn)入盤柜。

3.2.5 滅磁開關(guān)

滅磁開關(guān)又稱磁場斷路器，滅磁開關(guān)的主要作用是在發(fā)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)迅速切除發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流。與一般開關(guān)不同的是，發(fā)電機(jī)繞組電感很大，因而發(fā)電機(jī)磁場繞組儲(chǔ)存著大量能量，需要利用開關(guān)迅速釋放才能達(dá)到滅磁效果。

4 常見勵(lì)磁系統(tǒng)故障綜述

勵(lì)磁系統(tǒng)主要起發(fā)電機(jī)電壓控制、無功功率合理分配和提高電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的作用，其故障數(shù)量在歷年故障統(tǒng)計(jì)中占比近3%。故障按照設(shè)備區(qū)域劃分：

（1）冷卻單元故障；

（2）勵(lì)磁變壓器故障；

（3）功率元件故障；

（4）磁場斷路器故障；

（5）勵(lì)磁交流電源斷路器故障；

（6）勵(lì)磁調(diào)節(jié)器故障。

5 勵(lì)磁系統(tǒng)故障處理關(guān)鍵

（1）發(fā)現(xiàn)異?；驁?bào)警時(shí)，應(yīng)及時(shí)檢查設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，查看相應(yīng)參數(shù)和趨勢，分析嚴(yán)重程度，必要時(shí)申請轉(zhuǎn)移負(fù)荷或停機(jī)消缺。

（2）若勵(lì)磁調(diào)節(jié)器故障，值班人員應(yīng)及時(shí)檢查調(diào)節(jié)器故障原因，盡快恢復(fù)調(diào)節(jié)器正常運(yùn)行，防止系統(tǒng)電壓波動(dòng)、機(jī)組負(fù)荷變化或機(jī)組停機(jī)過程中出現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)異常欠勵(lì)或過勵(lì)現(xiàn)象，導(dǎo)致機(jī)組失磁或過電壓。

（3）若機(jī)組穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)故障處理主要是防止失磁，如情況較緊急應(yīng)立即申請轉(zhuǎn)移負(fù)荷，在停機(jī)后處理；如不緊急，則以監(jiān)視為主。

（4）機(jī)組停機(jī)過程中若出現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)故障，應(yīng)及時(shí)按下機(jī)組跳閘按鈕，以閉鎖電氣制動(dòng)流程，避免故障情況下產(chǎn)生二次沖擊。

（5）若勵(lì)磁變發(fā)生火災(zāi)，首先要確認(rèn)變壓器高低壓側(cè)斷路器已斷開，故障設(shè)備已停電，機(jī)組可靠停機(jī)并立刻拉開相應(yīng)主變的高壓側(cè)隔離開關(guān)以有效隔離故障設(shè)備并通知相關(guān)人員。

6 沙河電站勵(lì)磁系統(tǒng)常見故障分析

沙河電站的1號、2號勵(lì)磁系統(tǒng)均為南瑞繼保公司生產(chǎn)的國產(chǎn)化設(shè)備。該設(shè)備投產(chǎn)之后，運(yùn)行可靠，基本滿足當(dāng)初設(shè)計(jì)要求，有效地保證了電壓的質(zhì)量。但勵(lì)磁系統(tǒng)經(jīng)過這么多年的運(yùn)行，也曾出現(xiàn)過問題導(dǎo)致抽水啟動(dòng)不成功。本文列舉兩個(gè)案例進(jìn)行分析。

6.1 案例1：1號機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)操作電源失電

6.1.1 故障現(xiàn)象

00：31：39，上位機(jī)啟動(dòng)G1至SFC抽水操作；

00：32：46，1F勵(lì)磁操作電源失電；

00：32：51，SFC故障（故障代碼101，翻閱SFC手冊是勵(lì)磁電流無法檢測到）；

00：32：51，G1轉(zhuǎn)停機(jī)操作；

00：32：51，磁場開關(guān)分不開（G1至停機(jī)操作）；

00：32：55，1F勵(lì)磁操作電源失電復(fù)歸；

00：36：55，1F停機(jī)操作成功；

00：46：49，SFC切換為2號SFC為主用；

00：54：07，上位機(jī)啟動(dòng)G1至SFC抽水操作（成功）；

06：50：35，上位機(jī)啟動(dòng)G1至停機(jī)操作；

06：52：04，1F勵(lì)磁操作電源失電；

06：52：07，勵(lì)磁電流升不上（G1至停機(jī)操作）。

6.1.2 處理過程

（1）1號機(jī)組停機(jī)后，檢修人員進(jìn)廠處理；

（2）現(xiàn)場檢查勵(lì)磁盤柜，除調(diào)節(jié)柜外，外部的指示燈全滅，滅磁開關(guān)合位；

（3）檢查發(fā)現(xiàn)開機(jī)條件中，“1號機(jī)勵(lì)磁操作電源失電”“1號機(jī)勵(lì)磁故障綜合”不滿足；

（4）檢查勵(lì)磁操作電源，發(fā)現(xiàn)確已失電，測量無電源。

6.1.3 原因分析

經(jīng)過現(xiàn)場檢查，原因?yàn)閯?lì)磁操作電源220 V DC回路X101-6號端子接頭處虛接，勵(lì)磁操作電源和勵(lì)磁柜內(nèi)勵(lì)磁電流變送器電源失去，SFC無法檢測到勵(lì)磁電流，報(bào)SFC故障，使得開機(jī)不成功；在轉(zhuǎn)停機(jī)過程中的振動(dòng)使得該端子又接觸上，操作電源故障復(fù)歸，勵(lì)磁操作電源重新得電，所以在切換SFC后重新開機(jī)成功；而在停機(jī)過程中，投電氣制動(dòng)前合滅磁開關(guān)的時(shí)刻，勵(lì)磁盤柜的較大振動(dòng)又使得該端子斷開，導(dǎo)致磁場開關(guān)未分開、風(fēng)機(jī)不停等故障現(xiàn)象。220 V DC電纜為4 mm2，而接線端子為2.5 mm2，端子偏小不太匹配，長時(shí)間運(yùn)行，定期維護(hù)時(shí)緊固端子最終將電纜頭擠出，使得接頭虛接。

6.2 案例2：2號機(jī)機(jī)端電壓采樣回路故障導(dǎo)致開機(jī)失敗

6.2.1 故障現(xiàn)象

09：14：53，上位機(jī)啟動(dòng)G2至發(fā)電操作；09：17：56，同期故障 （G2轉(zhuǎn)停機(jī)操作）；09：20：51，G2至停機(jī)操作成功。

6.2.2 處理過程

（1）運(yùn)行人員現(xiàn)地檢查，同期面板顯示“機(jī)組電壓降不下”，復(fù)歸同期裝置后嘗試2次，并網(wǎng)發(fā)電成功；

（2）檢修人員進(jìn)廠2號機(jī)組處于發(fā)電態(tài)，檢查發(fā)現(xiàn)2號機(jī)組勵(lì)磁A套調(diào)節(jié)器機(jī)端采樣電壓比實(shí)際值偏低，采樣為10.45 kV，實(shí)際為10.65 kV，測量勵(lì)磁盤柜后PT端子發(fā)現(xiàn)PT電壓偏低；

（3）2號機(jī)組停機(jī)后，對該P(yáng)T回路進(jìn)行檢查，緊固各端子，再次假同期并網(wǎng)成功，該P(yáng)T回路電壓正常，勵(lì)磁采樣還是有所偏低，但已基本在誤差容許范圍內(nèi)。

6.2.3 原因分析

原因?yàn)閯?lì)磁機(jī)端電壓采樣回路故障，勵(lì)磁采得的機(jī)端電壓偏低，所以在同期過程中，勵(lì)磁將機(jī)端電壓調(diào)整并跟蹤系統(tǒng)電壓時(shí)，勵(lì)磁認(rèn)為調(diào)整到位，但實(shí)際的機(jī)端電壓偏高，無法滿足同期電壓差的要求。

7 結(jié)束語

近年來，隨著電網(wǎng)需求的變化，抽水啟動(dòng)相比往年更為頻繁，這就需要我們在今后的工作中繼續(xù)加強(qiáng)對勵(lì)磁系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備的檢查維護(hù)，定期對勵(lì)磁系統(tǒng)的故障案例進(jìn)行分析總結(jié)并舉一反三，確保設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。