一起典型勵(lì)磁機(jī)內(nèi)部故障分析及建議

喻亮亮 蘇家財(cái) 吳金濤 吳成忠 李陽

摘 要：針對一起發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)升壓失敗的案例，根據(jù)升壓失敗、過壓保護(hù)動(dòng)作及元器件損壞的現(xiàn)象，分析和反推過電壓產(chǎn)生的原因，通過工程經(jīng)驗(yàn)、理論分析及排除法，最終定位為勵(lì)磁機(jī)內(nèi)部持續(xù)性短路故障導(dǎo)致機(jī)組升壓失敗，同時(shí)針對無刷勵(lì)磁機(jī)的發(fā)電機(jī)組提出了運(yùn)行維護(hù)的建議。

關(guān)鍵詞：過壓保護(hù)動(dòng)作；主勵(lì)磁機(jī)；旋轉(zhuǎn)二極管；快熔

中圖分類號(hào)：TM341? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）16-0070-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.16.018

0? ? 引言

配置有旋轉(zhuǎn)二極管的三機(jī)無刷勵(lì)磁系統(tǒng)在中大型機(jī)組上應(yīng)用廣泛[1-2]，由于旋轉(zhuǎn)二極管集成于主勵(lì)磁機(jī)中，隨著轉(zhuǎn)子和主勵(lì)磁電樞同步旋轉(zhuǎn)，一般發(fā)生持續(xù)性故障的可能性較小。但是，隨著運(yùn)行時(shí)間的積累，元器件和保護(hù)元件逐步老化，一旦發(fā)生持續(xù)性故障，將會(huì)對旋轉(zhuǎn)二極管本體、主勵(lì)磁機(jī)磁場繞組、主勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p壞，從而影響機(jī)組的正常啟動(dòng)和運(yùn)行。

本文介紹了一起典型三機(jī)無刷勵(lì)磁系統(tǒng)機(jī)組升壓失敗的異常事件，通過分析和排查，最終定位事件原因?yàn)橹鲃?lì)磁機(jī)內(nèi)旋轉(zhuǎn)二極管故障，并提出了相關(guān)的工程建議。

1? ? 事故發(fā)生過程

1.1? ? 機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

機(jī)組采用高起始響應(yīng)的他勵(lì)式三機(jī)無刷勵(lì)磁系統(tǒng)，即由永磁交流副勵(lì)磁機(jī)、交流主勵(lì)磁機(jī)、旋轉(zhuǎn)二極管整流裝置組成，配有高起始快速響應(yīng)自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。永磁機(jī)定子產(chǎn)生400 Hz電源，經(jīng)兩組三相全控整流橋整流后供給主勵(lì)磁機(jī)磁場繞組，主勵(lì)磁機(jī)電樞輸出200 Hz電源供給同軸旋轉(zhuǎn)的二極管整流裝置，整流輸出直流電流為發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁電流。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中集成于主勵(lì)磁機(jī)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)二極管整流裝置采用的是典型的三相不可控整流電路，其電氣原理如圖2所示。

主勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中配置的過壓保護(hù)裝置采用擊穿電壓為900 V的ZnO非線性電阻，滅磁裝置采用跨接器串接滅磁電阻的模式，跨接器觸發(fā)電壓約700 V，擊穿電壓為1 600 V，其電氣原理如圖3所示。

1.2? ? 事故發(fā)生過程

機(jī)組沖轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速后，勵(lì)磁系統(tǒng)按照正常流程起勵(lì)，以此為時(shí)間起點(diǎn)，記為0 s，此時(shí)發(fā)電機(jī)電壓幾乎不變，但勵(lì)磁電壓已遠(yuǎn)超正常啟機(jī)值（正常啟機(jī)勵(lì)磁電壓約5 V，此次勵(lì)磁電壓采樣已超過量程20 V），一段時(shí)間內(nèi)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓基本不變，僅緩慢升高至約200 V（正常啟機(jī)時(shí)機(jī)端電壓會(huì)快速上升），勵(lì)磁電流在3～417 A之間變化（此電流已遠(yuǎn)超正常空載額定勵(lì)磁電流的70 A），約1 s后，主勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組轉(zhuǎn)子過電壓保護(hù)動(dòng)作并發(fā)出告警信號(hào)。由于發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓始終沒有升高，導(dǎo)致勵(lì)磁調(diào)節(jié)器切手動(dòng)環(huán)方式運(yùn)行，此時(shí)勵(lì)磁電流在4～500 A之間變化。6 s后，主勵(lì)磁機(jī)磁場一點(diǎn)接地保護(hù)動(dòng)作并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。7 s后，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓上升至2 kV，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器切回自動(dòng)環(huán)運(yùn)行方式。9 s后，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓恢復(fù)正常升壓速率，此時(shí)勵(lì)磁電流維持在132～188 A之間。17 s后發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓升至接近額定電壓19.5 kV。由于升壓過程中發(fā)生異常，現(xiàn)場逆變滅磁并拉開滅磁開關(guān)，勵(lì)磁系統(tǒng)退出運(yùn)行。異常發(fā)生的過程中，勵(lì)磁系統(tǒng)錄波波形如圖4所示。

從異常發(fā)生的過程和勵(lì)磁系統(tǒng)錄波可見，異常發(fā)生初始階段，機(jī)組內(nèi)發(fā)生了某種故障，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)始終無法升壓；但在故障持續(xù)7 s后，機(jī)組及勵(lì)磁系統(tǒng)恢復(fù)相對正常，機(jī)組成功建壓。

1.3? ? 現(xiàn)場對勵(lì)磁系統(tǒng)及主勵(lì)磁機(jī)磁場繞組的檢查情況

現(xiàn)場查看勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁柜，發(fā)現(xiàn)滅磁柜報(bào)過壓動(dòng)作，過壓回路熔絲熔斷。

查看過壓回路非線性電阻，周圍有放電燒黑痕跡，拆開檢查，發(fā)現(xiàn)非線性電阻被燒壞。

用萬用表測量滅磁回路跨接器中的晶閘管，其正反向電阻都為0，判斷晶閘管被擊穿。

現(xiàn)場檢查主勵(lì)磁機(jī)，其上半勵(lì)磁繞組未發(fā)現(xiàn)明顯故障點(diǎn)，絕緣電阻正常；下半勵(lì)磁繞組絕緣降到0，下半勵(lì)磁繞組爐側(cè)頂部繞組有一明顯的燒損點(diǎn)，還有多處過熱痕跡。檢查勵(lì)磁系統(tǒng)其他元器件和回路，未發(fā)現(xiàn)明顯的損壞跡象。

檢查副勵(lì)磁機(jī)電樞回路，未發(fā)現(xiàn)明顯的損壞跡象。

2? ? 異常分析與排查

2.1? ? 總體判斷

在起勵(lì)初期，勵(lì)磁系統(tǒng)已投入運(yùn)行并向主勵(lì)磁機(jī)輸出了勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流，但是發(fā)電機(jī)始終未能建立起機(jī)端電壓，說明發(fā)電機(jī)磁場繞組未能流入勵(lì)磁電流，未能建立起磁場，故無法建壓，說明故障可能存在于主勵(lì)磁機(jī)內(nèi)部，即圖1所示的虛框范圍內(nèi)。

主勵(lì)磁機(jī)磁場繞組過壓擊穿且有過流痕跡，與主勵(lì)磁機(jī)磁場繞組連接的勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁和過壓保護(hù)裝置擊穿，說明主勵(lì)磁機(jī)磁場繞組回路產(chǎn)生過大于1 600 V的過壓。

機(jī)組的故障發(fā)展存在一個(gè)大約7 s的過渡過程，由此判斷當(dāng)故障消除或故障點(diǎn)由短路發(fā)展為開路后，機(jī)組恢復(fù)正常。

2.2? ? 主勵(lì)磁機(jī)磁場回路過電壓來源分析

過壓產(chǎn)生的原因可能有3種：1）浪涌過電壓；2）由勵(lì)磁電源及勵(lì)磁系統(tǒng)傳導(dǎo)產(chǎn)生；3）由主勵(lì)磁機(jī)電樞繞組感應(yīng)傳導(dǎo)產(chǎn)生。

1）浪涌過電壓產(chǎn)生的可能性分析：機(jī)組啟動(dòng)當(dāng)天天氣正常，沒有雷雨發(fā)生；發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁系統(tǒng)區(qū)域接地網(wǎng)正常，現(xiàn)場屏蔽和抗干擾措施和功能正常；現(xiàn)場其他設(shè)備均無過電壓現(xiàn)象。由此判斷，基本可以排除浪涌過電壓產(chǎn)生的可能性。

2）勵(lì)磁電源及勵(lì)磁系統(tǒng)傳導(dǎo)產(chǎn)生的可能性分析：勵(lì)磁系統(tǒng)的電源由副勵(lì)磁機(jī)的電樞提供，其額定電壓為270 V，在機(jī)組啟動(dòng)和異常發(fā)生的全程，副勵(lì)磁機(jī)輸出電壓的最大值為300 V。根據(jù)三相全控橋原理[3]，通過勵(lì)磁系統(tǒng)輸出的最大電壓Ud可由式（1）估算：

Ud=1.35Uscos α? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：Us為副勵(lì)磁機(jī)輸出電壓；α為勵(lì)磁觸發(fā)角度。

從錄波可以看出，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器觸發(fā)角度α的范圍為50°～130°，所以勵(lì)磁系統(tǒng)輸出勵(lì)磁電壓正向最大值估算為1.35×300×cos 50°≈260 V，負(fù)向最大值估算為1.35×300×cos 130°≈-260 V。另，勵(lì)磁系統(tǒng)可能輸出的最高電壓為副勵(lì)磁機(jī)電壓的峰值300×1.414≈424 V，而過壓保護(hù)擊穿值為900 V，滅磁回路跨接器內(nèi)晶閘管擊穿電壓為1 600 V，說明合閘后磁場回路電壓達(dá)1 600 V以上，從整流原理上分析，該過壓值由勵(lì)磁系統(tǒng)傳導(dǎo)輸出的可能性基本可以排除。

3）主勵(lì)磁機(jī)電樞繞組感應(yīng)傳導(dǎo)產(chǎn)生的可能性分析：根據(jù)電磁感應(yīng)原理，假設(shè)勵(lì)磁機(jī)電樞繞組及其連接回路存在相間短路或其他非對稱性故障，會(huì)在電樞繞組回路中產(chǎn)生脈振磁動(dòng)勢，從而在磁場繞組感生2倍基頻的交流電動(dòng)勢和電流，同時(shí)，在電樞繞組脈振磁動(dòng)勢和磁場繞組脈振磁動(dòng)勢的相互作用下，還會(huì)感生出一些高次諧波[4]，從而產(chǎn)生危害較大的過電壓。由此分析，異常過壓通過主勵(lì)磁機(jī)電樞繞組感應(yīng)傳導(dǎo)產(chǎn)生的可能性較大。

2.3? ? 實(shí)際檢查驗(yàn)證

待機(jī)組冷卻后，現(xiàn)場對主勵(lì)磁機(jī)進(jìn)行解體查看，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)二極管裝置中有一只二極管正反向直通，即處于短路狀態(tài)，但與其串聯(lián)的快熔沒有熔斷，而是連接快熔和二極管的銅母線燒斷，電氣示意圖如圖5所示。

在B相VT6橋臂有一只二極管直通短路后，當(dāng)VT4導(dǎo)通時(shí)，會(huì)形成AB相間短路；當(dāng)VT2導(dǎo)通時(shí)，會(huì)形成BC相間短路；由于旋轉(zhuǎn)二極管裝置與主勵(lì)磁機(jī)電樞繞組直接相連，故相當(dāng)于發(fā)生了主勵(lì)磁機(jī)電樞繞組的相間短路。

一般地，當(dāng)某橋臂只有一只二極管故障時(shí)，由于有短路電流產(chǎn)生，快熔會(huì)快速熔斷，形成開路，將短路故障點(diǎn)快速切除，不影響機(jī)組正常運(yùn)行。但如果快熔失效，無法將故障點(diǎn)切除，則會(huì)在主勵(lì)磁機(jī)電樞繞組中形成持續(xù)的不對稱電流，從而在主勵(lì)磁機(jī)磁場繞組感生出極高的電壓和電流，其幅值可高達(dá)額定運(yùn)行值的幾倍甚至十幾倍[4]。結(jié)合前述過程分析，可推斷出故障發(fā)生過程為：

1）初始階段，勵(lì)磁起勵(lì)運(yùn)行，輸出勵(lì)磁電流，但旋轉(zhuǎn)二極管故障，導(dǎo)致主勵(lì)磁機(jī)輸出的電流全部流入故障點(diǎn)，而未流入發(fā)電機(jī)磁場繞組，故無法建壓。

2）二極管故障導(dǎo)致主勵(lì)磁機(jī)電樞繞組相間故障，且由于故障未切除，持續(xù)的不對稱故障在主勵(lì)磁機(jī)磁場繞組感生出過壓，導(dǎo)致過壓保護(hù)動(dòng)作、滅磁回路擊穿、磁場繞組損壞。

3）故障二極管的連接銅母線熔斷后，故障被隔離，機(jī)組重新建壓正常。

3? ? 結(jié)束語

本次故障的根源為旋轉(zhuǎn)二極管故障導(dǎo)致相間短路，且未被及時(shí)切除，形成持續(xù)性不對稱故障，引起主勵(lì)磁機(jī)磁場繞組過壓。旋轉(zhuǎn)二極管及快熔為三機(jī)無刷機(jī)組的核心設(shè)備，隨著運(yùn)行時(shí)間的積累，存在老化的可能，為確保機(jī)組運(yùn)行安全和故障及時(shí)切除，建議機(jī)組大修期間，將二極管和快熔全部更換，且更換為參數(shù)、性能一致的同批次產(chǎn)品，確保整體功能的可靠性。

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收稿日期：2023-04-18

作者簡介：喻亮亮（1987—），男，江蘇人，工程師，研究方向：發(fā)電廠控制保護(hù)、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及自動(dòng)化。