楊小東

(吉林松花江熱電有限公司，吉林吉林132002)

勵磁系統(tǒng)是電廠發(fā)電機(jī)的重要組成部分，通過對發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀況的分析處理，輸出給發(fā)電機(jī)的勵磁繞組一個相應(yīng)的直流電流，以控制發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行。勵磁系統(tǒng)失磁可直接造成電力設(shè)備過熱影響使用壽命，發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷，更嚴(yán)重時可能造成大范圍停電、系統(tǒng)振蕩甚至整個電力系統(tǒng)瓦解。可見勵磁系統(tǒng)的優(yōu)劣，直接影響發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)能否可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行。在對電廠安全穩(wěn)定系數(shù)要求越來越高的今天，關(guān)注發(fā)電廠的勵磁系統(tǒng)也就顯得尤為重要。

發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的改進(jìn)一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。上個世紀(jì)，它勵系統(tǒng)以其具有的勵磁電壓穩(wěn)定，不受電網(wǎng)影響等優(yōu)點(diǎn)曾在我國電力生產(chǎn)中被廣泛采用，但隨著近年發(fā)電機(jī)容量的增大，對勵磁系統(tǒng)要求也越來越高，它勵系統(tǒng)響應(yīng)緩慢，維修復(fù)雜等缺點(diǎn)，已經(jīng)不適合電力生產(chǎn)的發(fā)展要求。取而代之的自并勵勵磁系統(tǒng)，則以其運(yùn)行可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，在相關(guān)技術(shù)日益成熟的今天，迅速成長為國內(nèi)外電力企業(yè)競相采用的主流勵磁系統(tǒng)［1］。近年來，國內(nèi)外對于自并勵勵磁系統(tǒng)的研究多集中在控制方式的優(yōu)化上，而對系統(tǒng)發(fā)生失磁故障時，故障參數(shù)變化情況的介紹往往很粗略。了解失磁故障參數(shù)的變化規(guī)律，對于故障分析和保護(hù)方案的制定具有重要參考價值。弄清楚參數(shù)變化的原因，在優(yōu)化自并勵勵磁系統(tǒng)的控制方式和防止類似故障再度發(fā)生上，起到了相當(dāng)大的幫助。因此探索自并勵勵磁系統(tǒng)發(fā)生失磁故障時，分析故障參數(shù)變化及原因，對故障診斷和系統(tǒng)優(yōu)化都具有重要意義。

本文結(jié)合松花江熱電公司2號發(fā)電機(jī)發(fā)生的一起失磁事故，對自并勵勵磁系統(tǒng)引起失磁的原因進(jìn)行了討論。對相應(yīng)保護(hù)動作和參數(shù)變化情況進(jìn)行分析研究，確定事故原因及解決方案，為自并勵勵磁系統(tǒng)在電力生產(chǎn)中的應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 失磁影響因素分析

1.1 勵磁系統(tǒng)概況

松花江熱電公司2號發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)采用河北工業(yè)大學(xué)生產(chǎn)的WLZ-2D自并勵靜止勵磁系統(tǒng)。所謂自并勵靜止勵磁系統(tǒng)是指采用接于發(fā)電機(jī)出口的勵磁變壓器作為勵磁電源，經(jīng)硅整流后供給發(fā)電機(jī)勵磁。因勵磁變壓器并聯(lián)在發(fā)電機(jī)出口，故這種勵磁方式被稱為自并勵式，勵磁變壓器、整流器等都是靜止元件，故又稱其為自并勵靜止勵磁系統(tǒng)。

整個勵磁系統(tǒng)分功率部分和控制部分，通過發(fā)電機(jī)機(jī)端的勵磁變壓器采集電壓，勵磁裝置利用觸發(fā)脈沖控制可控硅導(dǎo)角，通過導(dǎo)角改變來調(diào)節(jié)勵磁電流，以達(dá)到調(diào)節(jié)勵磁的的目地［2］。

圖1 自并勵勵磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 失磁原因及影響

發(fā)電機(jī)失磁是指正常運(yùn)行發(fā)電機(jī)的勵磁電流全部的或部分消失的現(xiàn)象。發(fā)電機(jī)失磁是常見的故障形式。造成自并勵勵磁系統(tǒng)失磁的原因大致可分為以下幾種:

(1)勵磁系統(tǒng)故障:勵磁系統(tǒng)中設(shè)備裝置發(fā)生故障造成，如可控硅裝置中元件的老化、損壞，勵磁繞組過熱，勵磁PT斷線，滅磁開關(guān)、接觸器誤跳閘，勵磁變壓器接頭接觸不良等，造成勵磁回路短路或開路。勵磁系統(tǒng)中設(shè)備參數(shù)設(shè)置不合理也會造成設(shè)備長期過熱，絕緣損壞等，導(dǎo)致失磁事故。

(2)電力系統(tǒng)振蕩:系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重振蕩，使得系統(tǒng)吸收大量無功，原有的穩(wěn)定遭到破壞，系統(tǒng)失去平衡，發(fā)電機(jī)組搶無功，原動機(jī)系統(tǒng)失靈或反應(yīng)遲緩引起發(fā)電機(jī)失去平衡，振蕩、失磁跳閘。

(3)操作人員誤操作。如:投退操作開關(guān)失誤、調(diào)整不及時。無論是哪種形式的失磁，發(fā)電機(jī)都會過渡到異步運(yùn)行，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速，由于出現(xiàn)轉(zhuǎn)差，定子繞組電流增大，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電流，引起定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的附加發(fā)熱，對于發(fā)電機(jī)本身由于設(shè)備過熱和發(fā)電機(jī)周期性地嚴(yán)重超速，不僅會影響發(fā)電機(jī)使用壽命更會直接威脅著機(jī)組的安全。由于無功的缺少引起系統(tǒng)電壓的降低和有功的擺動，在自動調(diào)節(jié)勵磁裝置的作用下造成系統(tǒng)中其它發(fā)電機(jī)增加無功輸出使得發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路過電流，相鄰正常運(yùn)行發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間失去同步，造成系統(tǒng)振蕩、電壓崩潰擴(kuò)大了停電范圍［3］。

2 故障分析

2.1 故障現(xiàn)象

松花江熱電公司2號發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動作，使2號發(fā)電機(jī)跳閘與系統(tǒng)解列，檢查2號發(fā)電機(jī)主保護(hù)屏顯示:“CPU4保護(hù)動作，勵磁PT斷線，I通道故障;2號發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器PT斷線，失磁t1、t2報(bào)警，勵磁電流、電壓為零”。事件前2號機(jī)帶負(fù)荷40 MW，勵磁電流798.46 A，勵磁電壓93.49 V，無功14 Mvar，處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 故障原因分析

發(fā)電機(jī)主保護(hù)動作導(dǎo)致發(fā)電機(jī)跳閘甩負(fù)荷，本文結(jié)合保護(hù)動作情況對發(fā)電機(jī)跳閘原因加以分析推斷。

表1 CPU4保護(hù)

松花江熱電廠微機(jī)保護(hù)柜中CPU4保護(hù)情況如上表。由“CPU4保護(hù)動作，2號發(fā)電機(jī)失磁t1、t2報(bào)警”，可知事故造成2號發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動作，2號發(fā)電機(jī)跳閘，相關(guān)設(shè)備與故障部分完全隔離。

WLZ-2D型微機(jī)勵磁裝置具有相當(dāng)完善的自檢測功能，并通過前面板或主控機(jī)箱液晶顯示窗加以顯示，本文通過主屏顯示情況，對故障原因進(jìn)一步分析。

松花江熱電廠采用雙通道運(yùn)行且AVR和FCR兩種勵磁方式主備結(jié)合的勵磁系統(tǒng)。以保證勵磁系統(tǒng)可靠運(yùn)行。此套WLZ-2D自并勵靜止勵磁系統(tǒng)引起通道故障的主要原因?yàn)?通道電源故障、硬件故障、軟件故障、脈沖故障、PT斷線、主機(jī)故障［4］。

通過主保護(hù)屏顯示造成I通道故障的主要原因是PT斷線。自并勵勵磁系統(tǒng)中的PT主要有勵磁PT和勵磁調(diào)節(jié)器PT兩種。勵磁PT就是勵磁專用的電壓互感器，安裝在發(fā)電機(jī)機(jī)端，用來采集發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓量給勵磁調(diào)節(jié)器，勵磁調(diào)節(jié)器通過事先規(guī)定的控制方案對電壓信號進(jìn)行分析、比較，輸出一個控制脈沖給可控硅，以控制勵磁電流的大小從而改變機(jī)端電壓的大小。勵磁調(diào)節(jié)器PT又分為校正PT和儀用PT兩種，校正PT的主要作用是在發(fā)電機(jī)勵磁回路中作為勵磁電流校正用。儀用PT的主要作用是將高壓端電壓值按一定倍數(shù)降低便于測量［5］。PT斷線是常見的通道故障，主要是其保護(hù)熔斷器燒斷引起的，而熔斷器燒斷通常是二次側(cè)過載、絕緣下降或短路等原因造成的。

根據(jù)保護(hù)動作情況我們可以判定2號發(fā)電機(jī)失磁。再通過PT斷線情況的分析失磁故障由二次側(cè)故障引起可能性極大。通過對故障現(xiàn)場的勘查，發(fā)現(xiàn)勵磁小間冒煙，三組整流柜內(nèi)的共十六只可控硅的快熔熔斷;柜內(nèi)所有16只可控硅散熱管夾緊螺栓和可控硅上有不同程度電弧燒蝕的痕跡，柜體的后門及拉金上均有被電弧燒傷留下的痕跡;兩組整流柜內(nèi)二次電纜線及繼電器被電弧燒損。

參考設(shè)備損壞情況，由于三組整流柜內(nèi)的共十六只可控硅的快熔熔斷，對于WLZ-2D自并勵勵磁系統(tǒng)而言，整流橋快熔熔斷可視為功率柜故障［4］。所以可判斷故障直接原因來自于整流柜本體一次部分。

通過對整流柜本體一次部分的檢查(如圖2)，發(fā)現(xiàn)有個別可控硅散熱管夾緊螺栓絕緣護(hù)套短(原始缺陷)，導(dǎo)致直流側(cè)對地的絕緣間距過小，柜內(nèi)絮狀灰塵在運(yùn)行中被風(fēng)機(jī)帶起落在絕緣薄弱處，即造成可控硅短路，并產(chǎn)生弧光，引起柜體內(nèi)的空氣電離，繼而發(fā)生大面積短路，導(dǎo)致可控硅快熔斷器熔斷，發(fā)電機(jī)失磁，失磁保護(hù)動作，使2號發(fā)電機(jī)跳閘。

整流柜造成故障原因及解決措施見表2。

圖2 可控硅散熱管加緊螺栓絕緣套正常與異常對比圖

表2 故障原因及解決措施

2.3 失磁故障分析

圖3為對2號發(fā)電機(jī)在失磁試驗(yàn)前后相關(guān)參數(shù)變化情況，可以發(fā)現(xiàn)在故障伊始，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電壓、轉(zhuǎn)子電流和定子電壓快速下降，而對應(yīng)的定子電流及轉(zhuǎn)速在上升。

圖3 DCS中記錄下的故障相關(guān)參數(shù)在故障前后變化情況

結(jié)合上述現(xiàn)象通過分析得知，當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生失磁故障時，勵磁電壓降為零，由于勵磁繞組的存在，勵磁電流將逐漸衰減，發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電勢隨著勵磁電流的減小不斷降低，由于電磁轉(zhuǎn)矩與感應(yīng)電動勢成正比例關(guān)系導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩減小，當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩小于原動機(jī)原有的轉(zhuǎn)矩時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速必然增加，造成功率因數(shù)角增大。當(dāng)發(fā)電機(jī)功角超過系統(tǒng)靜穩(wěn)極限角時，發(fā)電機(jī)就會處于失步運(yùn)行狀態(tài)，使系統(tǒng)發(fā)生振蕩，擴(kuò)大了故障范圍。發(fā)電機(jī)失磁后，為了彌補(bǔ)勵磁電流的降低，將從系統(tǒng)中吸取一定的感性無功，轉(zhuǎn)子會出現(xiàn)轉(zhuǎn)差，在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢和勵磁電流，使得無功分量增大［6，7］。伴隨定子電流增大和定子電壓下降，發(fā)電機(jī)有功功率振蕩下降，無功功率反向并不斷增大。由于從系統(tǒng)中吸收無功，在轉(zhuǎn)子回路中會有差頻電流產(chǎn)生，使機(jī)端電壓下降，導(dǎo)致整個系統(tǒng)的電壓下降?？梢妱畲畔到y(tǒng)失磁對電機(jī)本身和整個系統(tǒng)的安全運(yùn)行有重大影響。

2.4 預(yù)防失磁故障的措施:

結(jié)合松花江熱電廠設(shè)備實(shí)際情況，通過實(shí)驗(yàn)、仿真，進(jìn)一步優(yōu)化勵磁控制系統(tǒng)，最大限度的發(fā)揮雙通道控制、AVR與FCR調(diào)節(jié)方式主備結(jié)合的優(yōu)勢。

調(diào)整保護(hù)裝置整定參數(shù)，采取適當(dāng)措施保證裝置動作的可靠性。自并勵勵磁系統(tǒng)由于主勵磁繞組具有較大的時間常數(shù)，而勵磁電流是隨此時間常數(shù)衰減，從而時間在0.5 s以上的后備保護(hù)可能不會動作，當(dāng)發(fā)電機(jī)出口短路時，后備保護(hù)可能完全失去作用。在制定保護(hù)方案時應(yīng)加以注意。

自并勵勵磁系統(tǒng)是實(shí)時控制系統(tǒng)，控制技術(shù)較難掌握，因而建議電廠要加強(qiáng)對勵磁系統(tǒng)的監(jiān)督、相關(guān)設(shè)備的巡檢，負(fù)責(zé)的技術(shù)人員要提高對勵磁設(shè)備的認(rèn)識，加強(qiáng)學(xué)習(xí)。以保證該套系統(tǒng)可靠穩(wěn)定的運(yùn)行。

3 結(jié) 論

自并勵勵磁系統(tǒng)在我國大型汽輪發(fā)電機(jī)上和電廠老機(jī)組改造中已經(jīng)開始推廣使用，作為一種新型的勵磁方式，現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)還比較少，存在一些問題需要完善和改進(jìn)。然而自并勵技術(shù)給機(jī)組運(yùn)行帶來穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性上的提高是不容質(zhì)疑的。結(jié)合松花江熱電廠此次失磁故障分析，可以看出在自并勵勵磁系統(tǒng)中控制部分的重要性及存在的問題。因此除了加強(qiáng)維護(hù)以外，還應(yīng)對其進(jìn)行深入研究在軟、硬件上加以改進(jìn)，以提高自并勵勵磁系統(tǒng)的可靠性。

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