楊鴻鋒，陳炳森，唐正權(quán)，嚴(yán)欣婷

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530023）

1 工程概況

那降水庫位于廣西南寧市隆安縣右江支流那降河上，距離縣城6 km，建于1960 年，庫容1880 萬m3，集雨面積63 km2，主要負(fù)責(zé)縣城供水和下游農(nóng)田灌溉。那降水電站廠房位于水庫主壩之后，始建于1978 年，2015 年12 月完成增效擴(kuò)容改造，共安裝3臺(tái)單機(jī)容量200 kW 的混流式低壓水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量600 kW，電站額定水頭17.7 m，額定流量4.41 m3/s，尾水排至灌渠和下游。

電站改造后的電氣主接線如圖1 所示，3 臺(tái)機(jī)組出口電壓均為400 V，經(jīng)出口斷路器、隔離開關(guān)后并接至1#主變壓器低壓側(cè)，經(jīng)主變升壓至10 kV，再經(jīng)熔斷器、負(fù)荷刀閘后“T”接至電站附近的10 kV那降線并入隆安縣農(nóng)網(wǎng)。2#站用變負(fù)責(zé)電站廠房及水庫管理所用電。

圖1 那降水電站電氣主接線

那降水電站采用控制、保護(hù)、勵(lì)磁、開關(guān)一體化屏外加調(diào)速裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)組控制功能[1]，發(fā)電機(jī)采用自并勵(lì)的晶閘管勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制方式，勵(lì)磁用的勵(lì)磁變、晶閘管及二極管模塊、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器以及相應(yīng)開關(guān)儀表均集中在一體化屏內(nèi)，屬于單機(jī)容量800 kW以下農(nóng)村小型水電站低壓機(jī)組常用的勵(lì)磁方式。

那降水電站新發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行后，多次出現(xiàn)無法起勵(lì)建壓，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電壓以及輸出電流大幅度擺動(dòng)，發(fā)電機(jī)集電環(huán)的滑環(huán)與碳刷接觸處出現(xiàn)較大火花等典型勵(lì)磁故障現(xiàn)象，直接影響到機(jī)組的發(fā)電運(yùn)行和電站的生產(chǎn)安全，現(xiàn)結(jié)合上述故障的處理，總結(jié)并介紹小型水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁故障的檢查與處理辦法。

2 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路工作原理

那降水電站發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路如圖2 所示，由勵(lì)磁主電路、起勵(lì)回路、勵(lì)磁自動(dòng)調(diào)節(jié)控制單元等組成。

2.1 勵(lì)磁主電路

由空氣開關(guān)QF1、勵(lì)磁變壓器LB、主熔斷器FU5～7、三相半控橋式整流電路（二極管D1～3、晶閘管VT1～3及相應(yīng)的過壓RC保護(hù)組成）、整流電源輸入端過壓保護(hù)（熔斷路FU1～3、壓敏電壓RF1～3 組成）、整流電源輸出端過壓保護(hù)（熔斷器FU4、壓敏電阻RF4組成）、滅磁二極管D4組成。

2.2 起勵(lì)電路

由開關(guān)QF2、起勵(lì)控制開關(guān)SA、中間繼電器ZJ、整流二極管D5 等組成，開機(jī)時(shí)可通過此回路實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)起勵(lì)升壓，一旦發(fā)電機(jī)建壓成功，ZJ動(dòng)作，其常閉觸點(diǎn)將起勵(lì)回路切斷，由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制。

2.3 勵(lì)磁自動(dòng)調(diào)節(jié)控制單元

勵(lì)磁自動(dòng)調(diào)節(jié)控制單元包括電壓互感器TV1、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)電流反饋用電流互感器TA 和電阻Rf 等組成。發(fā)電機(jī)出口端A、B、C 三相電壓經(jīng)熔斷器FU8～10 輸入到三相測(cè)量電壓互感器TV1，其Y形接法輸出A1、B1、C1、N1（線電壓41.6V）接至DKL-11 型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器端子，一是為勵(lì)磁調(diào)節(jié)器提供工作電源；二是為晶閘管提供同步控制基準(zhǔn)信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)晶閘管導(dǎo)通角的精準(zhǔn)控制。另一組△接法輸出A2、B2、C2（線電壓17V）接至發(fā)電機(jī)勵(lì)磁測(cè)量端子，其中，發(fā)電機(jī)C相電流經(jīng)電流互感器TA1、TA2兩次轉(zhuǎn)換后并至Rf 兩端，所形成的電壓疊加在B2電壓回路中，從而形成發(fā)電機(jī)電流反饋，讓勵(lì)磁調(diào)節(jié)器在發(fā)電機(jī)負(fù)荷增減時(shí)自動(dòng)增減發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流。

圖2 那降水電站發(fā)電機(jī)勵(lì)磁原理圖

勵(lì)磁調(diào)節(jié)數(shù)字電位器用于調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，從而實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)前發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)和發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后無功功率調(diào)節(jié)，也可通過安裝在一體化屏上的按鈕SB1、SB2實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)。

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器根據(jù)所測(cè)量到的發(fā)電機(jī)電壓（B 相含電流反饋值）和給定值計(jì)算出勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)值，結(jié)合同步控制基準(zhǔn)信號(hào)自動(dòng)生成三相晶閘管的觸發(fā)控制信號(hào)G1～3 輸出至VT1～3 的觸發(fā)端子，實(shí)現(xiàn)對(duì)三相半控橋式整流電路輸出電流的控制。

整流電路輸出的直流電經(jīng)分流器FL 和勵(lì)磁電纜接至發(fā)電機(jī)集電環(huán)的碳刷處，再由滑環(huán)引至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁線圈，一體化屏上安裝的電流表A和電壓表V用于顯示勵(lì)磁電流值和電壓值。

3 那降水電站發(fā)電機(jī)故障的原因

那降水電站自并網(wǎng)運(yùn)行后，多次在長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)后集電環(huán)與碳刷的接觸面生銹（集電環(huán)材料存在質(zhì)量問題），導(dǎo)致發(fā)電機(jī)工作時(shí)集電環(huán)與碳刷接觸不良，在集電環(huán)處出現(xiàn)火花、勵(lì)磁電流和空載電壓不穩(wěn)定等現(xiàn)象，需要進(jìn)行除銹處理才能正常工作；兩次出現(xiàn)無法起勵(lì)建壓情況，一次是運(yùn)行人員在拆除集電環(huán)勵(lì)磁電纜處理集電環(huán)銹蝕問題后，回裝時(shí)將正負(fù)極電纜裝反，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子剩磁消失而無法建壓，一次是長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)后，發(fā)電機(jī)開機(jī)時(shí)殘壓過低而無法建壓；出現(xiàn)過一次C相晶閘管控制極導(dǎo)線在端子處接觸不良，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后勵(lì)磁電流及發(fā)電機(jī)輸出電流大幅度擺動(dòng)、發(fā)電機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)異常尖叫聲的嚴(yán)重事故，直接影響到機(jī)組的安全。

那降水電站發(fā)電機(jī)上述故障，在小型水電站中較為普遍，如何在故障發(fā)生后，更快更準(zhǔn)地找出故障原因和故障部位，需要掌握故障排查及試驗(yàn)方法，下面結(jié)合圖2的勵(lì)磁原理圖，介紹那降水電站發(fā)電機(jī)勵(lì)磁故障排查及試驗(yàn)的方法。

4 發(fā)電機(jī)典型勵(lì)磁故障排查及試驗(yàn)方法

小型水輪發(fā)電機(jī)常見的勵(lì)磁故障包括發(fā)電機(jī)無法起勵(lì)建壓、發(fā)電機(jī)集電環(huán)出現(xiàn)火花、發(fā)電機(jī)工作聲音異常、空載勵(lì)磁不穩(wěn)定、空載電壓不穩(wěn)定或無法調(diào)至額定電壓、并網(wǎng)后勵(lì)磁電流不穩(wěn)定等，可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行排查。

4.1 發(fā)電機(jī)絕緣電阻的檢測(cè)與處理

發(fā)電機(jī)一旦出現(xiàn)上述故障，應(yīng)先檢查并測(cè)量發(fā)電機(jī)定子及轉(zhuǎn)子線圈的絕緣電阻。對(duì)于400 V的低壓發(fā)電機(jī)，先拆除其對(duì)外連接電纜，再使用500 V兆歐表測(cè)量發(fā)電機(jī)定子線圈相間及對(duì)地、轉(zhuǎn)子線圈對(duì)地的絕緣電阻，所測(cè)絕緣電阻均不小于0.5 MΩ，如果絕緣電阻為零或過低，說明發(fā)電機(jī)線圈及其引線絕緣有破損，甚至出現(xiàn)了短路或接地，必須進(jìn)行維修才能使用；如果僅是絕緣電阻偏低，說明發(fā)電機(jī)受潮，應(yīng)先進(jìn)行烘干處理，待絕緣電阻恢復(fù)正常后再使用。

4.2 發(fā)電機(jī)集電環(huán)出現(xiàn)火花故障的檢查與處理

發(fā)電機(jī)集電環(huán)出現(xiàn)火花故障的原因大多是因?yàn)闄C(jī)組長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)后，滑環(huán)與碳刷的接觸面生銹，或者機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，造成滑環(huán)表面磨損不均勻，與碳刷接觸面出現(xiàn)溝痕，導(dǎo)致滑環(huán)與碳刷接觸不良，在發(fā)電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生火花，同時(shí)勵(lì)磁回路電阻不斷變化，造成勵(lì)磁電流波動(dòng)，影響到機(jī)組的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。

因此，在日常運(yùn)行維護(hù)工作中，要注意檢查集電環(huán)部位，及時(shí)清掃日常運(yùn)行產(chǎn)生并累積在集電環(huán)處的碳粉，以免因空氣潮濕導(dǎo)致轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路絕緣電阻下降甚至短路；定期或不定期采用120 目粗砂紙打磨滑環(huán)表面，一是去銹，二是修復(fù)滑環(huán)表面損傷，確?；h(huán)與碳刷接觸良好。

4.3 發(fā)電機(jī)無法起勵(lì)故障的排查及處理

自并勵(lì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓需要以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極剩磁為基礎(chǔ)來建立[2]，并通過起勵(lì)回路來實(shí)現(xiàn)，因此，發(fā)電機(jī)無法起勵(lì)故障排查應(yīng)先按上述方法排除發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子內(nèi)部、勵(lì)磁主電纜連接以及集電環(huán)處的問題，如屬正常，則應(yīng)是發(fā)電機(jī)起勵(lì)回路故障或發(fā)電機(jī)剩磁不足的問題。

根據(jù)圖1接線，正常開機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)電機(jī)定子線圈會(huì)切割轉(zhuǎn)子磁極剩磁形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，感應(yīng)出三相交流電動(dòng)勢(shì)，簡(jiǎn)稱“殘壓”，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，殘壓一般達(dá)到7 V（線電壓）以上，此時(shí)合上QF2，把SA轉(zhuǎn)至“起勵(lì)”位，發(fā)電機(jī)出口的殘壓UBC經(jīng)D5進(jìn)行半波整流后直接送至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組，從而形成勵(lì)磁電流，迅速增強(qiáng)轉(zhuǎn)子磁極的磁場(chǎng)強(qiáng)度，發(fā)電機(jī)的出口電壓也就迅速上升并給勵(lì)磁主回路、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器提供了工作電源，最后由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)控制發(fā)電機(jī)出口電壓在額定電壓附近，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的自并勵(lì)建壓。

正常開機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)，使用萬用表檢測(cè)發(fā)電機(jī)出口的殘壓，如達(dá)到7 V 以上也無法建壓，則重點(diǎn)按圖2排查起勵(lì)回路各元件的完好性和起勵(lì)回路內(nèi)部接線的可靠性；如果殘壓偏低無法建壓，可能是發(fā)電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極剩磁不足，此時(shí)在發(fā)電機(jī)空轉(zhuǎn)情況下，臨時(shí)采用12 V 蓄電池，將其正負(fù)端短時(shí)接至勵(lì)磁電纜的正負(fù)端（圖3 中的L+、L-處，不能采用固定連接方式，以免發(fā)電機(jī)起勵(lì)成功，過高的勵(lì)磁電壓接至蓄電池導(dǎo)致設(shè)備損壞），使用外部直流電源來起勵(lì)，發(fā)電機(jī)正常工作后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的剩磁會(huì)恢復(fù)起來。

在實(shí)際故障處理中，也碰到維護(hù)人員將勵(lì)磁電纜正負(fù)端在集電環(huán)處回裝時(shí)接錯(cuò)了極性，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)起勵(lì)時(shí)，起勵(lì)電流對(duì)轉(zhuǎn)子磁極剩磁產(chǎn)生了去磁作用，殘壓會(huì)越來越低直至為零，此時(shí)只能采用上述方式，外接蓄電池輔助發(fā)電機(jī)起勵(lì)實(shí)現(xiàn)建壓。

4.4 發(fā)電機(jī)空載勵(lì)磁不穩(wěn)定故障排查及處理

發(fā)電機(jī)在空轉(zhuǎn)狀態(tài)下能起勵(lì)，但起勵(lì)后勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電壓不穩(wěn)定，常伴隨著發(fā)電機(jī)電磁聲音異常，發(fā)電機(jī)出口電壓不穩(wěn)定或電壓過低、無法調(diào)至額定電壓等現(xiàn)象。為了更好地縮小故障排查范圍，找出故障原因，可采用模擬發(fā)電機(jī)工作的試驗(yàn)方式進(jìn)行，接線如圖3，方法步驟如下:

（1）在一體化屏內(nèi)拆除發(fā)電機(jī)出口電纜A、B、C三相接線以及勵(lì)磁電纜L+、L-兩根接線，確保發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子與外部連接斷開；采用3根導(dǎo)線旁路短接發(fā)電機(jī)出口斷路器QF；在勵(lì)磁出口端并接一個(gè)2 kW電爐絲用作發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的模擬負(fù)載R，見圖3。

（2）合上QS，將電網(wǎng)的電倒送至發(fā)電機(jī)出口斷路器下方，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制回路獲得工作電源并處于勵(lì)磁自動(dòng)調(diào)節(jié)控制狀態(tài)，其控制的三相橋式整流電路輸出的勵(lì)磁電流經(jīng)模擬負(fù)載R構(gòu)成閉合回路，讓勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制回路工作于發(fā)電機(jī)工作的模擬狀態(tài)，并可通過增/減磁操作實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)。

（3）使用萬用表檢測(cè)熔斷器前后電壓、勵(lì)磁變LB 低壓側(cè)電壓、整流橋輸入三相電壓、3 個(gè)晶閘管觸發(fā)電壓、電壓互感器TV1 輸出電壓、勵(lì)磁輸出電壓與正常工作電壓進(jìn)行比對(duì)和判斷。

（4）如果在模擬狀態(tài)下，勵(lì)磁電流穩(wěn)定可調(diào)，那說明故障原因不在一體化屏內(nèi)，而是發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障或集電環(huán)處接觸不良等原因引起的；如勵(lì)磁電流也不穩(wěn)定，則可能是熔斷器熔斷、某一晶閘管或二極管損壞、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器內(nèi)部故障導(dǎo)致某一相沒有觸發(fā)脈沖信號(hào)、勵(lì)磁調(diào)節(jié)電位器故障導(dǎo)致其輸出給勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的控制信號(hào)不穩(wěn)定等原因引起，此時(shí)可通過模擬工作狀態(tài)下各處電壓信號(hào)的檢測(cè)和比對(duì)找到故障元件，特別是能快速判斷出是否勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的內(nèi)部故障，提高檢修的效率。

4.4 發(fā)電機(jī)帶負(fù)載勵(lì)磁不穩(wěn)定故障排查及處理

如果發(fā)電機(jī)在空載下起勵(lì)及建壓正常，工作穩(wěn)定，在并網(wǎng)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)勵(lì)磁電流不穩(wěn)定、發(fā)電機(jī)無功功率不斷變化、發(fā)電機(jī)電磁聲音異常的現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮與帶負(fù)載運(yùn)行有關(guān)的設(shè)備或元件出現(xiàn)了故障，根據(jù)圖2和發(fā)電機(jī)工作原理，可能的原因有:

（1）反饋電阻Rf 接觸不良或電流互感器TA 故障，引起勵(lì)磁調(diào)節(jié)器檢測(cè)到的B相電壓不穩(wěn)定，影響到B相晶閘管的控制，最后導(dǎo)致勵(lì)磁電流不穩(wěn)定故障的出現(xiàn)。

（2）發(fā)電機(jī)內(nèi)部存在故障，空載和并網(wǎng)時(shí)，發(fā)電機(jī)工作聲音均與平常有較大差別，甚至?xí)谢鸹ǔ霈F(xiàn)。

（3）發(fā)電機(jī)外部故障，包括三相負(fù)載電流不平衡、中性點(diǎn)電流過大等原因。

圖3 那降水電站發(fā)電機(jī)勵(lì)磁故障排查試驗(yàn)接線圖

5 結(jié)語

小型水電站發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)是水電站機(jī)組故障率較高的設(shè)備，本文結(jié)合那降水電站發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)故障的維修，介紹了水電站低壓發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成，總結(jié)了典型故障的排查及分析處理方法，在難以快速甄別發(fā)電機(jī)內(nèi)部及其引出線故障還是勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制部分故障的情況下，提出了發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)模擬試驗(yàn)方法，使用模擬負(fù)載和電網(wǎng)電壓來對(duì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制部分進(jìn)行試驗(yàn)，為故障判斷提供良好的檢測(cè)條件，可幫助維修人員快速判斷發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)故障的部位或元件，可在小型水電站中推廣使用。