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一起“二级励磁”方式水轮发电机启励过电压原因分析

发表时间：2020/1/9 来源：《电力设备》2019年第19期作者：苏有权段宝仓魏春龙

[导读] 摘要：同步电机的励磁系统是同步发电机的重要组成部分，励磁系统在实际运行过程中出现故障时将直接威胁到水电站机组的安全运行[1]，尤其特殊原因导致的励磁系统异常情况，需要准确快速地查清动作原因，以最快的速度恢复设备运行。

        （国家电网公司东北分部绿源水力发电公司太平湾发电厂辽宁省丹东市 118000）
        摘要：同步电机的励磁系统是同步发电机的重要组成部分，励磁系统在实际运行过程中出现故障时将直接威胁到水电站机组的安全运行[1]，尤其特殊原因导致的励磁系统异常情况，需要准确快速地查清动作原因，以最快的速度恢复设备运行。本文介绍了某发电厂1#机组启励试验时定子过电压动作的经过及详细分析过程，并根据现场实际情况采取了相应的处理措施,确保了发电机励磁系统的稳定运行,提高了发电机安全运行的可靠性。
        关键词：励磁系统；过电压；动作；分析
        0 引言
        该水力发电厂共有四台水轮发电机组，单机容量47.5MW，机组出口电压10.5kV，机组励磁方式采用“具有励磁机的他励静止励磁”系统，为典型的“二级励磁”方式。在#1机组大修后进行零起升压过程中，机组一启励就发生发电机定子过电压故障，发电机过电压保护动作跳开灭磁开关并逆变灭磁，试验被迫中止。
        1 发电机“二机励磁”工作方式
        该电厂为老旧电厂，机组励磁方式采用带有励磁机的他励方式，整个励磁系统由励磁装置、励磁机和发电机三级系统组成，为典型的“二机励磁方式”，其励磁系统接线图如下：

        图1 励磁原理图
        Fig.1 Excitation Principle
        该系统中，GE为发电机励磁机，在其定子绕组中设置有正、负两个绕组，励磁装置采用正、反两个IGBT开关管，可在高电压下导通，并在大电流下关断[2]，其输出分别对应励磁机的正、负绕组。整个励磁系统的工作逻辑为：励磁控制器检测外回路接入至装置内的电压、电流值，计算出发电机在并网状态和空载状态下的无功和机端电压有关数据，结合监控系统、手动操作指令，控制IGBT开关管开关角度，输出控制电流，接入对应的励磁机正、负绕组，随着励磁机转子转动，正、负绕组内的电流在励磁机转子中感应出一定频率的交流电，通过励磁机整流子整流后，变为直流电，接入发电机转子，做为最终励磁电源。正组IGBT和反组IGBT与励磁机的正、负绕组连接时，极性不同，正组IGBT工作时，使励磁机增磁，反组IGBT工作时，由电枢电流在转子中产生去磁效应，从而使输出电压下降[3]，使励磁机减磁，从而实现了对发电机的励磁调节。
        2 过电压保护设置
        根据继电保护整定计算导则及有关规程要求，该机组为水力发电机组，单机容量不大于50MW，发电机允许定子过电压能力为额定电压的150%，动作时间0.5秒，动作结果为全停。
        表1 发电机过电压保护整定值
        Table.1 over-voltage protection setting

        3 过电压发生过程
        该机组A级检修完毕后正常进行并网前相关试验，在进行零起升压试验时，励磁系统一启励就出现发电机定子过电压故障，保护装置动作停机，试验被迫中止，重复试验一次，存在同样问题。在过电压动作过程中观察，机组启励后，反组IGBT即参与工作，输出电流约5A（满刻度20A）左右，励磁控制器动作正常，但发电机励磁电压不能很好地得到抑制，电压一直在上升，反组IGBT持续输出电流进行减磁，并且输出电流逐渐增大，但发电机电压始终不能得到抑制，在很短时间内就达到过电压定值，保护装置动作停机，跳开灭磁开关，试验中止。
        励磁装置一启励就造成发电机过电压，并且整个升压过程中电压得不到抑制，这样的故障在该厂从未出现过，需要从励磁装置、励磁主回路、励磁机、发电机、保护装置等多方面进行检查，找出故障原因，确保该机能正常运行。
        4 故障分析及检查
        针对试验中发生的机组启励遂引起发电机定子过电压保护动作停机的故障，经讨论研究，决定对系统做如下检查分析：
        4.1 保护回路检查及功能试验
        因试验时故障过程进展快，现场人员只从相关表计观察，没有用仪器对试验中观察的数据进行核正，所以首先需排除电压测量回路及保护装置存在问题的可能。
        机组A级检修时对励磁、保护装置接入的电压互感器不同绕组均做了变比试验，试验数据满足规程要求，数据如下：
        表2 电压互感器变比实测值
        Table.2 PT ratio measurement

        对发电机过电压保护重新进行通入模拟量试验，所得试验数据如下：
        表3 发电机过电压保护实测值
        Table.3 over-voltage protection measurement

        经过检查，保护装置、电压互感器以及相关二次回路未发现异常。
        4.2 装置强励功能检查
        为确定过电压的原因，需考虑是否是发电机强励动作导致发电机过电压，故转而对励磁装置强励功能进行检查。在该型励磁装置中，强励限制主要采用了反时限特性的限制曲线，该曲线具有励磁电流和强励时间呈反比动作的特性，目的是为了防止发电机不因长时间强励而损坏。励磁装置中固有的强励反时限曲线特性如图2所示：
        其中：纵轴If为强励顶值时的励磁电流标么值，最大为2，横轴上的10S为强励时间，表示强励至2倍的励磁电流时允许最长的励磁时间为10秒；Ify为允许长期连续运行的励磁电流倍数，现场实际定值为1.1，表示励磁电流在1.1倍额定电流条件下可以允许长期连续运行。

        图2 强励反时限曲线
        Fig.2 Forced excitation limit curve
        在该次故障中，发电机试验只进行到发电机建压阶段，机组没有并网，未曾和电力系统有直接联系，况且试验过程中，装置内强励功能在退出状态，不具备强励动作的条件，可以排除因强励动作导致发电机过电压的可能。
        4.3 励磁系统小电流开环试验
        在以上对过电压保护、励磁系统测量回路和装置内部参数检查均没有发现任何异常的情况下，为了进一步查明过电压原因，决定对励磁装置进行小电流开环试验，以检查励磁装置工作是否正常。小电流开环试验是检验励磁装置本身工作是否正常的模拟试验，即将发电机励磁回路与调节器的输出回路断开，将两个大瓦数小阻值的电阻接入调节器的输出回路做负载，模拟励磁机正、反绕组，形成励磁装置至模拟电阻的电流闭环回路，用于检查IGBT输出的完好性。按试验方案正确进行试验接线后，用电流环方式手动操作使励磁调节器线性缓慢输出电流，检测IGBT工作状态，测量输出波形。在进行增磁操作时，正组IGBT工作正常，输出波形正常；进行减磁操作时，反组IGBT工作正常，输出波形正常，由此可以确定励磁装置本身并无异常。
        4.4 励磁回路检查
        在对励磁测量回路，励磁装置，保护装置进行详细的检查后，并未发现异常存在，由此可以判定此次试验时发生的故障和相关二次回路、励磁装置、保护装置本身没有关系，由此将检查重点转到励磁装置至励磁机和发电机转子的接线检查上。励磁机至发电机之间的连接线为硬连接，利用铜芯电缆直接连接，A及检修时断开和接引简单，存在问题的可能性较小，所以将检查的重点放在励磁装置输出至励磁机的接线方面。该套励磁系统输出至励磁机的接线有两个回路，分别是增磁回路和减磁回路。增磁回路由装置正组IGBT和励磁机正绕组组成，减磁回路由装置反组IGBT和励磁机负绕组组成，励磁机正、负绕组在接线时极性相反，简易接线图如下：

        图3 正负绕组正常接线图
        Fig.3 Normal wiring of positive and negative windings
        正常情况下，正组IGBT输出接至励磁机正绕组极性端，反组IGBT输出接至励磁机负绕组非极性端，这样就保证了励磁机正绕组里流过电流时起到给发电机增磁的作用，而励磁负绕组里流过电流时起到给发电机减磁的作用。
        回路检查中，用两节干电池和一块电流表制作了简易的“点极性装置”，在励磁装置输出端断开装置至励磁机正、负绕组的接线，瞬间将干电池接入回路中，将电流表接入励磁机转子回路，利用电流表指针的偏转方向来判断绕组极性接线是否正确。在检查至负绕组接线时，发现电流表指针偏转方向和正绕组偏转方向一致，由此判断励磁装置正、反组IGBT至励磁机绕组的接线有一组极性肯定接反。遂打开发电机风洞入口，进入励磁线缆转接箱内，按技术图纸仔细进行核查，发现A修时技术人员将反组IGBT输出应接至励磁机负绕组非极性端的线接在了极性端，而将应接在极性端的线接在了非极性端，错误的接线图如下：

        图4 正负绕组错误接线图
        Fig.4   error wiring of positive and negative windings
        由此接线错误，也应证了机组进行零启升压试验时存在的异常现象。当励磁装置零启建压时，装置会自动将励磁电压稳定在一个基本范围内，这时候减磁回路的正常工作尤为重要。此次异常中，启励后装置为了稳定机组电压，使装置反组IGBT工作，用以减少励磁，但实际接线中将励磁机负绕组极性接反，致使反组IGBT加入到励磁机负绕组内的电流发挥了增磁的作用，励磁装置检测到励磁电压不降反增，遂继续增加反组IGBT电流用以减磁，反而使机组电压上升更快，形成了“电压上升、增磁、继续上升、继续增磁”的非正常控制模式，致使机组电压短时间内达到过电压定值，保护动作跳闸。更正接线后继续试验，未发现异常情况，机组试验完毕后成功并网投运。
        5 结论
        发电机零起升压试验，是发电机并网前的最后一项试验，若零起升压试验过程中，无任何异常现象发生，则认为发电机组一切正常，待与电网同期后即可并入电网。从此次零起升压故障可以看出，#1发电机过电压保护动作是一起人为接线错误造成的发电机故障，因此，在电厂的现场实际中，运维、检修人员不仅要重视励磁装置在正常情况时的运行状况，更重要的是在装置进行检修后，也要重视对检修质量的检查确认和二次回路的检查复核，确保整套系统能正常工作，有效保证发电机和电网的安全可靠运行。
        参考文献
        [1]唐凡，杨永洪.大型水电站励磁系统可控硅击穿故障分析.水电自动化与大坝监测.2015，04，第39卷第2期.
        [2]张月梅,黄建国,张羽丰.影响IGBT驱动电路性能参数的因素分析.电子元器件应用,2010,12（12）：88—91.
        [3]穆兴华，徐明宇，齐超等.三机励磁系统模型参数辨识与分析.黑龙江电力.2015，12，第37卷，第6期.