王福斌
中电建水电开发集团有限公司，四川，成都 610041
[摘 要]某水力发电厂因直流电源失压消失，引发某水轮发电机组失磁异步运行，局部过流造成其励磁装置灭磁柜及转子阻尼绕组等部件损坏，励磁装置的运行工况可由失脉（工作电源消失）到转子过电压（调节器失控、发电机异步运行），再经历灭磁（触发跨接器动作）进一步导致转子回路烧断。本文从事发前、后励磁系统运行工况开展计算，利用数据进行全面分析，研究励磁系统在本次事故中每个阶段的的暂态本质。
关键词：励磁装置 逆变角 控制角
1概况
水力发电厂管辖A和B共2个水电站，以及与之配套的送出工程“四线一站”，两站各3台，共6台机组，总装机360MW，架设220kV送出线路80km，220kV开关站一座。
A电站采用低闸高水头引水式电站，于2007年8月23日正式并网投入商业运行。A电站1#机组、2#机组、3#机组分别通过1#主变压器、2#主变压器、3#主变压器升压至220kV接入GIS楼220kV母线。
B电站是引水式电站，于2011年7月21日正式并网投入商业运行。B电站1#机组、2#机组为扩大单元，通过1#主变压器升压至220kV；3#机组为单元接线，通过2#主变压器升压至220kV，汇流成A电站GIS楼220kV母线，后经“π型”并入A电站GIS楼220kV母线；再通过220kV线路送至220kV某开关站。
2计算分析
2.1依据
主要包括：发电机铭牌；励磁变压器铭牌以及分接档位；励磁系统接线方式（见附图）；事发前后有关运行参数；《GER3000系列励磁系统技术说明书》等。
2.2公式引用
2.2.1励磁电压与控制角的关系:
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2.3数据引用
2.3.1发电机铭牌参数：额定容量Sfe=68.57MVA；额定有功功率Pfe=60MW；额定功率因数COSΦ=0.875（滞后）；额定电压Ufe=13800V；额定电流Ife=2868A；额定励磁电压Ude=100V；额定励磁电流Ide=1377A；空载励磁电压Udo=59.3V；空载励磁电流Ido=817A。
2.3.2励磁变压器铭牌参数；额定容量Sbe=630KVA；额定电压（一次侧）U1le=14490V（Ⅰ档），14145V（Ⅱ档），13800V（Ⅲ档），13455V（Ⅳ档），13110V(Ⅴ档）;额定电流（一次侧）I1le=26.4A；额定电压（二次侧）U2le=250V；额定电流（二次侧）I2le=1458A。现场运行Ⅲ档。
2.3.3事发前发电机运行参数：有功功率P=55.3MW；无功功率Q=－2.9MVar；定子电压Uf=12800V；定子电流If=2422A；转子电压Ud=58.1V；转子电流Id=922.6A。
2.4.事发前励磁系统运行工况计算分析
2.4.1调节器工作电源。从《GER3000系列励磁系统技术说明书》查得：交、直流并联供电。稳压电源A套和B套的电源完全独立。
工作电源工作范围：交流输入220V±15%（187-253V），直流输入220V±20%（176—264V）。调节器能正常工作。
2.4.2控制角、逆变角。利用公式1、2、4求得：
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分析：根据以上计算可见，一方面从励磁装置看，控制角较大，裕度不足，功率因数偏低（仅有0.1776），运行工况欠佳；另一方面从发电机看，励磁电压、电流尚有空间（分别仅占额定的58.1%、67.0%），在近区其它负荷的共同作用下，在发电机机端出现无功缺额现象（定子电压、电流分别仅占额定的92.75%、84.45%，且有功、无功功率分别仅占额定的92.17%、-8.73%）。因此，在当时现有情况下，可以首先从改善励磁装置运行工况着手，在确保发电机定子、转子电流及温升不超限条件时，尽量减小控制角，增加励磁电流，从而改善励磁装置功率因数，进一步缓解无功缺额。否则，宜通过调整励磁变压器分接开关档位来辅助实现，具体档位须经现场试验确定。
2.5事发后励磁系统运行工况计算分析
2.5.1调节器柜
1）电源系统（PSM）
根据《GER3000系列励磁系统技术说明书》查得：电源系统由电站提供的AC220V和DC220V通过双重供电板给电源模块供电，共生成+5V、12V和+24V四个等级电源，其中：24V电源为内部继电器用操作电源和脉冲触发电源；+5V、12V三个等级电源均为控制器内部电路板用电源。电源工作范围：交流输入220V±15%（187-253V），直流输入220V±20%（176—264V）。电源系统功耗小于200瓦。
事发前，DC220V系统电压实为浮充电压。从事发后对蓄电池的放电试验看，其放电曲线较陡，表明亏电严重。
事发后，因厂用AC220V迅速中断，双重供电迅速演变为单一DC220V电源供电。励磁装置电源系统类似于站内其他电子设备如监控系统、保护系统等，其工作电压也伴随着蓄电池端电压的快速下降，因低于自身的最小工作电压而中断正常工作。因现场无条件试验确定，励磁装置电源系统直流最小工作电压无法判断。
2）控制系统（EU-32）
根据《GER3000系列励磁系统技术说明书》查得：调节器柜主要包括两套EC-32控制器、脉冲功放箱以及继电器箱组成。其中EC-32控制器重要部件有：中央处理单元（MCU、DSP）、高速A/D模块（ACI）、D/A模块、I/O模块（CIO）等，脉冲功放箱重要部件：脉冲放大板（POM）。
励磁装置电源系统工作电压降低甚至消失后，其后果是：
—+5V中断：中央处理单元“死机”（EU-32控制器的核心部件MCU、DSP、高速A/D转换器等停止工作），内特性是程序进程停滞、中断；外特性是发电机机端三相电压和三相电流、转子电流和系统电压等电气参数不确定）；
—12V中断：中央处理单元“失明”（状态信息不定态，开关输入输出I/O模块停止工作）；
—24V中断：失控和失脉（内部继电器无法动作因而无法操控、
脉冲放大板停止工作因而丢失脉冲。注：触发脉冲为双窄脉冲形式）。
励磁控制系统的“死机”、“失明”、失控和失脉，意味着失去以下主要功能：
—调节及控制功能；
—限制和保护功能；
—其他辅助功能。
分析：励磁装置调节器因电源系统工作电压降低甚至消失，其内特性是：程序中断、继电器无法操控、触发脉冲丢失，以及失去信号监视等；其外特性是：调节器发生失控和失脉现象。这也是因厂用电中断及直流消失引起事件进一步恶化的助推剂。
2.5.2功率柜
根据《GER3000系列励磁系统技术说明书》查得：励磁系统由两个TYR-1500L型可控硅整流装置构成，从而实现增、减励磁电流的目的。其核心是三相全控可控硅整流桥。
1）失脉前
我们知道，根据三相全控桥式整流电路的工作原理，当60°<α<120°时，+A相、-C相可控硅导通，若忽略管压降，则直流输出电压为：ud=uAC。（uAC为励磁变压器副边电压）。
可作如下变换，得出发电机转子电压、电流与定子电压之间瞬时值变化关系：
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式中：（控制角），取不同的控制角，则有不同的转子电压、电流，这就是励磁调节的作用。失脉前，控制角α=79.25°
2）失脉后
依据可控硅的开关特性及在转子绕组的续流作用下，可以明确：失脉后，导通的可控硅继续维持导通，关断的可控硅继续维持关断。
即失脉后，可控硅丧失了开关特性，发电机机端电压通过励磁变压器直接施加于转子，并随着机端电压变化而变化。
依关系式1、公式5，并结合前述励磁变压器电压、电流计算成果，可以计算出失脉初期转子电压、电流：
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通过可控硅及快熔的电流为：752.35/2=376.175A。
根据《GER3000系列励磁系统技术说明书》查得：可控硅反向峰值电压3000-4500V，快熔熔断器参数1400A。
从以上计算可得出：失脉初期，转子回路出现过电压现象，转子电压为额定的231.88%，初期能量将被阻容回路加以吸收，但将伴随发电机的失步而加剧。在此过程中，可控硅一直承受来至转子回路的过电压，直至其回路烧断为止。
失脉初期，流过快熔器（+A相、-C相）的电流不大，376.175A<1400A，暂时不会熔断。但随着发电机进入异步运行，励磁变压器过电流，可能会相继熔断，何时熔断由其安秒特性决定。这也是功率柜未烧毁的原因。
分析：失脉初期，转子回路出现过电压现象，但过电压水平不高，其过电压能量几乎可以被阻容回路加以吸收；转子回路电流未超限，快熔器不会熔断。但随着发电机的失步而加剧，转子回路过电压、过电流将加剧，可以视快熔器是否熔断作为分界点，研究发电机工况变化情况。失脉后期，灭磁柜伴随着发电机失步全过程。
2.5.3灭磁柜
根据《GER3000系列励磁系统技术说明书》查得：采用LMC-1600型灭磁及过电压保护装置，主要由灭磁开关、灭磁电阻、过电压保护及起励装置组成。其中灭磁开关的作用是快速分断磁场电流并在断口快速建立弧电压，灭磁电阻的作用是在灭磁开关建压过程中使灭磁电阻导通消耗磁场能量，同时使磁场开关断口熄弧。
1）灭磁开关
灭磁开关采用DMX-1600A/800V，其额定电流为1600A，电压800V。
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图中RV1为灭磁用非线性电阻，RV2、RV3分别为转子侧和可控硅侧过电压保护用非线性电阻，RD1,RD2,RD3为串联快熔。FMK为灭磁开关。
从图1可见，灭磁开关共两个断口。灭磁开关跳闸条件：一是来自保护；二是来自人工（或远方）操作，否则一直处于合闸状态。因发电机保护系统同样面临厂用电中断和直流消失的过程，未发出跳闸信号；且现场无人员（或远方）操作，故一直处于合闸位。
灭磁开关承受的电压：一方面来自励磁变压器（正常运行、失脉初期）；另一方面来自转子异步电压。
灭磁开关通过的电流：失脉初期—来自励磁变压器，失脉后期是来自励磁变压器；二是来自转子异步功率。
2）灭磁电阻及过电压保护
根据《GER3000系列励磁系统技术说明书》查得：
灭磁电阻采用非线性电阻，非线性电阻容量设计为0.9MJ—144MJ，灭磁控制电压值为800V-1000V。过电压保护容量设计为20KJ，过电压保护动作值为1200V--1500V。
氧化锌非线性电阻的V-A特性具有如图2所示特性：
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非线性电阻承受耗的能容量不超过其工作耗能容量的80％。
自过电压触发跨接器启动后，来自于转子过电压、过电流能量被灭磁电阻消耗（见图1）。
从灭磁柜烧毁情况分析：事发过程中，转子过电压值显然超过过电压触发跨接器（图1中“控制”）动作值，可控硅导通（灭磁控制电压值为800V-1000V），投入灭磁电阻，消耗磁场能量；转子过电压值显然超过灭磁电阻过电压保护容量（设计为20KJ，过电压保护动作值为1200V--1500V），呈高阻态；同时，转子过电流值显然超过灭磁电阻热稳定容量（设计为0.9MJ—144MJ）（注：MJ-兆焦）。
分析：转子回路过电压触发跨接器（可控硅）的动作，灭磁电阻的投入，消耗了从系统吸收的大量无功功率，直至转子回路烧断。
结论：综上所述，励磁装置在事发后的运行工况应为：失脉（工作电源消失）→转子过电压（调节器失控、发电机异步运行）→灭磁（触发跨接器动作）→转子回路烧断。
3.结束语
根据励磁装置工作原理，励磁控制器工作电源均为交直流双套供电，保证供电可靠性。故障发生时，交、直流供电中断，励磁装置A、B套控制器均失电，失去调节控制作用，不再有控制可控硅的脉冲信号输出，可控硅整流桥不再换相，可控硅关闭，发电机失磁。此时，励磁自身保护失效，发电机保护因交、直流工作电源消失停止工作，也无法跳开出口断路器和灭磁开关，发电机进入大滑差失步运行状态。因转子绕组切割定子磁场，转子回路产生出交流过电压，加在灭磁回路过电压保护装置上，在大滑差运行时间较长的情况下，输入给过电压保护装置上的能量远超吸能极限容量，致使灭磁柜内非线性电阻过热击穿烧毁。本文在事发后通过对励磁系统的全面计算和分析，为同行业出现类似问题时提供了分析研究的思路和方法。
作者简介：
王福斌，男，1976年7月生，四川省广安人，1999年7月四川工业学院水利水电动力工程专业毕业本科，2014年6月西华大学水利水电工程研究生毕业，高级工程师、注册安全工程师，现就职于中电建水电开发集团有限公司安全生产监督管理部任处长、国家能源局电力安全生产标准化达标评级专家组成员、四川电力行业应急管理专家组成员，DL/T 817-2014等电力行业标准主要起草人之一，主要负责电力安全生产监督管理工作。
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