GMR3G型勵磁系統運行及故障分析

鄔海軍

(湖南省水運建設投資集團有限公司大源渡航電樞紐管理處，湖南 衡陽 421412)

GMR3G型勵磁系統運行及故障分析

鄔海軍

(湖南省水運建設投資集團有限公司大源渡航電樞紐管理處，湖南 衡陽 421412)

介紹了GMR3G型勵磁系統的結構及保護功能，分析了GMR3G型勵磁系統的高壓側隔離開關三相短路故障、勵磁開關故障、系統電壓異常故障及電子元器件老化故障，對GMR3G型勵磁系統的運行維護經驗進行了總結。

勵磁系統；高壓側隔離開關；勵磁跳閘；故障分析

1 概述

某水電站位于湖南省衡東縣境內湘江干流上，裝有4臺30 MW的燈泡貫流式發電機組，其額定電壓為10.5 kV，額定勵磁電壓為243 V，勵磁電流為899 A。勵磁系統采用了奧地利ELIN公司的GMR3G型微機數字式勵磁裝置，基本免維護設計；系統有完整的邏輯控制方式，包括勵磁啟動、勵磁退出、勵磁緊急跳閘、電壓環/電流環自動轉換、故障監測等以及完善的保護系統，如轉子過壓保護、交流過壓保護、交流阻容保護等。

2 GMR3G型勵磁系統的結構及保護功能

2.1 功能結構

GMR3G型勵磁裝置由勵磁變壓器和定子三相短路開關柜、勵磁系統控制柜等構成。機組勵磁為并激勵方式，該系統由勵磁開關QF1、三相高壓保險、勵磁變T1、三相全控可控硅整流橋、勵磁調節器、測量用電壓互感器、電流互感器、交直流回路保護系統、操作繼電器等組成。系統原理如圖1所示。

該系統整流橋采用奧地利ELIN公司的微機數字式勵磁調節器，型號為GMR3，其硬件結構如圖2所示。該勵磁調節器是一個多處理器的電壓調節和門控制單元，由1個電壓環(主)和1個電流環(從)組成。基本硬件由ELTAS(伊林牽引自動系統)組件組成，包括：1塊主處理器(MRB2)、3塊子處理器(Pr.A,B,C)、1塊數字輸入板(DE32)、1塊數字輸出板(DA32)、發電機電氣參數值處理板SAB及門脈沖觸發電路板。調節器作為電壓調節器，由1個主控制環(電壓)和1個從控制環(勵磁電流)組成。匹配變壓器隔離實際值(定子電壓UG、定子電流IG、勵磁電流IP、可控硅電壓USYN)被變換成低電壓，由電纜送入SAB板；在SAB板上，經處理后送至PIM單元的子處理器。

圖1 系統原理

子處理器C計算調節同步電機所需參數，計算結果經雙端口RAM(DPRC)送至主處理器MRB2。2個處理器都可進入雙端口存儲器，且相互獨立。主處理器的軟件用于電壓調節環(自動運行方式)、限制器、附加的調節器及對于正確操作很必要的完整的控制邏輯。

所有數字I/O板和額外系統的特殊模擬量I/O板也與主處理器單元相連。電壓調節環的輸出值經雙端口RAM(DPRB)送至PIM板上的子處理器B。子處理器B包含勵磁電流調節環(手動運行方式)。該調節環基于實際的磁場電流(經SAB模板記錄)和主處理器提供的信息，為可控硅脈沖計算觸發角。觸發角經DPRA送至子處理器A。子處理器A計算觸發脈沖。SAB模板上的晶體管電路放大脈沖，經電纜送至觸發變壓器(每個可控硅1只)。SAB面板上有1只開關，便于觸發脈沖的手動測試。數字量輸入及輸出用于控制和處理命令、反饋及報警。調節所需的所有模擬輸入輸出量在SAB板上變為有效可用的信號。附加的輸入AE8板、輸出AA8板作為可選項，可用于特殊的系統測試任務。

2.2 勵磁系統保護功能

GMR3G型勵磁裝置主要的保護功能有：勵磁變溫度高報警和溫度高跳閘、可控硅故障跳閘、交流過壓硒堆保護、轉子過電壓保護。這些保護裝置中的微動開關或繼電器動作，將發出1個勵磁系統緊急停止命令，將勵磁系統停運，并聯動跳發電機出口開關，確保主設備的安全。

圖2 數字式勵磁調節器GMR3硬件結構

3 GMR3G型勵磁系統的故障

該系統自1998年投運以來，運行比較穩定，除日常的清潔衛生和一些檢測項目外，基本上免維護。由于該系統具有強大的自檢功能和完善的保護系統，在設備的有效使用期限內完全能滿足水電站安全、穩定運行的要求。但在運行過程中，也曾出現過造成機組事故停機的故障。

3.1 高壓側隔離開關三相短路故障

勵磁變高壓側刀閘的最初設計為每次停機時由程序斷開，開機時再閉合。但在該電站第1臺機組投產初期，因系統事故造成發變組定子接地100 %保護動作，動作跳開勵磁開關及勵磁變高壓側刀閘，勵磁變高壓側刀閘在斷開時弧光造成三相短路，將勵磁變高壓側刀閘燒壞。

經分析故障原因為設計缺陷。勵磁變高壓側不能設置無任何滅弧裝置的隔離開關，因這種開關僅起到電壓隔離的作用，但起不到保護作用，反而增加了安全隱患。由于高壓側裝設高壓熔斷器作為勵磁變的保護，未考慮將隔離開關更換為斷路器的改進措施，而是將勵磁調節器程序重新修改，使得勵磁系統在正常停機和事故停機時只跳開滅磁開關，不斷開勵磁變高壓側的隔離開關。

3.2 勵磁開關故障

勵磁開關設計原理：滅磁開關合閘時，由勵磁調節器發1個合閘脈沖，使合閘線圈瞬間勵磁，合閘后靠機構的鎖定機構自鎖；跳閘時由勵磁調節器發1個跳閘脈沖，使跳閘線圈勵磁，帶動傳動機構解除閉鎖。但在該水電站投運初期，出現過幾次勵磁啟動合閘后勵磁開關馬上跳開的故障，對回路進行檢查未發現任何電氣問題。后來對滅磁開關的操作機構進行解體檢查，發現滅磁開關鎖定機構存在問題，在勵磁開關合閘后機構不能鎖住，勵磁開關又重新分閘。將機構調整后，勵磁開關動作正常。

3.3 系統電壓異常故障

該水電站系統電壓曾出現過如下故障：上位機發110 kV母線Ⅰ段電壓低，110 kVⅠ段母線PT計量電壓消失，報出110 kV母線Ⅱ段電壓低信號，造成1號、2號、4號機組事故停機故障。查看勵磁屏操作終端elterm GMR3告警信號，發現1，2及4號機均發AC電源故障信號。從勵磁邏輯圖上勵磁緊急跳閘矩陣分析，當勵磁系統發AC電源故障信號時，勵磁跳閘。從勵磁邏輯圖上勵磁故障檢測部分分析，因機組當時正在運行，勵磁變壓器高壓側勵磁刀閘在合上位置，發電機出口開關在合上位置，綜合分析AC電源故障信號，應為可控硅電壓故障。從GMR3G程序圖上分析，發電機電壓與可控硅同步電壓經過一個減法器(UGK-USYNIW)，其結果在限制器中與B+(P47=+00.2002)比較，如其值大于B+，則發可控硅電壓故障信號。

查看勵磁報警和跳閘原因列表，可控硅電壓故障出現有下列2種可能：

(1) 勵磁變壓器電壓太低；

(2) 調節器變壓器回路自動空氣開關+JD2-F0009跳開(同時發出報警“m.c.b跳閘”)，但勵磁屏無“m.c.b跳閘”顯示，由此可以判定為勵磁變壓器電壓太低，從而引起勵磁跳閘。

3.4 電子元器件老化故障

該水電站4號機因勵磁故障跳閘事故停機。故障時4號機帶20 MW有功負荷，2 MVar無功負荷;監控系統上位機顯示“4號G勵磁跳閘”紅色報警，4號機組“總報警”出口跳閘。現地檢查發現MRB2主處理器板RUN運行燈不亮， RESET復歸燈閃爍。現地多次斷電重啟，均不能正常啟動，更換該處理器板件并下載相關程序和參數后，即恢復正常。

此事故是因該板件連續運行15年后，元器件老化造成的，顯現出該套勵磁調節器無冗余配置的不足之處。

4 總結

GMR3G型勵磁系統在有效使用年限內完全能滿足水輪發電機的勵磁調節要求，但在使用過程中要根據現場具體情況認真進行分析比較，配備可靠的一次設備，確保系統的可靠運行。隨著使用年數的增加，將會出現電子元器件老化引起的故障，且故障頻率隨投運年數的增加而增加，需加強日常的維護，并對整個系統進行狀態評估，從技術、經濟角度來分析勵磁系統的可靠性和經濟性。

1 翟慶志．電機學[M]．北京：中國電力出版社，2008.

2014-04-05。

鄔海軍(1975-)，男，工程師，主要從事水電站電氣維護技術工作，email：whjfdb@126.com。