水輪發電機組勵磁系統異常現象探析與控制

劉健如

FSB水電站裝有2臺100MW的發電機組，機端電壓13.8kV。發電機與主變壓器組成單元接線，經主變壓器升壓后，通過220kV交聯聚乙烯絕緣電力電纜與GIS開關設備相連，經兩回220kV線路接入電力系統交流輸電來送電。該電站1、2號機組正常運行時曾因交流輸電線路安控裝置動作而切除，切除后引發過速停機。本文詳細分析此次事件中勵磁系統異常現象，并提出了后續運行的相關防范措施，為電站的安全穩定運行提供技術保障。

異常原因

異常現象描述

當時運行方式為：1、2號機組滿負荷運行，GIS安控裝置楓龍線跳閘。滿負荷運行的兩臺機組同時甩負荷，跳閘后3秒，機組轉速>115%Ne；8秒，機組轉速>160%Ne，調速器急停閥動作、監控流程給勵磁系統發逆變令；9秒，落進水口快速閘門，機械過速保護裝置動作；21秒，導葉全關；39秒，轉速小于90%Ne；51秒，機組逆變滅磁，機組電壓小于10%額定。

此過程中有兩點異常：一是機組轉速為伺上升>160%Ne，甚至啟動機械過速保護落進水口閘門停機。二是切機8秒和9秒后，監控流程因過速兩次發給勵磁系統逆變令，而勵磁系統逆變失敗，在發令40多秒后，機組電壓小于10%額定的情況下完成了逆變滅磁，失去了快速滅磁意義。

調速器過速原因

機組轉速升高的程度與機組當時導葉開度的大小與關閉速率有關。經分析該電站在調速器主配閥與水輪機導葉接力器開啟腔之間的油路上，安裝了電氣兩段關閉閥。第一段為快速關閉，第二段為慢速關閉。由于分段關閉閥的位置接點不可靠，導致分段關閉閥在監控程序中未復歸，兩段關閉閥的慢關一直投入。慢關投入時，兩段關閉閥的主要油路被切斷，導葉接力器開啟腔的回油只能經由節流裝置流向回油箱。此次線路跳閘甩負荷停機過程中，慢關投入，關閉速度過慢，未能及時抑制住轉速上升，是導致機組過速的直接原因。

勵磁系統異常

該水電站勵磁系統采用隨頻率變化補償同步脈沖角度方式，盡管同步脈沖補償角在小電流試驗中進行了校核，但是在這次過速停機中卻表現異常。

從總體來看（圖1），機組甩負荷后，機端電壓逐漸下降，甚至降到了52%Ue。然后機端電壓逐漸回復上升，最高到達105%Ue，然后通過轉子能量自然衰減，機端電壓逐漸下降。

整個過程，可以按頻率的變化分成三段進行分析。

第一段為機組跳閘后頻率從50Hz上升至70Hz，時間約5s，機端電壓下降至67%Ue。機組甩負荷后，無功電流減至零，不可避免引起電壓升高，升高電壓可用AU=Iq Xd″（AU：升高的電壓；Iq：甩掉的無功電流；Xd″：次瞬變電抗）表達。當時機組帶有功600MW，無功18.4Mvar，甩掉的無功電流分量較大，在圖1上，清楚可見勵磁電壓因此而產生的強減與強增過程。隨后盡管勵磁系統三相橋式整流可控硅換相導通正常，但是可控硅的實際控制角略大于900。不僅其同步脈沖補償角沒有發揮作用，而且調節器90%Ue下限給定值也失去限制作用。由此可見，勵磁系統失去基本調節功能。

第二段機組頻率從70Hz上升至75.8Hz，時間約5s左右，機端電壓一度下降至52%Ue，再逐步上升至105%Ue。這段時間中，勵磁電壓首先強減，隨后波形呈周期性紊亂。勵磁波形圖上，可見頻率增加至70Hz后，功率柜可控硅的運行狀態變為整流橋中兩個元件同時導通、3～4個元件交替同時導通、6個元件交替導通，并呈周期性。此套勵磁系統導通角設置為20～150，而實際上此時導通角已超過此范圍。分析其原因，可能是同步脈沖補償角在頻率大幅變化中出現錯亂，特別是在交流側供電電壓大幅下降時，整流橋的換相角y可能過渡到第Ⅲ種換相狀態。在這種狀態下，前一個換相過程形成短路，使隨后進入換相區的相鄰元件在反向電壓作用下雖被觸發卻不能導通，直到可控硅元件的陰、陽極之間電壓呈正向值時才能導通。

第三段機組頻率從75.8Hz逐漸下降，機端電壓亦逐漸下降，時間持續40s左右。在此期間，前幾秒可控硅元件還偶爾出現3～4個交替同時導通現象，后部分為同組兩個元件一直導通，勵磁電壓波形呈“一充一放”交流波，勵磁電流衰減緩慢。實際上監控LCU分別于74.5Hz與75.8Hz時向勵磁系統開出逆變令，但如果此時控制角a過小，或者逆變過程中三相全控橋的觸發脈沖突然消失，則最后導通的一組可控硅元件將會工作在勵磁繞組電感“放電一激磁一放電”交替過程中，成為逆變顛復。事后檢查勵磁系統并沒有封脈沖的可能，加上前兩段同步脈沖有隨頻率改變導致可控硅導通紊亂的事實，可判斷因控制角過小引發逆變失敗。

通過上述三段的分析，可判斷勵磁系統在機端頻率較高時，同步脈沖相應失步，高于70Hz后，已基本處于失控狀態，外部監控來的逆變令沒有起到快速滅磁作用，逆變失敗以續流形式消耗掉轉子上的能量，造成滅磁時間較長。

在甩負荷后，機端頻率上升到70Hz以上的情況實際是存在的，但轉速上升到電氣過速160r/min和機械飛擺過速動作的工況較少。在監控程序中，轉速上升到電氣過速和機械過速時啟動停機流程，落進水口閘門，同時給勵磁系統發逆變令。這樣的設計，即使勵磁系統脈沖同步回路出現失步現象，造成逆變失敗，也不會造成機組事故，只是滅磁時間較長。

滅磁安全性

滅磁安全性探討

在此次線路跳閘甩負荷事件中，脈沖同步異常而出現的調節器失控，機端電壓大幅下降與回升現象。調節器失控引起機端電壓降低并不可怕，但如果調節器失控引發空載誤強勵，依賴繼電保護動作而跳閘，則需要核實勵磁滅磁開關和非線性電阻配置及其跳閘邏輯可靠性。

此水電站勵磁系統滅磁元件由交流滅磁開關S103，直流磁場斷路器S101，非線性電阻RV、跨接器Q7組成。正常時采用逆變滅磁，事故時由保護或勵磁過壓保護動作開出跳閘命令，此命令直接去合機械跨接器Q7，將轉子電流導入滅磁電阻；調節器檢測到該指令后封脈沖，并經0.1s延時作用于直流磁場斷路器S101，再經0.1s延時作用于交流開關S103。事故跳閘時直接合跨接器，將轉子電流導入非線性滅磁電阻，接著封閉脈沖，在滅磁開關的弧壓和負向陽極電壓的共同作用下，保證了換流成功，隨后滅磁開關就會關斷熄弧，勵磁電流快速衰減。endprint

發電機空載過壓保護動作（誤強勵）滅磁瞬間計算

此水電站勵磁系統直流磁場斷路器S101最大弧壓Uarc≤4000V，根據滅磁實際工況，按照斷路器國標要求，這里取3400V。勵磁系統無論選用何種滅磁開關，伺種滅磁方式，要保證其安全可靠動作，都要涉及滅磁開關弧壓參數。而空載誤強勵時換流成功的滅磁開關開斷弧壓遠大于空載強勵期間發生機端三相短路滅磁開關開斷弧壓。故以空載誤強勵為例進行核算。

發電機機端電壓飽和電壓按1.4pu考慮，則不計晶閘管和回路壓降，計算更高整流電壓uH。

UpL=1.35·（u20*1.4）cos20°（1）

代入計算可得UPL=1723V。

空載誤強勵情況下，定子過電壓1.3倍時繼電保護動作并經0.3秒延時跳閘，此時定子電壓約為1.4倍額定電壓值，由此水電站發電機空載特性曲線延伸至定子電壓1.4倍額定電壓值，此時電流約是額定勵磁電流的2.5倍，即IR約為7696A（額定勵磁電流3078.5A）。

在IR=7696A時計算磁場斷路器的最小弧壓，假設IR全部流入非線性電阻，產生的電壓為UR，將值代入公式（2），計算磁場斷路器跳開時的最小弧壓Uk。根據公式：

UR=ARs（IR）B（2）

式中：ARS一單組滅磁電阻電壓系數，取44；B-單組非線性電阻系數，取0.4。

代入公式可得UR=1577V。

此時磁場斷路器弧壓UK=UL+UZ=1577+1723=3300V

FSB水電站是220KV交流輸電線路的電站，根據其他高壓交流輸電運行情況，在交流系統解鎖、閉鎖時會造成系統電壓較大波動；滿負荷運行方式時，如所有交流濾波器全部投入后仍無功不足，需及時增加機組無功進行補充，防止母線電壓迅速下降；而在低負荷或者降壓運行時，受最小交流濾波器需求影響，變電站電壓易偏高，此時又需機組進入進相運行工況。較復雜的系統電壓變化工況加大了對機組勵磁系統安全穩定調節的要求。從此次甩負荷事件來看，直接原因雖是調速器兩段關閉閥位置接點未可靠反饋，但同時也反映監控程序和勵磁系統有待進一步完善。

（作者單位：廣東粵電新豐江發電有限責任公司）