老撾南湃水電站機組起勵失敗原因分析與探討

周 愨，劉 勇，胡元鋒

（北方國際合作股份有限公司，北京100040）

1 電站概述

南湃（Nam Phay）水電站位于老撾萬象省北部Phoun區(qū)，壩址位于南俄河（Nam Ngum）支流南湃河（Nam Phay）上游峽谷。站內(nèi)裝設(shè)2臺43 MW沖擊式水輪發(fā)電機組，總裝機容量86 MW，額定水頭700 m，額定流量14.03 m3/s。

2 勵磁系統(tǒng)簡介

2.1 概述

南湃水電站發(fā)電機勵磁系統(tǒng)為武漢洪山電工的HWJT-08 DS勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，整個勵磁系統(tǒng)由機端勵磁變壓器、可控硅整流裝置、自動電壓調(diào)節(jié)器AVR、滅磁和過電壓保護裝置、起勵裝置、必要的監(jiān)測、保護、報警輔助裝置等組成。

勵磁系統(tǒng)的控制是由AVR調(diào)節(jié)器輸出觸發(fā)信號控制可控硅的導(dǎo)通，從而控制發(fā)電機的勵磁電流，達到無功調(diào)節(jié)的作用。

2.2 組成

HWJT-08DS勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)可分為四個主要部分，如圖1所示：

勵磁變壓器（-TE01）；

2套相互獨立的勵磁調(diào)節(jié)器（-AA01，-AA02）；

可控硅整流橋單元（-VT01～- VT06）；

起勵單元（-KM07，-QF15，-VD01）和滅磁單元（-VD02，-RV05，-RV04）。

圖1 HWJT-08DS勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)

2.3 勵磁起勵方式

HWJT-08DS微機勵磁調(diào)節(jié)器的工作電源采用兩路獨立電源供電，其中一路取自廠用直流系統(tǒng)，另一路取自交流電源系統(tǒng)，依據(jù)勵磁方式的不同有所不同。

HWJT-08DS勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用自并勵與直流他勵相結(jié)合的方式，在起勵初期通過DC110 V直流電源快速起勵，在很短的時間內(nèi)將機端電壓升至設(shè)定值（如30%額定值），然后自動斷開起勵回路，轉(zhuǎn)入自勵激磁狀態(tài)。

3 勵磁起勵失敗原因分析及排查過程

3.1 起因

2017年6月21日1號機組停機檢修后，于19：32時通過上位機起勵建壓，大約8 s左右報“勵磁系統(tǒng)起勵失敗”，連續(xù)操作2次起勵均沒有成功。

3.2 初步排查

根據(jù)運行經(jīng)驗導(dǎo)致起勵失敗的原因可能有轉(zhuǎn)子回路絕緣降低、勵磁控制系統(tǒng)故障、勵磁PT故障、轉(zhuǎn)子正負極性接反、勵磁變故障等。考慮到本次機組檢修時涉及到電纜的拆接，首先對回路檢修檢查，過程如下：

（1）1號機組檢修時拆除過集電環(huán)上電纜（勵磁電源正負線纜），因此懷疑此處電纜接線錯誤導(dǎo)致起勵失敗。通過設(shè)計及廠家圖紙，核對集電環(huán)上電纜接線，并與2號機組的接線比較，接線無誤，且滑環(huán)正負極性相同。但通過現(xiàn)地LCU柜再次起勵時，仍然起勵失敗。因此可以排除了滅磁柜至發(fā)電機電纜接線錯誤導(dǎo)致起勵失敗的可能性。

（2）用1000 V搖表測量轉(zhuǎn)子線圈及連接滅磁柜電纜絕緣，測量到絕緣電阻值為10 MΩ。但通過現(xiàn)地LCU柜再次起勵，仍然起勵失敗，排除轉(zhuǎn)子線圈及連接至滅磁柜電纜絕緣降低導(dǎo)致起勵失敗的可能性。

（3）核實勵磁參數(shù)設(shè)置參數(shù)，確認勵磁調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置正確，排除勵磁調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置錯誤導(dǎo)致起勵失敗的可能性。

（4）檢查機端側(cè)勵磁PT空開在合閘狀態(tài)，測量勵磁PT二次殘壓為1.7 V左右（三相基本相同），排除勵磁PT電壓異常。

（5）檢查碳刷，清理碳架上的碳粉，并將活動不靈活的碳刷進行打磨。通過現(xiàn)地LCU再次柜起勵，仍然起勵失敗，排除碳刷粉末導(dǎo)致轉(zhuǎn)子回路絕緣降低的可能性。

（6）檢查勵磁變保護裝置，無保護動作或異常告警現(xiàn)象。

（7）檢查勵磁變?nèi)嗉拌F心對地絕緣良好（10 MΩ），排除勵磁變故障。

3.3 深入檢查及處理結(jié)果

由于上述的檢查均未發(fā)現(xiàn)異常情況，針對本電站勵磁系統(tǒng)特點：起勵初期勵磁系統(tǒng)將使用直流電源110 V進行激勵。當機端電壓大于30%額定電壓（3 kV）后，起勵電源自動切回勵磁變供電，勵磁系統(tǒng)進行自并勵模式。當直流110 V激勵8 s后，機端電壓未達到30%額定電壓（3 kV），系統(tǒng)也將發(fā)出起勵失敗報警。對整個勵磁回路再次進行檢查，并對整個起勵過程進行監(jiān)測：

（1）起勵過程中，直流系統(tǒng)出現(xiàn)“直流母線絕緣降低”報警。

（2）停機時，機端勵磁變PT、發(fā)電機出口PT二次殘壓均為1.7 V左右（三相基本相同），勵磁變二次側(cè)電壓為5.5 V（三相基本相同），機端一次電壓為160 V （保護測量）。

（3）起勵后，起勵繼電器正常動作，并測量轉(zhuǎn)子電壓約為15 V。

（4）起勵期間，勵磁PT二次、發(fā)電機出口PT二次殘壓降至0.8 V（三相基本相同），勵磁變二次側(cè)電壓降至4 V（三相基本相同），機端一次電壓降至140 V（保護測量）。

（5）起勵完成后上述數(shù)據(jù)均恢復(fù)到停機時數(shù)值。

通過對起勵過程中的數(shù)據(jù)分析，機端勵磁變PT、發(fā)電機出口PT二次殘壓、勵磁變二次側(cè)電壓和機端一次電壓在起勵過程中均出現(xiàn)降低的現(xiàn)象，與停機滅磁時的現(xiàn)象相似。逆變滅磁時勵磁系統(tǒng)通過改變轉(zhuǎn)子電源極性，以反電勢形式加于轉(zhuǎn)子繞組，使轉(zhuǎn)子電流（或轉(zhuǎn)子電壓）迅速衰減到零。因此判斷：起勵失敗由轉(zhuǎn)子直流電源的極性接反導(dǎo)致。

基于上述猜測，把滅磁柜至發(fā)電機電纜接線（也即勵磁電源正負線纜）的滅磁柜端的正負極調(diào)換了位置，通過現(xiàn)地LCU柜再次起勵，此次起勵成功，電壓穩(wěn)定在11 kV。至此確定起勵失敗為轉(zhuǎn)子直流電源極性接反所致。

3.4 原因分析

由于停機后的發(fā)電機均有少量的剩磁，當轉(zhuǎn)子達到額定轉(zhuǎn)速并切割剩磁時，在定子繞組中將感應(yīng)一個微小的殘壓電勢，外加起勵電源時，該起勵電源形成的磁場必須要增強原有的剩磁，才能使感應(yīng)電動勢加大，如果起勵電源所產(chǎn)生的磁勢方向與剩磁方向相反，則剩磁將削弱，發(fā)電機的電壓便不能建起。

新機組勵磁繞組極性不分正負，機組安裝完畢后，需要對機組進行充磁，對于自并勵發(fā)電機，剩磁的方向?qū)嶋H上已規(guī)定了磁極的極性，本電站中2臺機組安裝完成后對機組充磁時，1號機組剩磁方向為上集電環(huán)為正，下集電環(huán)為負，2號機上集電環(huán)為負，下集電環(huán)為正，在接線時應(yīng)按此極性接線，否則會導(dǎo)致發(fā)電機不能正常建壓。

4 經(jīng)驗總結(jié)

（1）根據(jù)三相交流發(fā)電機原理：當勻速旋轉(zhuǎn)的電樞繞組（轉(zhuǎn)子線圈）通以直流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場切割定子三相線圈從而會產(chǎn)生一組幅值相等、頻率相等、相位互相差120°的感應(yīng)電動勢。而水輪發(fā)電機電樞繞組（轉(zhuǎn)子線圈）上直流電的極性正反，只會顛倒其產(chǎn)生磁場的磁力線方向，對三相感應(yīng)電動勢的幅值、頻率、相位互相差均無影響，僅改變同一時刻同相電動勢的相位角。由于本站水輪發(fā)電機采用準同期方式并網(wǎng)：待并發(fā)電機側(cè)的電壓和系統(tǒng)側(cè)的電壓大小相等、相位相同且頻率相等時，才允許合閘并網(wǎng)。因此，水輪發(fā)電機電樞繞組（轉(zhuǎn)子線圈）上直流電的極性正反不影響機組的起勵減壓與并網(wǎng)發(fā)電（即集電環(huán)正負極性可任意選擇）。上述原理闡明了本站2臺水輪發(fā)電機電樞繞組（轉(zhuǎn)子線圈）直流電極性相反均能正常發(fā)電的原因，其剩磁極性由機組調(diào)試階段使用直流焊機充磁決定。

（2）發(fā)電機勵磁方式歸納起來主要有兩類:自并勵方式和他勵方式兩種。

自并勵方式（殘壓起勵）是發(fā)電機的勵磁電源取自發(fā)電機本身，即是利用發(fā)電機定子線圈的殘余電壓通過勵磁系統(tǒng)整流后送回其轉(zhuǎn)子線圈，再對定子線圈進行相互激勵，使發(fā)電機在自激勵過程中不斷升高到設(shè)定值；

他勵方式是發(fā)電機的勵磁電源不是發(fā)電機本身供給，而是由其他電源供給。起勵電源可以用廠用直流電源， 稱為直流起勵。也可以用廠用交流電源經(jīng)整流后提供， 稱為交流起勵。

自并勵相對于他勵的優(yōu)缺點：主機軸系短、接線簡單、響應(yīng)速度快、運行可靠性高和維護檢修方便等，但起勵過程困難、系統(tǒng)故障時機端電壓下降明顯對調(diào)節(jié)控制有影響。目前大部分發(fā)電機采用自并勵方式，因此發(fā)電機的開機起勵建壓是一個十分重要的環(huán)節(jié)，如果在開機過程中不能正常建壓可能對電網(wǎng)穩(wěn)定和社會經(jīng)濟會造成一定的影響，特別要求機組黑啟動時對成功建壓顯得尤為重要。

（3）自并勵建壓過程其實就是一個內(nèi)部正反饋過程，首先由剩磁在電樞繞組中感應(yīng)產(chǎn)生剩磁電壓，進而產(chǎn)生不大的勵磁電流，這個勵磁電流會在轉(zhuǎn)子中建立勵磁磁勢，由此增強了氣隙磁場，加大了電樞繞組內(nèi)的電勢，勵磁電流隨之上升，氣隙磁場得到進一步增強（自勵過程就這樣極其迅速）往復(fù)地進行下去，直至建壓成功。根據(jù)以上分析可知：勵磁回路交流側(cè)輸入剩磁電壓的幅值應(yīng)大于勵磁回路的門檻電壓是自勵式同步發(fā)電機自建壓的必要條件。

因此，本站起勵采用自并勵與直流他勵相結(jié)合的方式，既保留了自并勵方式的優(yōu)點，又通過直流他勵的方式提高起勵建壓的可靠性。

發(fā)電機首先使用DC110 V作為起勵電源來勵磁，當發(fā)電機的電壓值達到了規(guī)定電壓（可通過勵磁系統(tǒng)軟件設(shè)定修改，最小為30%Un）之后，將起勵回路自動退出，切換為自并勵方式，勵磁電源則由勵磁變壓器來提供，直到發(fā)電機出口電壓上升至額定值。這種起勵模式避免了在建立起發(fā)電機電壓之前（剩磁過低），勵磁電源都不能由勵磁變壓器來予以提供，需為自并勵系統(tǒng)提供他勵電源。同時該組合方式為黑啟動時勵磁系統(tǒng)零起升壓提供了起勵備用電源。

（4）本站勵磁系統(tǒng)采用自并勵接線方式：勵磁電源接于發(fā)電機出口母線，這種方式可靠性高、較為簡單，只需要發(fā)電機保持在有效運行的狀態(tài)，那么就會由發(fā)電機機端并聯(lián)勵磁變壓器發(fā)出勵磁電源；其強勵能力會在切除外部短路之后不久就有效地發(fā)揮出來。但是接于發(fā)電機出口母線的最大缺點就在于：發(fā)電機機端電壓會嚴重影響到勵磁電源，一旦有三相短路故障出現(xiàn)在線路首端，那么就會減弱強勵作用，不利于暫態(tài)穩(wěn)定，進而還有可能會影響到系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。因此我站采用封閉母線等措施，減少自并激勵磁系統(tǒng)諸如機端短路等問題的發(fā)生，同時配置發(fā)電機復(fù)壓記憶過流保護，確保發(fā)電機機端出現(xiàn)故障時，能快速可靠地切除短路電流，確保機組的安全。

（5）由于發(fā)電機在運行中正負滑環(huán)所受到的電腐蝕不同，導(dǎo)致正負極滑環(huán)磨損的程度不同，負極磨損的程度比正極大。在電流的作用下，負極集電環(huán)表面大量金屬“蒸發(fā)”，使集電環(huán)表面損蝕嚴重，同時這些金屬離子也附著在碳刷表面，反過來使集電環(huán)表面磨損更加嚴重，對氧化碳素薄膜造成破壞，出現(xiàn)“條痕”。這種情況下集電環(huán)表面粗糙，氧化碳素薄膜不均勻，呈金屬性光亮，接觸面間機械磨損大。因此要定期對集電環(huán)正負極進行調(diào)整（即倒換勵磁柜與集電環(huán)的連接電纜）。調(diào)整的原則根據(jù)滑環(huán)電腐蝕程度、光潔度、石墨薄膜的好壞情況來決定，一般一年調(diào)整1～2 次為宜。

5 結(jié)語

勵磁系統(tǒng)是發(fā)電廠運行的主設(shè)備， 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)起勵成功與否直接關(guān)系到發(fā)電機組運行的可靠性。自并勵與直流他勵相結(jié)合的起勵方式，雙通道微機調(diào)節(jié)器的使用可提高水電機組的開機成功率，為發(fā)電機組及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行提供保障。同時本文可為水電站勵磁系統(tǒng)的起勵方案設(shè)計、勵磁系統(tǒng)維護及改造提供參考。