水電廠勵磁系統的故障原因分析及對策

廣東省能源集團天生橋一級水電開發有限責任公司水力發電廠 張延龍

1 水電廠勵磁系統分析

水電廠。即將水能轉變為電能的工程設施，又被稱之為水電站。水電廠樞紐中的建筑物包括擋水建筑物、泄水建筑物、進水建筑物、引水建筑物、平水建筑物及廠房樞紐建筑物等，同時水電廠中也有很多設備，如水輪機、水輪發電機組、勵磁設備、升壓變壓器、高壓配電裝置等。

勵磁系統。指的是供給同步發電機勵磁電流的電源與其附屬設備，主要是由勵磁調節器與勵磁功率單元共同構成的。其中，勵磁調節器可根據輸入信號及調節準則進行勵磁功率單元的輸出，自動勵磁調節器可有效增強電力系統的穩定性，而勵磁功率單元可為同步發電機的轉子提供勵磁電流，根據不同的標準可將勵磁系統劃分為不同類型。如，直流電機中的勵磁方式有復勵、他勵、串勵及并勵等類型；整流電機的勵磁方式有旋轉式勵磁、靜止式勵磁。當前最常用的方式是自并勵可控硅勵磁，主要是由整流柜、隔離開關、變壓器、滅磁開關、調節柜及非線性電阻等多種設備共同構成的，應用了自動調壓這種方式調節勵磁。自動調壓方式主要是利用PID 調節器實現勵磁調節的，可通過對比機端實際電壓與給定值調節勵磁，增強輸出電壓的穩定性。

2 水電廠勵磁系統的故障原因及對策

2.1 失磁故障

是水電廠勵磁系統的常見故障，會對其正常運行產生較大影響，需綜合分析失磁故障的原因并采取針對性解決措施。在運轉過程中，若系統某一位置出現故障這一區域的錄波就會詳細記錄，這一位置的電壓值也會出現突變的情況。在這種情況下，運行人員發現問題后需要即做出應急處理，保障設備安全，然后由檢修人員詳細分析錄波信息，及時找出故障位置與原因。一般情況下錄波開啟后一段時間內電壓值就會不斷下降為負值，導致電力與定子的電壓出現較大變化，這就可判斷為失磁故障。出現失磁故障的主因是勵磁系統功率電壓開關輔助觸點的接觸不穩定，導致接觸電阻過大，繼而造成系統出現逆變，形成失磁故障。

為避免系統出現失磁故障，可在開關接點位置安裝一個故障監控錄波器，對開關接點位置進行實時監控，及時發現開關接點位置的異常情況，并通過有效措施進行應對；其次也需定期檢查勵磁開關輔助接點位置，若有問題需及時處理，從而增強勵磁開關接點的穩定性。

2.2 整流電源故障

水電機組在運行過程中對電壓要求較高，需將電壓一直控制在標準范圍內，且其他條件也符合勵磁系統的運行要求，但在出現故障時發電機沒有電壓，而勵磁裝置沒有任何報警反應，這就需綜合分析故障出現的原因。常見原因包括回路出現故障或整流電源出現故障，但并不能明確是由哪種原因造成的，因此需逐一排查：首先，發現故障后應檢查勵磁調節器與可控硅整流裝置間是否存在問題，若沒有問題就不是由回路故障造成的；其次需檢查可控硅電源部位，若閘刀位置存在斷裂情況就說明是其造成的整流電源異常，繼而導致發電機沒有電壓、無法正常運行，這就屬于整流電源故障，需采取有效措施解決問題[1]。

為解決整流電源故障，可及時將可控硅電源的閘刀更換成新閘刀。其次，檢修也需通過有效措施增強電壓回路故障報警信號的靈敏性，并對其靈敏性進行試驗，若試驗結果合格便可正常使用。

2.3 自并勵勵磁故障

自并勵勵磁系統也是水電廠常用系統，主要是由勵磁變壓器、勵磁調節轉換裝置、過電壓保護裝置、發電機消磁裝置、功率整流裝置、勵磁啟動裝置及勵磁操作控制設備共同組成，相比其他勵磁系統具有較強穩定性與安全性，且運行成本相對較低，但在長期運行過程中系統仍會出現故障。自并勵勵磁系統的常見故障有PT 斷線故障、起勵失敗、勵磁變過熱等。

PT 斷線故障。自并勵勵磁系統中每一相的電壓都大于三相電壓平均值的80%，若PT 電壓大于10%就可能會發生PT 故障。PT 斷線故障可能由多種因素造成，需逐一排查，明確是PT 高壓側保險絲熔斷、調節器DSP 板出現故障還是PT 回路二次接線存在松動。若想排除PT 斷線故障，應在明確故障原因后采取合理措施，如檢查PT 輸入端三相電壓是否平衡、更換DSP 板或使DSP 板的指示燈處于正常工作狀態、對二次回路的接線端進行緊固處理。

起勵失敗。在起勵過程中可能會出現起勵失敗情況，即機端電壓沒有達到設置值，起勵操作自動推出去就是起勵失敗。造成起勵失敗的原因有，起勵時間設置過短，導致發電器電壓不足，無法支撐整流橋導通；在完成檢修工作之后沒有對滅磁開關、直流側刀閘等進行合閘處理；在對機組進行修理后沒有進行充磁試驗，導致磁場不穩定。為防范此故障，勵磁系統起勵時間應設置在8s 左右；在完成檢修工作后及時對所有開關進行合閘處理；完成機組修理工作后立即進行充磁試驗。

勵磁變過熱。在系統運行過程中勵磁變可能會出現過熱甚至冒煙等故障，主要是由于冷卻裝置運行問題造成的。出現這一故障時系統會發出高溫警報，此時應降低勵磁輸出，確保發電機的電壓大于額定電壓的95%，并對運行環境與冷卻裝置的運行狀態進行檢查。

2.4 發電機非全相運行故障

在運行過程中，發電機可能會出現非全相運行的情況，需做好防范工作。如，某一水電組在啟動后電壓先升高到額定值，之后迅速下降變成零且存在異響，這就需檢測故障原因。在故障排查時應先將勵磁系統的起勵方式從自動起勵轉變為手動起勵，若電壓變化情況一致需進行下一步檢測。同時檢修人員需配合檢測發電機的定子與轉子，若運行穩定需進行絕緣檢驗與逆變檢驗。進行系統絕緣檢驗后，發現絕緣沒有問題再進行逆變試驗，也同樣沒有問題。但在出口開關處于工作狀態時出現報警信號，提示B 相出現接地短路情況，當出口開關處于試驗狀態時系統沒有報警信號，說明系統發電機的出口開關存在問題[2]。檢修人員測量各相絕緣后，發現B 相兩個觸點間的絕緣為零，且開關分開時兩個觸點應處于斷開狀態中，這就證明觸點位置存在問題。經詳細檢查后發現動觸頭缺少連桿螺絲，導致出口開關無法正常開合。若開關無法及時斷開三相系統的電壓就會不同，會破壞勵磁系統的控制脈沖，導致勵磁系統出現逆變情況，造成了滅磁。

若發電機出現了嚴重的非全相運行的故障就可能會影響到整個系統運行，因此當系統出現問題時應在最短時間明確故障的發生原因，并根據具體原因進行檢修，保障發電機一直處于全相運行狀態中。

3 全面開展勵磁系統日常管理工作

加強勵磁開關設備監視。若勵磁系統開關輔助接觸點特別大就會改變整個系統，甚至可能會導致系統出現逆狀態。同時若繼電器的接點出現故障也會改變勵磁調節器，但無法通過監控系統監測到過小的勵磁開關輔助接觸點分段，不會產生異常反應。從這一角度看，監控系統應用的是變量監控方式，采樣較少，無法及時發現勵磁開關出現的問題，可能會導致勵磁系統無法運轉。因此需改變監控系統的監控方式，實現監控系統的高速采樣，及時發現勵磁開關的問題，避免造成大的影響。

加強勵磁通道監控。不僅需加強勵磁開關的監控，也需要加強勵磁通道的監控，對勵磁系統運行情況進行詳細記錄，從而制定科學合理的勵磁通道監控方案。

增強勵磁開關輔助接點可靠性。勵磁系統開關輔助接點在勵磁系統中發揮著重要作用，能有效控制多個地方，若其出現問題可能會影響到整個系統運行，因此需通過有效措施增強勵磁開關輔助接點的可靠性。從實驗結果看，勵磁開關輔助接點及其他接點都能通過切勵磁實現電流的邏輯控制[3]。在對比實驗錄波與故障錄波后，可發現轉子電壓與轉子電流的變化情況基本一致。若勵磁開關輔助接點的分段小于等于1秒，勵磁監控系統不會察覺到異樣、不會產生變化，但如勵磁開關輔助接點較大勵磁系統就會產生強烈反應，甚至會出現逆變狀態。因此應加強防范，定期檢查和維護勵磁開關輔助接點，增強系統穩定性，避免系統出現故障。

綜上，失磁故障、整流電源故障、自并勵式勵磁故障及發電機非全相運行等是勵磁系統的常見故障，每種故障出現的原因不同、應對措施也不同，需采取針對性的策略確保勵磁系統可正常運轉，從而為水電廠的穩定運行奠定基礎。