發電機勵磁系統故障原因分析及改進措施

大唐陜西發電有限公司石泉水力發電廠 姚 磊

1 勵磁系統的典型故障

1.1 功率單元回路故障

電路在勵磁系統正常運行中需提供恒定的電流。系統功率的主電路可有效確保勵磁系統的可靠性，也可對發電機的運行產生重大影響。通過數據研究，發電機勵磁機電源單元電路部分最常見是整流電路中晶閘管的故障。晶閘管故障是指主電路任何相電路中的晶閘管都不能通過相電路，從而導致短路，并會直接引起相電路電流上升。為消除運行中的短路故障，通常包括晶閘管過渡。晶閘管開路故障是指主電路中任何一個晶閘管不能正常工作，相橋臂電路仍可工作，但輸出的波形失真并會出現振動增加的情況。平均輸出電壓直接降低，并且會直接導致發電機組無法穩定工作。

功率單元主回路工作原理。如圖1所示，主電路的上半部分由三個可控晶閘管V1、V3、V5組成。當主電路工作時，系統中的三個晶閘管可依次打開，下半橋由三個V4、V6、V2和共陽極組成。該單元的主電路可以負半周期進行工作，且三個晶閘管導通。如在此階段主電路橋式整流器中觸發角是基于觸發信號的波形變化點作為觸發起點，則主電路整流器電橋功率電路單元在整流器狀態下工作。當觸發信號在90°～180°時，主電路單元的整流橋在反相狀態下工作。當整流器電路正常工作時，電路的輸出是一個激勵電壓，該電壓在一個周期內跳動六次，且脈動波形都具有六個相同的傳導特性。

圖1 功率單元主回路工作原理

功率單元主電路故障類別。在功率單元主電路正常期間，最常見的故障是管斷開或觸發信號脈沖。當發生故障時，在此過程端口激勵電壓會輸出一定的規律的波形。通過對該故障的總結和分析，可有效的加以驗證晶閘管是否有缺陷。主電路故障可將常見的故障分為單管、雙管和三管故障。單管故障可劃分為V1、V3、V5、V4、V6、V2；雙管以劃分為兩個晶閘管V1V4、V1V6、V1V2、V3V4、V3V6、V3V2、V5V6、V5V2，同時出現的兩個故障armV3V5出現V4V2、V6V2錯誤，相應的錯誤類別全面總結單元傳輸主電路運行可能發生的故障。

啟動電源故障。工作電源故障發生時通常在發電機組系統調節器，在某系統的研究中，該系統在運行中使用雙微機控制系統，該系統使用雙電源供電為主/備用著DSP供電電源，其電源發生故障的主要原因是斷電故障和過沖故障。斷電意味著在操作中提供的電源丟失。必須通過設備的硬件切換到系統驅動器以及調節器才能及時糾正電源故障。發電機組中的DSP勵磁器系統通過系統調節器完成對故障數據的有效收集和計算，因此勵磁調節器在發電機組勵磁中起著決定性的作用，并確保DSP正常工作的穩定性，因此電源故障會影響勵磁設置。對于發電機來說這是最嚴重的故障，但這種故障在驅動系統的運行中極為罕見；超出功率限制錯誤表示系統電源已超過額定電壓數值。如超出10%的范圍則會直接影響勵磁調節器的正常有效運行。在設備實際的操作中這些錯誤有時會發生。

勵磁控制器故障。作為中央控制部分，發電機驅動控制器可自動改變晶閘管控制角度，從而自動調節發電機驅動電流大小，保持發電機運行同步的轉子電路恒定的端子電壓或無功電流。因此，當發電機啟動控制在運行中失敗時，將對整個發電機組運行產生極其重大的影響。在控制器運行中其常見的故障包括電源觸發脈沖故障和系統DSP芯片故障。

關于觸發脈沖故障。發電機勵磁系統進行點火脈沖的位置，決定了發電機功率單元主總控制電橋校正的工作啟動模式。在勵磁系統的正常運行中，觸發脈沖一旦故障會影響功率單元電路的有效運行，導致機組勵磁系統電流受到直接影響，嚴重時導致發電機的過載。觸發脈沖故障的主要是脈沖丟失和脈沖相序擾動。當發電機組勵磁系統在運行過程中發生這種類型的系統故障時，通常是由系統檢測電路、并及時將故障開關的信號發送到系統勵磁微機調節器，當系統調節器檢測到故障信號時立即發出事故警告并清除脈沖丟失故障。為消除這種情況，檢測電路發出切換命令以切換到待機跳閘單元。當發電機組勵磁系統實際運行中發生誤差時，通常的解決方法是更換通道接口板[1]。

脈沖誤差。發電機組勵磁系統具有雙閉路結構，由于電壓測量單元輸出的電壓變化的直流信號相對較弱，因此必須通過功率放大單元。因此須對中間單元進行放大，此時由脈沖放大裝置進行有效確定，其驅動系統是否能穩定運行。由于集成電路系統放大器的電路，具有工作運行精度高、運算分析準、傳輸信號穩定的優點。因此，脈沖裝置采用集成電路放大器幫助維持系統運行。組件中存在脈沖放大錯誤，通常處理方法是更換集成電路的放大器電路板[2]。

2 故障診斷方法與控制策略研究

2.1 一般策略設計原則

在編譯該系統的DSP程序時采用了結構化的編程思想，從而使勵磁系統的故障診斷具有更好的可靠性和可持續性，并遵循獨立性、單一輸入/輸出、范圍原則和完整的原則。在設計實現該目標的策略的過程中，編寫的DSP程序應滿足該組機勵磁系統發生器的實時數據的要求，并不會影響系統的實時性能。DSP處理器具有豐富的外圍硬件接口，因此在編寫診斷時可充分利用DSP中斷服務子例程，以確保診斷的準確性以及對系統驅動器勵磁的容錯控制。因此須要求勵磁系統的DSP程序在正常運行過程中具有功能多和穩定性強的特性[3]。

2.2 雙微機發電機組勵磁系統中各模塊運行策略研究

在進行設計機組勵磁系統的DSP程序軟件時要采用系統結構化的設計思維，在這種設計思維的有效指導下，機組系統由主程序模塊進行科學的控制。其中包含CPU定時器系統模塊、中斷服務子例程處理模塊、EV系統事件管理器處理模塊、通信模塊，調整系數的計算、PID算法的參數的計算及通過設計的模塊進行控制計算，數據采集和其他任務的點火角計算。計算機系統中的運行和備用機具有相同的功能，DSP編程的差異很小[4]。

2.3 關于控制主程序運行

發電機組的勵磁控制系統，是一個可能在設備運行過程中進行無限循環的工作流程，一直到主機設備系統和備用機同時發生嚴重的故障，這時才會使得整個發電機設備系統機止工作。

電機勵磁系統程序流程包括主機運行流程、備用機運行流程和雙機同時故障切換工作流程。整個機組系統對設備中的勵磁系統進行了合理的初始化，并對基本運行狀態進行模擬計算，之后再進入PID算法，完成勵磁系統中各功率單元運行中主回路系統中的相關計算，對系統相關模數字量的詳細計算后，再對設備主機系統和備用系統機進行全面互檢，如主機可正常工作則設備系統可正常運行，從而進入下一個正常的檢測循環。若是發生故障則系統會進入故障狀態，讓待命狀態的備用機組立刻進入工作系統。備用機組會首先完成自檢，若此時備用機組也出現故障問題則系統會立刻發出報警，若此時備用機組運行正常，則勵磁系統就可正常的運行[5]。

2.4 AD采樣程序

發電機勵磁系統運行中需采樣的數據量包含了機端電壓電流等。通過對電路的調節，將收集到相關數據量轉換為0～3V的電壓，并連接到取樣通道。這時AD程序是數據有效進行運算的保證。通常采樣分為直流和交流采樣兩種，進行直流數據采樣原理是采集系統整流變換后直流電流量。交流采樣原理是，被測的數據信號通過識別規律后對系統的瞬值采樣的一種方式，然后按照對采集的數值進行有效處理，得到最終的系統采樣數據。

為避免數據采集帶來相關誤差，所以就必須要求其數據保持同步性和實時性，包含硬件系統和軟件同步及系統的采樣同步，并確保對其頻率可直接測量。同步采樣通過對預設的系統頻率進行及時的數據采樣，通過對系統快速變換的方法進行有效運算，得出兩個相鄰的基波相位的計算差值，再利用該系統基波差值得到同步頻率，最后使用得到的頻率來取代預設的系統頻率，進行勵磁器系統下一個運行周期的采樣工作。通過預設頻率采樣，然后再對得到的計算結果進行有效的誤差補償[6]。

AD采樣程序的設計流程主要過程：打開系統電源并重啟后，設備開始初始化的相關變量和記錄。并設置端口的I/O，然后調用事件管理器的啟動程序，以通過設置系統和外部中斷的占空比和捕獲單元來啟動外圍PIE。然后中斷寄存器，啟用全局中斷系統，將數據傳入緩沖區。同時對環路系統進行采樣。再計算獲取發電單元數據。如果系統中的定期采樣指示不符，則將對系統重新采樣[7]。

2.5 雙微機中斷服務子程序

為了在勵磁系統運行期間提供實時快速的故障檢測，通過調整中斷模塊可完成系統采用的故障檢測，來進行對勵磁模塊系統的故障診斷。對中斷系統模塊和容錯模塊的有效控制可極大提高勵磁器系統，處理中斷系統事件的執行效率和質量。在驅動系統DSP中，其中斷請求信號，通常是由軟、硬件同時生成的信號確定，這種中斷信號是服務中斷和CPU程序的執行。通常外圍設備會發出系統中斷請求信號，如來自發勵磁系統外圍電路的中斷信號。不論中斷的類型如何，中斷的性質均可分為可屏蔽和不可屏蔽中斷[8]。

2.6 勵磁變壓器選型和要求

勵磁變壓器在設計中要考慮如何避免由于諧波和功率運行時變壓器局部發熱，否則長時間過熱運行會對絕緣造成破壞，甚至會導致機組停機。勵磁變壓器可選擇采用干式變壓器，保證諧波電流對變壓器損耗的影響較小?；芈烽g采用屏蔽結構，電流互感器安裝在勵磁體，并需布置合理、便于后期工作人員檢修。低壓線圈用圓筒式且要求首末端采用平繞方式。高壓線圈采用分段式，需要相關的誤差這零。

2.7 勵磁控制系統的應用

采用具有較高初始響應的勵磁系統，當發電機勵磁電壓和電流在最大輸出不超過勵磁電流和電壓的1.1倍時，系統可確保自動運行。系統具有短期過載的計算能力，允許的強勵磁時間不小于20秒。發電機電壓控制的精度應不超過額定的0.5%。對階躍的響應為±10%時發電機電壓不超過階躍的30%。發電機空載時，設定電壓的分辨不超過額定的0.2%。當發電機空載頻率變化±1%，端子電壓變化將不超過標值的±0.25%，自動電壓調節器的調節速度不應超過額定的1%/秒。發電機轉子電路配備足夠容量值的過電壓保護，確保在無負載的下進行不適當的通電，裝置不會損壞其自身的組件。當電壓不超過±10%時，勵磁裝置的晶閘管組件可承受直流側的短路故障，異步運行和其他運行條件而不會受到損壞。勵磁系統具有自動調節和遠程調節功能，確保測量結果和信號發送到控制室。

2.8 實際案例

根據某勵磁系統故障分析功率柜內的交流母排，設計時將三相母排與支架間用絕緣塊進行固定，端部用一塊半封閉絕緣遮擋。勵磁系統功率柜冷卻為強迫風冷，由于絕緣塊縫隙內、絕緣擋板內側檢修時無法徹底的清掃，灰塵慢慢集聚，功率柜內交流母排懸空，運行時母排端部產生的電暈通過絕緣擋板灰塵發生爬電現象，導致發生短路。為避免類似事故發生，已將勵磁功率柜交流母排端部的絕緣擋板拆除，研究并落實監控系統、繼電保護與勵磁系統，合理配合技術措施，加強隱患排查和技術監督。