一起水輪發電機組勵磁系統建壓失敗事件的分析及處理

張延龍

（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，貴州 興義 562400）

1 電站概述

天生橋一級水力發電廠（以下簡稱天一電廠）位于紅水河流域南盤江干流上，共有4臺單機容量為300 MW的水輪發電機組，總裝機容量為1 200 MW。發電機的型號為SF300-44/12440，額定電壓為18 kV。天一電廠屬于中國南方電網總調直調電廠，在南方電網的電力系統中主要承擔調峰調頻任務[1]。

2 勵磁系統簡介

天一電廠1F～4F發電機改造前的勵磁系統為南瑞電控生產NES5100勵磁系統，該勵磁系統是南瑞電控第3代勵磁產品，從2007-2008年陸續投產以來，目前已運行超過12年，勵磁系統特別是勵磁調節器現正面臨設備日益老化和不滿足網源協調新技術要求的問題，同時廠家NES5100勵磁裝置已于2014年停產，備品供應也日趨緊張。故改造前的勵磁設備存在調節功能不夠完善、元器件老化和備品供應不足等問題。所以，需對現有4臺機組勵磁系統進行改造。2020年12月至2021年6月，天一電廠結合水輪發電機組B級檢修工作，對1～4號機組的勵磁控制系統進行全新的改造。本次改造的勵磁控制系統采用廣東擎天實業有限公司設計的EXC9200型勵磁系統。改造后的勵磁系統配置7面柜體，分別為1面EXC9200勵磁調節器柜、1面電氣制動柜、3面智能化功率整流柜、1面智能化滅磁開關柜、1面滅磁電阻柜。

勵磁系統經過升級改造后共有兩種起勵方式，分別為外部電源起勵和利用機組剩余殘磁起勵。正常情況下，機組應采用殘壓起勵方式，利用機組剩磁產生的殘壓供給初始勵磁。當機組同步電壓超過10%的額定電壓時,勵磁調節器將控制的脈沖電路出發將可控硅導通,然后整個勵磁回路轉為自并勵方式。當機組長時間停機，剩余殘磁不足以維持建壓能量，此時采用外部電源起勵方式進行建壓。為提高外部起勵電源的可靠性，天一電廠勵磁系統配置了交直流雙路電源，互為冗余裝置。交流電源取自機組400 V自用電系統，直流起勵電源取自天一電廠220 V直流系統。

3 起勵原理

EXC9200型勵磁裝置的起勵單元原理圖如圖1所示。SA61為交直流起勵方式切換開關，R69為直流電阻，TC62為起勵變壓器。V61～V65為二極管模塊。Q61為接觸器。

圖1 EXC9200型勵磁裝置的起勵單元原理圖

當機組的殘壓起勵方式設置為投入時，勵磁系統有起勵命令時，會直接進行殘壓起勵，10 s內如果機組成功建壓10%額定電壓時后退出殘壓起勵；如果10 s建壓10%額定電壓不成功，則勵磁系統會自動投入外部輔助起勵電源進行起勵，之后建壓10%時或5 s時限到，自動切除輔助起勵電源回路。若機組未成功建壓到10%額定電壓，會向監控系統報“起勵失敗”信號。

當機組的殘壓起勵方式設置為退出時，勵磁系統收到起勵命令，會即刻投入外部電源進行起勵。10 s內會將機組的機端電壓建壓至10%額定電壓，然后退出起勵過程；如果10 s建壓10%不成功，則勵磁裝置會自動切除起勵電源回路，并向監控發出“起勵失敗”信號。在進行起勵操作時，為保證建壓的時間，殘壓起勵退出情況下，起勵令維持時間10 s以上。

當機組機端電壓達到10%額定電壓成功后，發電機機端電壓會繼續升高，達到30%額定電壓以上時，勵磁調節器會自動轉為軟起勵過程，按預置的調節速度把發電機電壓升至額定電壓值。所以機組能否成功的升至額定電壓，起勵操作尤為重要。

4 事件簡介

2021年3月22日，2號水輪發電機組的勵磁系統改造完成，勵磁改造廠家及檢修班組對改造后的設備先進行了靜態試驗，試驗過程及試驗結果一切正常。隨后操作運行人員準備對2號機組進行首次零起升壓操作，配合完成2號機組勵磁系統改造后的模型參數實測試驗。

15：24 2號機組成功由“停機”態開至“空轉”態后，運行人員準備對2號機組進行零起升壓操作。因為此次為2號機組首次建壓，故本次機組建壓的起勵方式采用外部電源起勵，其起勵電源取至2號機組400 V自用電。15：34運行操作人員首先將勵磁調節器的“殘壓起勵”功能退出，“零起升壓”功能投入，然后在2號機組勵磁室內進行現地操作。操作人員按照操作票步驟，首先將機組的電壓預設值設置為20%額定電壓，設置成功后按下“起勵”按鈕，勵磁系統機端電壓升至約1.5 kV后，機端電壓又迅速降至為0，上位機同時報有“2號機組起勵失敗”信號。同時運行操作人員發現滅磁電阻柜內交流接觸器Q61產生拉弧現象，冒出電火花，有燒焦氣味。

5 事故排查處理及原因分析

當運行人員及試驗人員發現起勵失敗后，立即將2號機組就地滅磁并停機，隨后對2號機組的勵磁裝置及滅磁電阻柜內的交流接觸器Q61進行檢查。通過檢查后發現，交流接觸器Q61有灼傷損壞現象，其他元器件未發現損傷。

通過現場技術人員的分析，起勵失敗的原因可能包含有起勵驅動電源故障，轉子回路絕緣性能降低，勵磁調節器系統故障等[2]。因考慮2號機組勵磁改造期間，涉及電纜的重新布置及接線，故先對勵磁系統的電纜回路進行檢查。

通過檢修人員及廠家調試人員對勵磁系統的仔細核對，發現勵磁系統內部及外部二次部分接線均和圖紙對應，未發現問題。隨后用1 000 V搖表對轉子回路進行絕緣測量，絕緣電阻正常。說明勵磁系統的內外部接線無誤。

然后檢修人員檢查接觸器Q61型號及接線，Q61接觸器型號為GMC-100，型號滿足要求，且接線無誤，所以裝置的本身也沒有問題。

當勵磁系統外部接線及裝置本身未發現問題后，試驗人員仔細的觀察該次試驗起勵波形曲線，如圖2所示。當2號機組現地起勵時，外部交流起勵電源正常投入后，機端電壓并未按照試驗說明書的內容達到10%的額定電壓值，而是到達8.6%的額定電壓后迅速降至為0。隨后調試人員仔細核對調節器內部參數，發現在調節器內部測試過程中，起勵電源的投入時間設定值為5 s，不滿足勵磁裝置的說明書注明的起勵時間10 s。故初步判斷該次起勵失敗事件的原因為起勵時間設定過短，勵磁系統的外部起勵電源存在時間不足，造成機組的機端電壓值未能達到勵磁起勵的門檻值10%Ue（1.8 kV）。由于在起勵回路中，發電機轉子類似于一個大型電感元件，其兩端的電流不能產生突變。故在勵磁回路切除起勵電源過程中交流起勵接觸器Q61突然斷開，使得整個整流橋回路沒有能夠進行完整的續流。在斷開的瞬間，由于勵磁反沖電壓約為-275 V，產生弧光造成了交流起勵接觸器的損傷。

在經過現場人員討論并更換新的交流接觸器后，試驗人員決定將交流起勵時間改為10 s，使得交流接觸器Q61退出前確保整流橋能進行完好的續流，不至于產生弧光。隨后操作人員再次進行開機零起升壓試驗，此次起勵過程一切正常，起勵后機端電壓達到10%額定電壓（1.8 kV）,故障現象未再次出現，說明之前的分析判斷正確。更改起勵時間后的試驗波形如圖3所示。

6 結語

勵磁系統是水電廠的發電機組正常運行的主要設備，勵磁系統維修和保養的重要性不言而喻[3]。從上述中可知通過優化延長起勵電源的起勵時間，雖然可以從時間上解決不能續流導致的問題，但使用起勵電源起勵失敗必然會導致起勵接觸器損傷。勵磁系統外部設備、回路接線及內部參數設置與勵磁系統的安全穩定運行息息相關，應注意勵磁調節器內部參數設置是否滿足實際要求，避免勵磁系統異常現象的發生。