沙河抽水蓄能電站勵磁系統常見故障分析與處理

王 成，湯 勛

（江蘇沙河抽水蓄能發電有限公司，江蘇 溧陽 213333）

1 前言

江蘇沙河抽水蓄能電站（以下簡稱“沙河電站”）是江蘇省第一座抽水蓄能電站，位于江蘇省溧陽市境內，距溧陽市區20 km，距常州105 km。在電網中主要起削峰填谷、事故備用和黑啟動等作用，電站總裝機100 MW，有2臺50 MW機組，通過一回220 kV線路接入江蘇電網，電站主機由法國ALSTOM公司制造。電站于1998年9月正式開工建設，2002年7月正式投產并網發電。

2 勵磁系統概述

抽水蓄能電站的勵磁系統對于提高和維持發電電動機的穩定性、確保電力系統安全和經濟運行起著重要的作用。性能優良的勵磁系統能夠有效地保證電壓的質量，提高電力系統運行的穩定性。

同步發電機的運行特性與其空載電動勢的大小有關，而空載電動勢為勵磁電流的函數，改變勵磁電流就可以直接影響發電機在電力系統中的運行性能。因此，勵磁控制是對發電機實時控制的主要內容之一。

在正常情況下，發電機勵磁電流的變化主要影響發電機的機端電壓和并聯運行機組間無功功率的分配。電網故障時，要求迅速改變勵磁電流，維持電網電壓的穩定?？梢?，發電機的勵磁控制在保證電能質量、無功功率的合理分配和提高電力系統穩定運行方面都具有十分重要的作用。

3 勵磁系統結構

沙河電站的勵磁系統由勵磁調節器和勵磁功率單元組成。勵磁功率單元是指向同步發電機轉子繞組提供直流勵磁電流的勵磁電源部分，而勵磁調節器則是根據控制要求的輸入信號和給定的調節準則控制勵磁功率單元輸出的裝置。

3.1 勵磁調節器的組成

主要由主處理器、輔助處理器、數字和模擬量輸入輸出卡、電機信號測量和觸發脈沖的處理卡等組成。

對于靜止勵磁而言，勵磁調節器應能根據機端電壓或無功電流的大小，自動地改變可控硅的控制角，以調整發電機轉子回路勵磁電流的大小，維持發電機機端電壓或無功電流恒定。因此，測量比較、綜合放大和移相觸發構成了勵磁調節器的3個基本環節。

3.1.1 測量比較單元

用來測量經過變換的與發電機端電壓成正比例的直流電壓，并與相應于發電機額定電壓的基準電壓相比較，得到發電機端電壓與其給定值的偏差。電壓的偏差信號輸入到綜合放大單元。

3.1.2 綜合放大單元

綜合放大單元對測量等信號起綜合和放大作用。本環節是調節電路中的中心環節，它用來放大測量環節的差值信號，并能將多種信號進行綜合，以實現多種功能的調節作用。

3.1.3 移相觸發單元

移相觸發單元根據輸入的控制信號的變化，改變輸出到可控硅的觸發脈沖相位，從而控制可控硅整流電路的輸出，以調節發電機的勵磁電流。

3.2 勵磁功率單元的組成

功率單元包括勵磁變壓器、可控硅整流橋、起勵單元、冷卻單元、滅磁開關及勵磁變低壓側開關。

3.2.1 勵磁變壓器

變比：10.5 kV/350 V

額定容量：644 kVA

類型：三相、戶內、干式

冷卻方式：自然空氣冷卻

3.2.2 可控硅整流橋

自并勵勵磁系統中的大功率整流裝置均采用三相橋式接法。優點是半導體元件承受的電壓低。

三相橋式電路可采用半控或全控橋方式。這兩者增強勵磁的能力相同，但在減磁時，半控橋只能把勵磁電壓控制到零，而全控橋在逆變運行時可產生負的勵磁電壓，把勵磁電流急速下降到零。

可控硅全控整流橋工作原理：

全控整流橋的工作特點是既可以工作于整流狀態（觸發角α：0°～90°），將交流轉換為直流；也可工作于逆變狀態，將直流轉換為交流（觸發角α：90°～180°）。

6個橋臂上的可控硅元件，每個元件都是連續導通120°，每隔60°有一個可控硅元件換流。

3.2.3 起勵單元

當機組黑啟動時，起勵電流經起勵開關引自電站220 V直流系統。當起勵電流使機端電壓升至5%的發電機額定電壓時，可控硅整流器開始工作，使機組電壓上升至額定值。在勵磁電流達到20%的空載勵磁電流時，自動斷開起勵開關，退出起勵回路。

3.2.4 冷卻單元

造成可控硅發熱的原因是損耗，最主要的是通態時的損耗，即可控硅在導通狀態下的損耗。

勵磁可控硅橋通常采用裝設在盤柜上的兩臺互為備用的冷卻風扇來冷卻，并在盤柜上裝設濾網，防止灰塵進入盤柜。

3.2.5 滅磁開關

滅磁開關又稱磁場斷路器，滅磁開關的主要作用是在發電機發生故障時迅速切除發電機勵磁電流。與一般開關不同的是，發電機繞組電感很大，因而發電機磁場繞組儲存著大量能量，需要利用開關迅速釋放才能達到滅磁效果。

4 常見勵磁系統故障綜述

勵磁系統主要起發電機電壓控制、無功功率合理分配和提高電力系統運行可靠性的作用，其故障數量在歷年故障統計中占比近3%。故障按照設備區域劃分：

（1）冷卻單元故障；

（2）勵磁變壓器故障；

（3）功率元件故障；

（4）磁場斷路器故障；

（5）勵磁交流電源斷路器故障；

（6）勵磁調節器故障。

5 勵磁系統故障處理關鍵

（1）發現異常或報警時，應及時檢查設備運行狀態，查看相應參數和趨勢，分析嚴重程度，必要時申請轉移負荷或停機消缺。

（2）若勵磁調節器故障，值班人員應及時檢查調節器故障原因，盡快恢復調節器正常運行，防止系統電壓波動、機組負荷變化或機組停機過程中出現勵磁系統異常欠勵或過勵現象，導致機組失磁或過電壓。

（3）若機組穩態運行時，勵磁系統故障處理主要是防止失磁，如情況較緊急應立即申請轉移負荷，在停機后處理；如不緊急，則以監視為主。

（4）機組停機過程中若出現勵磁系統故障，應及時按下機組跳閘按鈕，以閉鎖電氣制動流程，避免故障情況下產生二次沖擊。

（5）若勵磁變發生火災，首先要確認變壓器高低壓側斷路器已斷開，故障設備已停電，機組可靠停機并立刻拉開相應主變的高壓側隔離開關以有效隔離故障設備并通知相關人員。

6 沙河電站勵磁系統常見故障分析

沙河電站的1號、2號勵磁系統均為南瑞繼保公司生產的國產化設備。該設備投產之后，運行可靠，基本滿足當初設計要求，有效地保證了電壓的質量。但勵磁系統經過這么多年的運行，也曾出現過問題導致抽水啟動不成功。本文列舉兩個案例進行分析。

6.1 案例1：1號機勵磁系統操作電源失電

6.1.1 故障現象

00：31：39，上位機啟動G1至SFC抽水操作；

00：32：46，1F勵磁操作電源失電；

00：32：51，SFC故障（故障代碼101，翻閱SFC手冊是勵磁電流無法檢測到）；

00：32：51，G1轉停機操作；

00：32：51，磁場開關分不開（G1至停機操作）；

00：32：55，1F勵磁操作電源失電復歸；

00：36：55，1F停機操作成功；

00：46：49，SFC切換為2號SFC為主用；

00：54：07，上位機啟動G1至SFC抽水操作（成功）；

06：50：35，上位機啟動G1至停機操作；

06：52：04，1F勵磁操作電源失電；

06：52：07，勵磁電流升不上（G1至停機操作）。

6.1.2 處理過程

（1）1號機組停機后，檢修人員進廠處理；

（2）現場檢查勵磁盤柜，除調節柜外，外部的指示燈全滅，滅磁開關合位；

（3）檢查發現開機條件中，“1號機勵磁操作電源失電”“1號機勵磁故障綜合”不滿足；

（4）檢查勵磁操作電源，發現確已失電，測量無電源。

6.1.3 原因分析

經過現場檢查，原因為勵磁操作電源220 V DC回路X101-6號端子接頭處虛接，勵磁操作電源和勵磁柜內勵磁電流變送器電源失去，SFC無法檢測到勵磁電流，報SFC故障，使得開機不成功；在轉停機過程中的振動使得該端子又接觸上，操作電源故障復歸，勵磁操作電源重新得電，所以在切換SFC后重新開機成功；而在停機過程中，投電氣制動前合滅磁開關的時刻，勵磁盤柜的較大振動又使得該端子斷開，導致磁場開關未分開、風機不停等故障現象。220 V DC電纜為4 mm2，而接線端子為2.5 mm2，端子偏小不太匹配，長時間運行，定期維護時緊固端子最終將電纜頭擠出，使得接頭虛接。

6.2 案例2：2號機機端電壓采樣回路故障導致開機失敗

6.2.1 故障現象

09：14：53，上位機啟動G2至發電操作；09：17：56，同期故障 （G2轉停機操作）；09：20：51，G2至停機操作成功。

6.2.2 處理過程

（1）運行人員現地檢查，同期面板顯示“機組電壓降不下”，復歸同期裝置后嘗試2次，并網發電成功；

（2）檢修人員進廠2號機組處于發電態，檢查發現2號機組勵磁A套調節器機端采樣電壓比實際值偏低，采樣為10.45 kV，實際為10.65 kV，測量勵磁盤柜后PT端子發現PT電壓偏低；

（3）2號機組停機后，對該PT回路進行檢查，緊固各端子，再次假同期并網成功，該PT回路電壓正常，勵磁采樣還是有所偏低，但已基本在誤差容許范圍內。

6.2.3 原因分析

原因為勵磁機端電壓采樣回路故障，勵磁采得的機端電壓偏低，所以在同期過程中，勵磁將機端電壓調整并跟蹤系統電壓時，勵磁認為調整到位，但實際的機端電壓偏高，無法滿足同期電壓差的要求。

7 結束語

近年來，隨著電網需求的變化，抽水啟動相比往年更為頻繁，這就需要我們在今后的工作中繼續加強對勵磁系統及相關設備的檢查維護，定期對勵磁系統的故障案例進行分析總結并舉一反三，確保設備安全穩定運行。