一起典型勵磁機內部故障分析及建議

喻亮亮 蘇家財 吳金濤 吳成忠 李陽

摘 要：針對一起發電機組啟動升壓失敗的案例，根據升壓失敗、過壓保護動作及元器件損壞的現象，分析和反推過電壓產生的原因，通過工程經驗、理論分析及排除法，最終定位為勵磁機內部持續性短路故障導致機組升壓失敗，同時針對無刷勵磁機的發電機組提出了運行維護的建議。

關鍵詞：過壓保護動作；主勵磁機；旋轉二極管；快熔

中圖分類號：TM341? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）16-0070-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.16.018

0? ? 引言

配置有旋轉二極管的三機無刷勵磁系統在中大型機組上應用廣泛[1-2]，由于旋轉二極管集成于主勵磁機中，隨著轉子和主勵磁電樞同步旋轉，一般發生持續性故障的可能性較小。但是，隨著運行時間的積累，元器件和保護元件逐步老化，一旦發生持續性故障，將會對旋轉二極管本體、主勵磁機磁場繞組、主勵磁機勵磁系統造成嚴重損壞，從而影響機組的正常啟動和運行。

本文介紹了一起典型三機無刷勵磁系統機組升壓失敗的異常事件，通過分析和排查，最終定位事件原因為主勵磁機內旋轉二極管故障，并提出了相關的工程建議。

1? ? 事故發生過程

1.1? ? 機組勵磁系統結構

機組采用高起始響應的他勵式三機無刷勵磁系統，即由永磁交流副勵磁機、交流主勵磁機、旋轉二極管整流裝置組成，配有高起始快速響應自動勵磁調節器。永磁機定子產生400 Hz電源，經兩組三相全控整流橋整流后供給主勵磁機磁場繞組，主勵磁機電樞輸出200 Hz電源供給同軸旋轉的二極管整流裝置，整流輸出直流電流為發電機提供勵磁電流。其結構如圖1所示。

其中集成于主勵磁機內的旋轉二極管整流裝置采用的是典型的三相不可控整流電路，其電氣原理如圖2所示。

主勵磁機勵磁系統中配置的過壓保護裝置采用擊穿電壓為900 V的ZnO非線性電阻，滅磁裝置采用跨接器串接滅磁電阻的模式，跨接器觸發電壓約700 V，擊穿電壓為1 600 V，其電氣原理如圖3所示。

1.2? ? 事故發生過程

機組沖轉至額定轉速后，勵磁系統按照正常流程起勵，以此為時間起點，記為0 s，此時發電機電壓幾乎不變，但勵磁電壓已遠超正常啟機值（正常啟機勵磁電壓約5 V，此次勵磁電壓采樣已超過量程20 V），一段時間內發電機機端電壓基本不變，僅緩慢升高至約200 V（正常啟機時機端電壓會快速上升），勵磁電流在3～417 A之間變化（此電流已遠超正常空載額定勵磁電流的70 A），約1 s后，主勵磁機勵磁繞組轉子過電壓保護動作并發出告警信號。由于發電機機端電壓始終沒有升高，導致勵磁調節器切手動環方式運行，此時勵磁電流在4～500 A之間變化。6 s后，主勵磁機磁場一點接地保護動作并發出報警信號。7 s后，發電機機端電壓上升至2 kV，勵磁調節器切回自動環運行方式。9 s后，發電機機端電壓恢復正常升壓速率，此時勵磁電流維持在132～188 A之間。17 s后發電機機端電壓升至接近額定電壓19.5 kV。由于升壓過程中發生異常，現場逆變滅磁并拉開滅磁開關，勵磁系統退出運行。異常發生的過程中，勵磁系統錄波波形如圖4所示。

從異常發生的過程和勵磁系統錄波可見，異常發生初始階段，機組內發生了某種故障，導致發電機始終無法升壓；但在故障持續7 s后，機組及勵磁系統恢復相對正常，機組成功建壓。

1.3? ? 現場對勵磁系統及主勵磁機磁場繞組的檢查情況

現場查看勵磁系統滅磁柜，發現滅磁柜報過壓動作，過壓回路熔絲熔斷。

查看過壓回路非線性電阻，周圍有放電燒黑痕跡，拆開檢查，發現非線性電阻被燒壞。

用萬用表測量滅磁回路跨接器中的晶閘管，其正反向電阻都為0，判斷晶閘管被擊穿。

現場檢查主勵磁機，其上半勵磁繞組未發現明顯故障點，絕緣電阻正常；下半勵磁繞組絕緣降到0，下半勵磁繞組爐側頂部繞組有一明顯的燒損點，還有多處過熱痕跡。檢查勵磁系統其他元器件和回路，未發現明顯的損壞跡象。

檢查副勵磁機電樞回路，未發現明顯的損壞跡象。

2? ? 異常分析與排查

2.1? ? 總體判斷

在起勵初期，勵磁系統已投入運行并向主勵磁機輸出了勵磁電壓和勵磁電流，但是發電機始終未能建立起機端電壓，說明發電機磁場繞組未能流入勵磁電流，未能建立起磁場，故無法建壓，說明故障可能存在于主勵磁機內部，即圖1所示的虛框范圍內。

主勵磁機磁場繞組過壓擊穿且有過流痕跡，與主勵磁機磁場繞組連接的勵磁系統滅磁和過壓保護裝置擊穿，說明主勵磁機磁場繞組回路產生過大于1 600 V的過壓。

機組的故障發展存在一個大約7 s的過渡過程，由此判斷當故障消除或故障點由短路發展為開路后，機組恢復正常。

2.2? ? 主勵磁機磁場回路過電壓來源分析

過壓產生的原因可能有3種：1）浪涌過電壓；2）由勵磁電源及勵磁系統傳導產生；3）由主勵磁機電樞繞組感應傳導產生。

1）浪涌過電壓產生的可能性分析：機組啟動當天天氣正常，沒有雷雨發生；發電機及勵磁系統區域接地網正常，現場屏蔽和抗干擾措施和功能正常；現場其他設備均無過電壓現象。由此判斷，基本可以排除浪涌過電壓產生的可能性。

2）勵磁電源及勵磁系統傳導產生的可能性分析：勵磁系統的電源由副勵磁機的電樞提供，其額定電壓為270 V，在機組啟動和異常發生的全程，副勵磁機輸出電壓的最大值為300 V。根據三相全控橋原理[3]，通過勵磁系統輸出的最大電壓Ud可由式（1）估算：

Ud=1.35Uscos α? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：Us為副勵磁機輸出電壓；α為勵磁觸發角度。

從錄波可以看出，勵磁調節器觸發角度α的范圍為50°～130°，所以勵磁系統輸出勵磁電壓正向最大值估算為1.35×300×cos 50°≈260 V，負向最大值估算為1.35×300×cos 130°≈-260 V。另，勵磁系統可能輸出的最高電壓為副勵磁機電壓的峰值300×1.414≈424 V，而過壓保護擊穿值為900 V，滅磁回路跨接器內晶閘管擊穿電壓為1 600 V，說明合閘后磁場回路電壓達1 600 V以上，從整流原理上分析，該過壓值由勵磁系統傳導輸出的可能性基本可以排除。

3）主勵磁機電樞繞組感應傳導產生的可能性分析：根據電磁感應原理，假設勵磁機電樞繞組及其連接回路存在相間短路或其他非對稱性故障，會在電樞繞組回路中產生脈振磁動勢，從而在磁場繞組感生2倍基頻的交流電動勢和電流，同時，在電樞繞組脈振磁動勢和磁場繞組脈振磁動勢的相互作用下，還會感生出一些高次諧波[4]，從而產生危害較大的過電壓。由此分析，異常過壓通過主勵磁機電樞繞組感應傳導產生的可能性較大。

2.3? ? 實際檢查驗證

待機組冷卻后，現場對主勵磁機進行解體查看，發現旋轉二極管裝置中有一只二極管正反向直通，即處于短路狀態，但與其串聯的快熔沒有熔斷，而是連接快熔和二極管的銅母線燒斷，電氣示意圖如圖5所示。

在B相VT6橋臂有一只二極管直通短路后，當VT4導通時，會形成AB相間短路；當VT2導通時，會形成BC相間短路；由于旋轉二極管裝置與主勵磁機電樞繞組直接相連，故相當于發生了主勵磁機電樞繞組的相間短路。

一般地，當某橋臂只有一只二極管故障時，由于有短路電流產生，快熔會快速熔斷，形成開路，將短路故障點快速切除，不影響機組正常運行。但如果快熔失效，無法將故障點切除，則會在主勵磁機電樞繞組中形成持續的不對稱電流，從而在主勵磁機磁場繞組感生出極高的電壓和電流，其幅值可高達額定運行值的幾倍甚至十幾倍[4]。結合前述過程分析，可推斷出故障發生過程為：

1）初始階段，勵磁起勵運行，輸出勵磁電流，但旋轉二極管故障，導致主勵磁機輸出的電流全部流入故障點，而未流入發電機磁場繞組，故無法建壓。

2）二極管故障導致主勵磁機電樞繞組相間故障，且由于故障未切除，持續的不對稱故障在主勵磁機磁場繞組感生出過壓，導致過壓保護動作、滅磁回路擊穿、磁場繞組損壞。

3）故障二極管的連接銅母線熔斷后，故障被隔離，機組重新建壓正常。

3? ? 結束語

本次故障的根源為旋轉二極管故障導致相間短路，且未被及時切除，形成持續性不對稱故障，引起主勵磁機磁場繞組過壓。旋轉二極管及快熔為三機無刷機組的核心設備，隨著運行時間的積累，存在老化的可能，為確保機組運行安全和故障及時切除，建議機組大修期間，將二極管和快熔全部更換，且更換為參數、性能一致的同批次產品，確保整體功能的可靠性。

[參考文獻]

[1] 都興有.火電大機組勵磁系統的回顧與展望[J].中國電力，2003，36（1）：16-18.

[2] 侯亞敏.無刷勵磁同步發電機勵磁控制系統的研究[D].廣州：華南理工大學，2013.

[3] 王兆安，黃俊.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2000.

[4] 張鵬鵬.大型半速汽輪發電機不對稱短路及其負序分量的研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2015.

收稿日期：2023-04-18

作者簡介：喻亮亮（1987—），男，江蘇人，工程師，研究方向：發電廠控制保護、電力系統繼電保護及自動化。