現代勵磁系統典型事故案例分析及整改措施

史振利,崔宇翔,劉 沖,何信林,雷 陽

(1.西安熱工研究院有限公司,陜西 西安 710032;2.國網陜西省電力有限公司超高壓公司,陜西 西安 710299)

0 引言

勵磁系統在發電機運行過程中維持調節機端電壓的作用,合理進行無功分配以及提高電力系統穩定性,保證勵磁系統正常運轉至關重要。國內各電廠在發電機啟機前需要對勵磁系統的設計、制造、安裝、檢修等進行檢驗,以保證勵磁系統安全穩定運行［1］。但是因為參數漏改、接線不合理、設計存在部分缺陷以及裝置不可靠等問題,造成勵磁系統起勵失敗,從而導致發電機啟機失敗;在發電機停機逆變、轉子回路進行滅磁操作時,由于滅磁系統故障以及各設備配合不到位而導致滅磁失敗事故時有發生［2］;甚至由于保護定值計算錯誤以及設備發生嚴重可靠性問題導致在運行過程中勵磁系統保護動作,從而造成跳閘停機等嚴重事故,對機組以及電廠的安全造成極大威脅。隨著國產化勵磁故障診斷系統深入研究,對于勵磁系統各類故障進行分析十分必要［3］。

本文通過對近年來勵磁系統設計及運行中的事故進行分析并提出整改措施,一方面為解決勵磁系統事故提供一種有效的思路,另一方面為國產化勵磁系統事故診斷技術的發展提供參考。

1 概述

發電機系統中供給同步發電機勵磁電流的電源及附屬設備統一被稱為勵磁系統。現階段國內大多數發電機均為同步發電機,且以自并激勵磁系統為應用主流。同步發電機勵磁系統主要分為功率調節單元和勵磁調節器。功率調節單元主要作為發電機轉子繞組的勵磁電源,作用是向其提供直流勵磁電流,根據轉子物理旋轉建立轉子磁場。勵磁調節器依據實時采集的輸入信號和設定的調控準則調節勵磁功率單元輸出,提高電力系統并聯機組的可靠性和穩定性［4］。

隨著電力自動化普及及新技術涌現,自動調節勵磁裝置(automatic voltage regulator,AVR)逐漸得以應用,AVR由測量單元、同步單元、放大單元、調差單元、穩定單元、限制單元及一些輔助單元構成。在對發電機勵磁電流進行調整時,由于轉子回路中電流較大,一般不采用直接在轉子回路中調整的方法,而是通過對勵磁電流進行調整完成對發電機轉子電流的控制。改變勵磁電流的方法有多種,國內大部分通過改變可控硅的導通角實現勵磁電流變化。

勵磁系統如圖1所示,主要由勵磁變壓器、勵磁整流裝置、勵磁調節裝置、滅磁裝置以及監測、保護、報警輔助裝置組成。自并激勵磁系統是利用勵磁變壓器對發電機出口22 kV電壓進行降壓處理,通過勵磁整流裝置進行三相全波整流操作［5］。若為有刷電機,則將整流直流電經滅磁開關、勵磁碳刷通至轉子繞組;若為無刷電機則采用旋轉整流的方式為轉子提供勵磁電流,2種方式均可為發電機轉子建立磁場。同時,AVR勵磁調節器根據反饋輸入的發電機出口電壓、電流以及勵磁參數的實時變化調節可控硅的導通角,根據發電機運行工況以及定值偏差改變勵磁輸出電流大小,達到維持發電機出口電壓穩定的目的［6］。

圖1 同步發電機勵磁系統

2 典型事故案例分析

由于發電機勵磁系統由多個裝置相互配合構成,任意裝置或關聯過程出現問題都會引起發電機勵磁系統事故,因此發電機勵磁系統事故類型具有多樣化的特點。對勵磁系統常見故障進行分析,可以加快勵磁事故診斷系統國產化進程［7-10］。本文針對典型事故案例,依次從解列邏輯死區導致低頻過勵磁故障、信號測試采集回路故障、功率單元電路故障以及AVR電源故障等進行分析。

2.1 解列邏輯死區導致低頻過勵磁故障

勵磁系統作為發電機轉子的直流供電源,在機組解列時,采用逆變滅磁方式進行停機滅磁。常見的非正常解列滅磁事故原因有繼電器損壞、AVR模件故障、解列邏輯設置存在故障死區等。若解列過程中不能可靠滅磁,會極大損壞發電機及勵磁系統裝置,例如:①產生過激磁現象導致轉子鐵芯發熱加快絕緣性能老化;②轉子過電壓使轉子磁極損壞;③勵磁回路絕緣擊穿,嚴重損壞滅磁開關［11］。

2.1.1 事故經過

某電廠1臺105 MW發電機采取正常停機解列滅磁操作,在發電機機端斷路器跳閘后,勵磁系統進行自動停機滅磁。在此過程中勵磁并聯變壓器繼電保護動作,造成非正常停機滅磁開關跳閘,集控室報出“滅磁開關分閘”、“轉子電流越限動作”、“勵磁變保護總出口動作”、“非線性電阻滅磁”等信號。導致正常停機過程變為非正常停機跳滅磁開關。檢查機組發電機機端斷路器正常分閘,同時勵磁調節單元和功率單元均發出故障信號,常規檢查外觀也未發現短路點,檢查轉子及并聯變壓器絕緣無異常。

事故后檢查故障錄波,發現轉子轉速(頻率)下降的同時勵磁電流卻同步提升,兩者呈現反比現象,從而判斷這是一起典型的低頻過勵磁引起的非正常停機事故。進一步檢查工控機故障記錄,發現并沒有“逆變失敗”及其他故障信號,但是有發出停機指令信號的記錄。對斷路器位置及信號進行檢查,發現“機端斷路器位置”位于合閘位置,但此時斷路器實際已經分閘。檢查并網斷路器輔助觸點位于分閘位置,但重動繼電器失磁,發電機的并網斷路器繼電器引線斷線［12］。

2.1.2 原因分析

正常停機時,發電機就地控制單元(local control unit,LCU)發出自動解列停機指令,并網斷路器跳閘后機組由并網變為空載運行,判斷出口斷路器分閘后同時開始執行關閉導水葉和勵磁逆變滅磁的命令(2個命令由同一繼電器發出)。正常運行的調速器在接收到停機指令后進行停機程序,導水葉關閉導致轉子轉速不斷降低,同時勵磁調節器在接收到逆變滅磁指令后進行逆變程序滅磁,將功率單元的工作狀態由整流轉為逆變,定子電壓迅速降低進行滅磁操作。然而檢查發現,轉子轉速正常降低但未發現“逆變失敗”信號,說明調速器正常停機,而勵磁調節器并未進行逆變操作。

分析此次事故的直接原因為并網斷路器繼電器的引線斷線,重動繼電器采用機端斷路器分閘位置觸點重動,若斷路器處于合閘位置則該繼電器失磁,表示發電機為并網狀態。由于并網斷路器繼電器引線斷線,所以當斷路器跳閘后機組處于空載狀態,勵磁調節器卻因重動繼電器失磁而認為機組處于并網狀態,此時接收逆變命令也未如期進入逆變狀態。同時,調速器正常進行停機程序,轉子轉速下降導致機端電壓下降,而勵磁調節器還在按照恒定電壓原則運行,為了維持機端電壓為額定值而持續增大勵磁電流,最終出現低頻過勵磁現象,導致機組非正常解列停機。事故的根本原因是解列邏輯設置存在故障死區,由于調速器和勵磁調節器的停機指令是同一繼電器發出且同時執行,若正常解列運行沒有問題,但是當逆變環節發生故障就會出現低頻過勵磁現象從而導致非正常停機解列。

2.1.3 整改措施

a.仔細觀察繼電器發現,線圈引線因為舌片分合而被拉動,在繼電器頻繁動作過程中,最終導致引線動作疲勞而斷線。因此對該繼電器進行選型更換,采用防止繼電器動作導致引線被拉動的措施。

b.原解列邏輯設置存在故障死區,故將機組停機指令由同一繼電器發出且同時執行,改為由2臺繼電器分別執行命令,若機端電壓降低至額定電壓60%說明逆變程序正常執行,邏輯設置為當機端電壓小于60%額定電壓后,調速器再執行停機指令。若逆變程序故障,系統報警,調速器不會接收到停機指令,可有效避免非正常停機對機組的危害。

2.2 信號測試采集回路故障

發電機組勵磁系統的勵磁調節單元在正常運行時需要采集多種數據信號,由定轉子TA及定子TV完成數據采集,所以信號測試采集回路故障一般由這些信號采集器件問題引起的調節單元調節紊亂,從而發生勵磁事故。典型勵磁調節單元采樣故障原因有以下幾點:①定子TV高壓側熔斷器保險絲發生緩慢熔斷現象,常被稱為TV慢熔;②模擬量信號板故障,信號板上嵌入的傳感器及接線端子發生接觸不良現象或設備損壞而導致故障發生;③交流采樣數字信號處理板(digital signal processing,DSP)故障,導致勵磁調節單元接收到的各類測量數據出現較大誤差或數據不準確的現象。最終由于勵磁調節單元故障引起調節信號非正常運行,導致機組停機［13］。

2.2.1 事故經過

某電廠1號發電機AVR裝置對轉子進行增磁過程中,轉子電壓、電流發生大幅下降,無功輸出降低,發電機轉為進相運行狀態;約2 s后勵磁狀態轉為強勵;約5 s后保護動作跳閘,機組解列停機。機組顯示主變壓器、高廠用變壓器、勵磁變差動保護同時動作,低勵限制動作信號報出。

事故后開展設備檢查,依次進行定子電壓及轉子電流回路檢查、TV斷線功能檢查、干擾試驗、調節器靜態動態試驗等。試驗分析結果表明:①電壓回路插口存在松動現象導致電壓信號時有中斷;②轉子電流較大時調節器信號顯示值存在失真現象;③當TV電壓測量回路出現不完全斷線或測量異常情況時,系統不能可靠閉鎖強勵功能;④低勵限制回路動作正常［14］。

2.2.2 原因分析

發電機在增磁過程中出現故障,轉子電流迅速減小致使機組轉為進相運行狀態。在發電機空載運行和靜態假負荷運行時進行TV斷線試驗。分析可知,當定子TV高壓側發生慢熔或接線端子插口發生接觸不良等現象時,調節器TV斷線邏輯不能可靠閉鎖,AVR輸出波形為先強勵再減磁,從而導致機組進相運行。機組正常運行有功功率為110 MW,低勵限制定值為17 Mvar,而事故發生后進相無功沒有受到低勵限制而達到72 Mvar。由于機組報出低勵限制動作但未能限制機組進相深度,低勵限制回路動作正常,結合定子電壓回路檢查結果,分析是AVR電壓測量回路因插口松動導致無功測量數據不準確,從而未能限制進相深度。

機組在迅速失磁的情況下,發電機出口電壓降低為13.52 kV,AVR判斷機組回路故障而突轉為強勵運行,致使機端電壓不斷上升,但由于AVR電壓測量回路數據不準確,返回值為13.37 kV,導致機組一直處于強勵狀態而不會停止。機組AVR強勵限制的定值設為2倍額定勵磁電流,由于機組一直錯誤處于強勵狀態,導致勵磁系統勵磁電流過大超過強勵限制定值,但事故顯示強勵限制未動作導致機組保護跳閘。由轉子電流回路試驗結果可知,電流采樣失真,實際勵磁電流遠超強勵限制定值,但測量返回值卻低于動作定值。分析表明,強勵限制未動作的原因是AVR電流采樣偏差。

2.2.3 整改措施

a.定期全面展開定轉子電流測量回路檢查試驗,排除絕緣破壞、接觸不良、設備損壞等情況,確保電流回傳數據和勵磁限制正常。

b.從TV端部至AVR屏內板端口對電壓測量回路進行定期檢查,無插口接線松動、損壞、接觸不良等情況,確保TV二次側回傳的電壓波及幅值準確、平滑。

c.對TV斷線功能進行完善,確保電壓測量回路出現不完全斷線、接觸不良或其他異常情況時能夠有效避免誤強勵動作。

2.3 功率單元電路故障

功率單元在發電機勵磁系統中提供勵磁電流,穩定可靠的功率單元不但可以提高勵磁系統運行可靠性,還確保電力系統運行穩定性。對近年功率單元事故及現場數據進行分析,功率單元典型事故是由于功率單元電路中的晶閘管出現故障,可分為晶閘管擊穿短路和開路2種故障。開路故障一般是全橋整流回路中任意整流橋臂晶閘管故障導致橋臂開路,整流回路雖然能夠繼續工作但是其輸出的勵磁波形出現明顯畸變和波動現象;擊穿短路故障一般是由于任意晶閘管被擊穿導致該相橋臂直通短路,電流突然急劇上升,從而引起保護動作［15］。

2.3.1 事故經過

某電廠勵磁系統采用常規自并勵系統,功率單元采用靜止可控硅三相全橋整流勵磁,事故發生前發電機組處于并網運行狀態,有功出力為150 MW,無功出力為67.2 Mvar。事故發生時,系統報出“勵磁內部故障”跳閘、滅磁開關動作、勵磁進線隔離開關動作,調速器發出急停信號,最終機組故障停機解列。檢查發現,勵磁調節柜的一次側故障報警燈亮,勵磁功率柜出現濃煙,三相整流橋已經損毀,熔斷器及部分二次裝置損壞,其余元器件出現不明顯損傷。對整流柜進行解體,并對可控硅展開檢查,發現除正A相橋臂外,其余橋臂晶閘管全被擊穿,且負C相的觸發極、線均有明顯燒痕,觸發脈沖線存在絕緣破損狀況,同時測量其脈沖觸發段二次側發生短路現象［16］。

2.3.2 原因分析

對可控硅解體檢查,結合故障錄波圖及整流橋接線原理圖進行分析,事故經過如表1所示,整流橋接線原理如圖2所示。

圖2 整流橋接線原理

由表1及圖2可知,事故直接原因是三相全橋整流電路負C相橋臂V2被擊穿,引發短路過流擊穿其余晶閘管,最終導致事故發生。由于超溫報警及阻容保護回路均正常,由此排除可控硅在工作過程中由于溫度超過80 ℃而被擊穿的可能。結合事故現場脈沖線上的絕緣破損狀況,排查發現其走線排布于散熱片上,T2-T3時段晶閘管V2在CA-CB的換相過程中,由于換相過電壓造成脈沖線與A極擊穿,散熱片的高壓沖入脈沖線導致脈沖電路短路,使觸發極過電壓擊穿可控硅V2,同時過電流也損壞了脈沖線圈。雖然快速熔斷器均可靠動作并報警,但是由于柜內長期積灰導致絕緣降低以及縮短了爬電距離,致使事故由晶閘管擊穿短路變為功率柜燒毀。

2.3.3 整改措施

a.由于脈沖線布線不合理,導致過電壓擊穿晶閘管而引發功率柜燒毀。故此定期檢查整理脈沖線的布線并提升其絕緣防護水平,消除高壓入侵可能性,提高勵磁系統穩定性。

b.此次事故擴大的直接原因是由于灰塵堆積導致的,積塵會增加晶閘管、脈沖元件發生內部短路和局部放電的可能性,同時也容易造成散熱堵塞,產生高溫現象,不利于電子器件的穩定運行。因此需進行定期除塵、更換濾網、通風吹掃等操作,以保持功率柜良好運行環境。

2.4 AVR電源故障

勵磁調節器電源一般采用廠用電交直流雙供電模式,常見的勵磁系統調節單元電源故障分為電源越限和電源消失。電源越限一般是供電電源過剩導致實際工作電壓超出額定電壓,當AVR實際工作電壓超出額定值10%后,就會對AVR正常運行造成不良影響,此類故障次數占AVR電源故障的70%以上;電源消失是指運行過程中AVR突然停止供電,而AVR是勵磁系統正常運作的保證,一旦失電便會造成失磁失步等一系列嚴重事故,此類故障雖然少見,但由于其重要性使其成為典型的勵磁事故［17］。

2.4.1 事故經過

某電廠裝有4臺額定容量為75 MW的自并勵水輪發電機組,均采用發電機-變壓器組合的接線方式,且勵磁調節單元采用廠用電交直流雙供電方式。事故發生前1號機組有功出力為5 MW、無功出力為25 Mvar;2號機組有功出力為75 MW、無功出力為25 Mvar。由于廠用電系統交流供電中斷,備用直流系統供電一段時間后蓄電池電源也停止向其供電,導致勵磁調節器工作電源失電約1 min。當交流電源重新恢復供電后,線路對側斷路器報出后備過流保護信號,導致保護動作跳閘,1號、2號機組劇烈振動后自動停機解列。事故導致2號機組滅磁柜內大部分裝置高溫損毀,導冷油裝置水管接頭損毀,1號、2號機組均出現基礎螺栓松脫現象［18］。

2.4.2 原因分析

勵磁調節器為廠用電交流供電和蓄電池直流雙供電方式,由于廠用電失電以及蓄電池停止供電,造成了AVR工作電源消失,1號、2號機組失磁、失步;同時由于失去工作電源導致各類保護以及勵磁限制功能無法正常運轉,事故進一步擴大。

在AVR同時失去交直流供電的1 min內,機組原動力未改變,由于AVR無法進行勵磁調節和脈沖供給,導致1號、2號機組轉子失去勵磁電流,發電機組失步導致同步發電機異步發電運行。在系統無功供給不足的情況下,發電機由發出無功轉變為吸收無功,發電機轉速急劇上升,定子電流不斷增大出現過流現象。

在電源重新恢復供電后,因機組定子電流遠超額定負載,使線路對側斷路器過流保護動作,出口斷路器跳閘,1號、2號機組出口斷路器跳閘與主網系統解列,2臺機組成為“局部電網”。在恢復供電后,1號、2號機組出現劇烈振動現象有2方面原因,一方面是因為“局部電網”內的1號、2號機組異步運行的初始參數相差較大,此時形成“局部電網”而被迫同步,導致機組間出現強振蕩現象;另一方面,由于同步發電機由同步狀態被迫轉為異步運行,機組定子側出現脈動電流,從而具有交變機械力矩,使發電機組振動。上述2方面原因導致2號機組導冷油裝置水管接頭損毀,1號、2號機組均出現基礎螺栓松脫現象。由于2號機原始有功出力參數較大以及保護失電故障,失磁失步問題進一步造成2號機轉子回路產生較為嚴重的過電壓,造成2號機滅磁柜部分裝置燒毀。

2.4.3 整改措施

a.由于現有發電機組勵磁調節單元多采用外部交直流雙供電方式,均未采用機組自身勵磁變作為后備電源,極大降低了AVR工作電源的可靠性和安全性。故增設勵磁變作為AVR工作電源后備。

b.此次事故是在廠用交流電發生中斷的情況下,蓄電池電源出現故障并未維持AVR運行至機組恢復正常供電。可加強對直流供電系統的維護及檢測,提高AVR直流電源的穩定性和可靠性。

3 結語

本文總結了近年來勵磁系統典型事故,依次從解列邏輯死區導致低頻過勵磁故障、信號測試采集回路故障、功率單元電路故障以及AVR電源故障等進行深度剖析,通過實例分析提出整改措施。由于發電機勵磁系統故障類型多樣化的特點以及大背景下勵磁故障診斷系統的國產化需求,本文一方面為解決勵磁系統事故提供一種有效的思路,另一方面為勵磁系統事故診斷技術國產化發展提供參考。