水輪發電機組勵磁變副邊三相電流不平衡分析和處理

李 衛

（長沙市湘江綜合樞紐工程辦公室，湖南 長沙 410200）

1 工程概況

湘江長沙樞紐是湘江流域第九級梯級開發綜合樞紐，目前屬于湘江流域最后梯級，工程有船閘、泄水閘、電站、壩頂公路橋、庫區、魚類增殖站等，投運以來發揮了重要社會效益和經濟效益。電站6臺單機容量為9.5 MW，轉輪直徑6.75 m的燈泡貫流式機組，總裝機容量57 MW，多年平均發電量2.315億kW·h，年利用小時4 061 h，機組額定電壓10.5 kV，3臺發電機組帶1臺主變，主變容量40 000 kVA，經110 kV單出線方式送至變電站。機組采用自并勵靜止勵磁系統，有1臺接在發電機出口母線勵磁變壓器作為電源，經過兩組經可控硅整流器供給發電機轉子繞組勵磁，主要包括勵磁變壓器、調節單元、功率整流單元、滅磁和過壓吸收保護單元等。

勵磁系統由勵磁變壓器、調節單元、功率整流單元、滅磁和過壓吸收單元等組成。

①勵磁變壓器是一種專門為發電機勵磁系統提供三相交流勵磁電源的裝置，勵磁系統通過可控硅將三相電源轉化為發電機轉子直流電源，形成發電機勵磁磁場，通過勵磁系統調節可控硅觸發角，達到調節電機端電壓和無功的目的，是機組安全、穩定運行的重要保障。②調節單元采用武漢洪山電工科技有限公司HWJT-09C勵磁調節器，配置兩個獨立的自動通道，雙通道間采用并聯方式或主從方式運行，核心控制環節采用模塊化結構，模塊間的連接采用了高速數據交換技術，采用單一模塊功能，電路板面積小，保證了模塊間的互連線最少，從而大大提高設備可靠性，同時具備完善的數據保護和自診斷功能，完善的限制及保護環節，多種抗干擾措施等。③功率整流單元就是把交流電能轉換為直流電能的電路，采用硅整流二極管和晶閘管。④滅磁和過壓吸收保護單元，滅磁是把轉子勵磁繞組中的磁場能量盡快地衰減，以便發電機組發生內部故障時，發電機與電網斷開，但磁場電流產生的感應電勢將維持故障電流，對發電機定、轉子絕緣造成損壞，甚至燒壞鐵心，為了盡可能地縮短故障點電弧燃燒時間，防止事故擴大，要求在轉子絕緣允許的情況下，盡快地將轉子磁能衰滅到零，正常停機逆變滅磁，可控硅導通角成130°，將直流反向整流成交流，讓勵磁變消耗掉，非正常情況采用非線性電阻的滅磁方式，跳開滅磁開關，通過滅磁電阻來耗能進行滅磁[1]。

2 故障現象

機組并網運行時，勵磁系統勵磁變壓器運行“嗡嗡”聲比相鄰機組大，副邊繞組三相電流不平衡，其中兩相電流高于另外一相30%，副邊兩相繞組溫度高于20 ℃左右，SCR觸發角比正常運行時偏小15°左右。

3 故障分析和處理

針對故障現象，對勵磁系統逐一排查，機組停機后對勵磁變壓器、轉子絕緣進行測試，勵磁變壓器低對高地、高對低地和轉子絕緣情況良好，同時排除勵磁變壓器高壓側和勵磁PT熔斷器情況，調節單元和功率整流單元通過勵磁系統靜態試驗、勵磁系統動態試驗、勵磁系統測試試驗等方法進行檢驗。

勵磁系統靜態試驗是在勵磁調節器已經帶電而主回路還未帶電的情況下，對勵磁調節器和功率整流單元進行的現場試驗。先用靜態試驗再用動態試驗進行故障排查，優先采用勵磁小電流試驗，模擬運行工況，觀察輸出波形，檢驗調節單元、功率整流單元是否正常，準備三相接觸調壓器、示波器、萬用表、負載電阻、連接線等試驗儀器，解開主回路勵磁功率柜交流側進線和滅磁柜直流側出線電纜，三相接觸調壓器副邊接功率柜三相進線銅排，負載電阻接直流側出線銅排，示波器接在負載側觀察波形，通過萬用表觀察電壓變化情況。將副邊電壓調至50 V左右，合上滅磁開關，投入脈沖功率橋，觀察示波器波形， 發現一個周期20 ms內只有5個脈沖波頭（圖1），分別切換A、B通道，切換 1號、2號功率橋，還只有5 個脈沖波頭，進一步鎖定可控硅或觸發可控硅的脈沖回路是故障范圍，用萬用表電阻檔測量每個可控硅KG極的電阻值，12個可控硅的電阻值基本一致，用示波器分別觀察功率橋每個可控硅KG處的波形，發現功率橋的+C的KG沒有雙波頭，其它處均有雙波頭，且用萬用表測量其電壓值，+C的KG電壓為0 V，此時已說明脈沖回路是有問題，用示波器順著脈沖回路往上查，發現脈沖綜合板的脈沖輸入回路脈沖正常， 由此可判斷是脈沖綜合板的+C處脈沖有問題，更換脈沖綜合板后，小電流負載側波形正常（圖2），實驗記錄見表1。

表1 小電流試驗控制角與電壓值數據

圖1 缺一個脈沖時錄波圖

圖2 一個周期內完整錄波圖

在SCR觸發角60°時，功率橋和調節器通道切換實驗數據見表2：

表2 SCR 觸發角 60°時電壓輸出數據

SCR觸發角分別為90°和60°時的負載波形見圖3、圖4：

圖3 SCR 觸發角90°錄波圖

圖4 SCR 觸發角60°錄波圖

試驗數據均在正常范圍內，恢復機組安全措施，機組空載建壓至額定電壓，勵磁變壓器運行聲音及副邊繞組三相電流恢復平衡。

4 結語

勵磁系統是發電系統不可或缺的部分，與發電機轉子連接，為發電機組提供旋轉磁場，通過故障的分析和處理過程，逐步從勵磁系統重要組成部分，用動態和靜態試驗測試出來的試驗數據和錄波圖，分析出故障點脈沖綜合板內部電路老化是導致+C脈沖回路異常，使勵磁變壓器C相電源、溫度值比A、B相偏低的原因，A、B通道脈沖綜合板+C回路同時出現故障為排查故障提高了難度，極具有迷惑性，本文為運維工作提供分析故障和處理問題方法，縮短排查故障時間，進一步提高設備的安全可靠性。