楊小東

(吉林松花江熱電有限公司，吉林吉林132002)

勵磁系統(tǒng)是電廠發(fā)電機的重要組成部分，通過對發(fā)電機運行狀況的分析處理，輸出給發(fā)電機的勵磁繞組一個相應的直流電流，以控制發(fā)電機正常運行。勵磁系統(tǒng)失磁可直接造成電力設備過熱影響使用壽命，發(fā)電機甩負荷，更嚴重時可能造成大范圍停電、系統(tǒng)振蕩甚至整個電力系統(tǒng)瓦解?？梢妱畲畔到y(tǒng)的優(yōu)劣，直接影響發(fā)電機和電力系統(tǒng)能否可靠、穩(wěn)定的運行。在對電廠安全穩(wěn)定系數(shù)要求越來越高的今天，關注發(fā)電廠的勵磁系統(tǒng)也就顯得尤為重要。

發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的改進一直是國內外研究的熱點。上個世紀，它勵系統(tǒng)以其具有的勵磁電壓穩(wěn)定，不受電網影響等優(yōu)點曾在我國電力生產中被廣泛采用，但隨著近年發(fā)電機容量的增大，對勵磁系統(tǒng)要求也越來越高，它勵系統(tǒng)響應緩慢，維修復雜等缺點，已經不適合電力生產的發(fā)展要求。取而代之的自并勵勵磁系統(tǒng)，則以其運行可靠性高、結構簡單、維護方便、經濟性好等優(yōu)點，在相關技術日益成熟的今天，迅速成長為國內外電力企業(yè)競相采用的主流勵磁系統(tǒng)［1］。近年來，國內外對于自并勵勵磁系統(tǒng)的研究多集中在控制方式的優(yōu)化上，而對系統(tǒng)發(fā)生失磁故障時，故障參數(shù)變化情況的介紹往往很粗略。了解失磁故障參數(shù)的變化規(guī)律，對于故障分析和保護方案的制定具有重要參考價值。弄清楚參數(shù)變化的原因，在優(yōu)化自并勵勵磁系統(tǒng)的控制方式和防止類似故障再度發(fā)生上，起到了相當大的幫助。因此探索自并勵勵磁系統(tǒng)發(fā)生失磁故障時，分析故障參數(shù)變化及原因，對故障診斷和系統(tǒng)優(yōu)化都具有重要意義。

本文結合松花江熱電公司2號發(fā)電機發(fā)生的一起失磁事故，對自并勵勵磁系統(tǒng)引起失磁的原因進行了討論。對相應保護動作和參數(shù)變化情況進行分析研究，確定事故原因及解決方案，為自并勵勵磁系統(tǒng)在電力生產中的應用積累了經驗。

1 失磁影響因素分析

1.1 勵磁系統(tǒng)概況

松花江熱電公司2號發(fā)電機勵磁系統(tǒng)采用河北工業(yè)大學生產的WLZ-2D自并勵靜止勵磁系統(tǒng)。所謂自并勵靜止勵磁系統(tǒng)是指采用接于發(fā)電機出口的勵磁變壓器作為勵磁電源，經硅整流后供給發(fā)電機勵磁。因勵磁變壓器并聯(lián)在發(fā)電機出口，故這種勵磁方式被稱為自并勵式，勵磁變壓器、整流器等都是靜止元件，故又稱其為自并勵靜止勵磁系統(tǒng)。

整個勵磁系統(tǒng)分功率部分和控制部分，通過發(fā)電機機端的勵磁變壓器采集電壓，勵磁裝置利用觸發(fā)脈沖控制可控硅導角，通過導角改變來調節(jié)勵磁電流，以達到調節(jié)勵磁的的目地［2］。

圖1 自并勵勵磁系統(tǒng)結構圖

1.2 失磁原因及影響

發(fā)電機失磁是指正常運行發(fā)電機的勵磁電流全部的或部分消失的現(xiàn)象。發(fā)電機失磁是常見的故障形式。造成自并勵勵磁系統(tǒng)失磁的原因大致可分為以下幾種:

(1)勵磁系統(tǒng)故障:勵磁系統(tǒng)中設備裝置發(fā)生故障造成，如可控硅裝置中元件的老化、損壞，勵磁繞組過熱，勵磁PT斷線，滅磁開關、接觸器誤跳閘，勵磁變壓器接頭接觸不良等，造成勵磁回路短路或開路。勵磁系統(tǒng)中設備參數(shù)設置不合理也會造成設備長期過熱，絕緣損壞等，導致失磁事故。

(2)電力系統(tǒng)振蕩:系統(tǒng)發(fā)生嚴重振蕩，使得系統(tǒng)吸收大量無功，原有的穩(wěn)定遭到破壞，系統(tǒng)失去平衡，發(fā)電機組搶無功，原動機系統(tǒng)失靈或反應遲緩引起發(fā)電機失去平衡，振蕩、失磁跳閘。

(3)操作人員誤操作。如:投退操作開關失誤、調整不及時。無論是哪種形式的失磁，發(fā)電機都會過渡到異步運行，發(fā)電機的轉子機械轉速大于同步轉速，由于出現(xiàn)轉差，定子繞組電流增大，轉子繞組產生感應電流，引起定子繞組和轉子繞組的附加發(fā)熱，對于發(fā)電機本身由于設備過熱和發(fā)電機周期性地嚴重超速，不僅會影響發(fā)電機使用壽命更會直接威脅著機組的安全。由于無功的缺少引起系統(tǒng)電壓的降低和有功的擺動，在自動調節(jié)勵磁裝置的作用下造成系統(tǒng)中其它發(fā)電機增加無功輸出使得發(fā)電機、變壓器、輸電線路過電流，相鄰正常運行發(fā)電機與系統(tǒng)之間失去同步，造成系統(tǒng)振蕩、電壓崩潰擴大了停電范圍［3］。

2 故障分析

2.1 故障現(xiàn)象

松花江熱電公司2號發(fā)電機失磁保護動作，使2號發(fā)電機跳閘與系統(tǒng)解列，檢查2號發(fā)電機主保護屏顯示:“CPU4保護動作，勵磁PT斷線，I通道故障;2號發(fā)電機勵磁調節(jié)器PT斷線，失磁t1、t2報警，勵磁電流、電壓為零”。事件前2號機帶負荷40 MW，勵磁電流798.46 A，勵磁電壓93.49 V，無功14 Mvar，處于正常運行狀態(tài)。

2.2 故障原因分析

發(fā)電機主保護動作導致發(fā)電機跳閘甩負荷，本文結合保護動作情況對發(fā)電機跳閘原因加以分析推斷。

表1 CPU4保護

松花江熱電廠微機保護柜中CPU4保護情況如上表。由“CPU4保護動作，2號發(fā)電機失磁t1、t2報警”，可知事故造成2號發(fā)電機失磁保護動作，2號發(fā)電機跳閘，相關設備與故障部分完全隔離。

WLZ-2D型微機勵磁裝置具有相當完善的自檢測功能，并通過前面板或主控機箱液晶顯示窗加以顯示，本文通過主屏顯示情況，對故障原因進一步分析。

松花江熱電廠采用雙通道運行且AVR和FCR兩種勵磁方式主備結合的勵磁系統(tǒng)。以保證勵磁系統(tǒng)可靠運行。此套WLZ-2D自并勵靜止勵磁系統(tǒng)引起通道故障的主要原因為:通道電源故障、硬件故障、軟件故障、脈沖故障、PT斷線、主機故障［4］。

通過主保護屏顯示造成I通道故障的主要原因是PT斷線。自并勵勵磁系統(tǒng)中的PT主要有勵磁PT和勵磁調節(jié)器PT兩種。勵磁PT就是勵磁專用的電壓互感器，安裝在發(fā)電機機端，用來采集發(fā)電機機端電壓量給勵磁調節(jié)器，勵磁調節(jié)器通過事先規(guī)定的控制方案對電壓信號進行分析、比較，輸出一個控制脈沖給可控硅，以控制勵磁電流的大小從而改變機端電壓的大小。勵磁調節(jié)器PT又分為校正PT和儀用PT兩種，校正PT的主要作用是在發(fā)電機勵磁回路中作為勵磁電流校正用。儀用PT的主要作用是將高壓端電壓值按一定倍數(shù)降低便于測量［5］。PT斷線是常見的通道故障，主要是其保護熔斷器燒斷引起的，而熔斷器燒斷通常是二次側過載、絕緣下降或短路等原因造成的。

根據保護動作情況我們可以判定2號發(fā)電機失磁。再通過PT斷線情況的分析失磁故障由二次側故障引起可能性極大。通過對故障現(xiàn)場的勘查，發(fā)現(xiàn)勵磁小間冒煙，三組整流柜內的共十六只可控硅的快熔熔斷;柜內所有16只可控硅散熱管夾緊螺栓和可控硅上有不同程度電弧燒蝕的痕跡，柜體的后門及拉金上均有被電弧燒傷留下的痕跡;兩組整流柜內二次電纜線及繼電器被電弧燒損。

參考設備損壞情況，由于三組整流柜內的共十六只可控硅的快熔熔斷，對于WLZ-2D自并勵勵磁系統(tǒng)而言，整流橋快熔熔斷可視為功率柜故障［4］。所以可判斷故障直接原因來自于整流柜本體一次部分。

通過對整流柜本體一次部分的檢查(如圖2)，發(fā)現(xiàn)有個別可控硅散熱管夾緊螺栓絕緣護套短(原始缺陷)，導致直流側對地的絕緣間距過小，柜內絮狀灰塵在運行中被風機帶起落在絕緣薄弱處，即造成可控硅短路，并產生弧光，引起柜體內的空氣電離，繼而發(fā)生大面積短路，導致可控硅快熔斷器熔斷，發(fā)電機失磁，失磁保護動作，使2號發(fā)電機跳閘。

整流柜造成故障原因及解決措施見表2。

圖2 可控硅散熱管加緊螺栓絕緣套正常與異常對比圖

表2 故障原因及解決措施

2.3 失磁故障分析

圖3為對2號發(fā)電機在失磁試驗前后相關參數(shù)變化情況，可以發(fā)現(xiàn)在故障伊始，發(fā)電機的轉子電壓、轉子電流和定子電壓快速下降，而對應的定子電流及轉速在上升。

圖3 DCS中記錄下的故障相關參數(shù)在故障前后變化情況

結合上述現(xiàn)象通過分析得知，當發(fā)電機發(fā)生失磁故障時，勵磁電壓降為零，由于勵磁繞組的存在，勵磁電流將逐漸衰減，發(fā)電機的感應電勢隨著勵磁電流的減小不斷降低，由于電磁轉矩與感應電動勢成正比例關系導致電磁轉矩減小，當電磁轉矩小于原動機原有的轉矩時，轉子轉速必然增加，造成功率因數(shù)角增大。當發(fā)電機功角超過系統(tǒng)靜穩(wěn)極限角時，發(fā)電機就會處于失步運行狀態(tài)，使系統(tǒng)發(fā)生振蕩，擴大了故障范圍。發(fā)電機失磁后，為了彌補勵磁電流的降低，將從系統(tǒng)中吸取一定的感性無功，轉子會出現(xiàn)轉差，在定子繞組中產生感應電勢和勵磁電流，使得無功分量增大［6，7］。伴隨定子電流增大和定子電壓下降，發(fā)電機有功功率振蕩下降，無功功率反向并不斷增大。由于從系統(tǒng)中吸收無功，在轉子回路中會有差頻電流產生，使機端電壓下降，導致整個系統(tǒng)的電壓下降?？梢妱畲畔到y(tǒng)失磁對電機本身和整個系統(tǒng)的安全運行有重大影響。

2.4 預防失磁故障的措施:

結合松花江熱電廠設備實際情況，通過實驗、仿真，進一步優(yōu)化勵磁控制系統(tǒng)，最大限度的發(fā)揮雙通道控制、AVR與FCR調節(jié)方式主備結合的優(yōu)勢。

調整保護裝置整定參數(shù)，采取適當措施保證裝置動作的可靠性。自并勵勵磁系統(tǒng)由于主勵磁繞組具有較大的時間常數(shù)，而勵磁電流是隨此時間常數(shù)衰減，從而時間在0.5 s以上的后備保護可能不會動作，當發(fā)電機出口短路時，后備保護可能完全失去作用。在制定保護方案時應加以注意。

自并勵勵磁系統(tǒng)是實時控制系統(tǒng)，控制技術較難掌握，因而建議電廠要加強對勵磁系統(tǒng)的監(jiān)督、相關設備的巡檢，負責的技術人員要提高對勵磁設備的認識，加強學習。以保證該套系統(tǒng)可靠穩(wěn)定的運行。

3 結 論

自并勵勵磁系統(tǒng)在我國大型汽輪發(fā)電機上和電廠老機組改造中已經開始推廣使用，作為一種新型的勵磁方式，現(xiàn)場運行經驗還比較少，存在一些問題需要完善和改進。然而自并勵技術給機組運行帶來穩(wěn)定性和經濟性上的提高是不容質疑的。結合松花江熱電廠此次失磁故障分析，可以看出在自并勵勵磁系統(tǒng)中控制部分的重要性及存在的問題。因此除了加強維護以外，還應對其進行深入研究在軟、硬件上加以改進，以提高自并勵勵磁系統(tǒng)的可靠性。

［1］高淑俊.發(fā)電機失磁故障原因分析及解決方法［J］.機電信息，2010(24):31-32.

［2］閆淑紅，黃珊珊.硅整流發(fā)電機的使用維護與故障分析［J］.農機使用與維修，2011(3):65-65.

［3］李學忠，李勇.發(fā)電機失磁影響分析及處理實例［J］.廣西電業(yè)，2009(9):112-113.

［4］WLZ-2D微機勵磁裝置用戶手冊［S］，2008.

［5］王維檢.電氣主設備繼電保護原理與應用［M］.北京:中國電力出版社，1996.

［6］楊聯(lián)聯(lián)，張巖.發(fā)電機轉子接地故障分析及處理［J］.浙江電力，2010，29(8):34-36.

［7］JAMES N，Nash.Direct torque control，induction motor vector control without an encoder［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，1998，33(2):32-35.