鄔海軍

(湖南省水運(yùn)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司大源渡航電樞紐管理處，湖南 衡陽(yáng) 421412)

GMR3G型勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行及故障分析

鄔海軍

(湖南省水運(yùn)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司大源渡航電樞紐管理處，湖南 衡陽(yáng) 421412)

介紹了GMR3G型勵(lì)磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及保護(hù)功能，分析了GMR3G型勵(lì)磁系統(tǒng)的高壓側(cè)隔離開(kāi)關(guān)三相短路故障、勵(lì)磁開(kāi)關(guān)故障、系統(tǒng)電壓異常故障及電子元器件老化故障，對(duì)GMR3G型勵(lì)磁系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)。

勵(lì)磁系統(tǒng)；高壓側(cè)隔離開(kāi)關(guān)；勵(lì)磁跳閘；故障分析

1 概述

某水電站位于湖南省衡東縣境內(nèi)湘江干流上，裝有4臺(tái)30 MW的燈泡貫流式發(fā)電機(jī)組，其額定電壓為10.5 kV，額定勵(lì)磁電壓為243 V，勵(lì)磁電流為899 A。勵(lì)磁系統(tǒng)采用了奧地利ELIN公司的GMR3G型微機(jī)數(shù)字式勵(lì)磁裝置，基本免維護(hù)設(shè)計(jì)；系統(tǒng)有完整的邏輯控制方式，包括勵(lì)磁啟動(dòng)、勵(lì)磁退出、勵(lì)磁緊急跳閘、電壓環(huán)/電流環(huán)自動(dòng)轉(zhuǎn)換、故障監(jiān)測(cè)等以及完善的保護(hù)系統(tǒng)，如轉(zhuǎn)子過(guò)壓保護(hù)、交流過(guò)壓保護(hù)、交流阻容保護(hù)等。

2 GMR3G型勵(lì)磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及保護(hù)功能

2.1 功能結(jié)構(gòu)

GMR3G型勵(lì)磁裝置由勵(lì)磁變壓器和定子三相短路開(kāi)關(guān)柜、勵(lì)磁系統(tǒng)控制柜等構(gòu)成。機(jī)組勵(lì)磁為并激勵(lì)方式，該系統(tǒng)由勵(lì)磁開(kāi)關(guān)QF1、三相高壓保險(xiǎn)、勵(lì)磁變T1、三相全控可控硅整流橋、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、測(cè)量用電壓互感器、電流互感器、交直流回路保護(hù)系統(tǒng)、操作繼電器等組成。系統(tǒng)原理如圖1所示。

該系統(tǒng)整流橋采用奧地利ELIN公司的微機(jī)數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，型號(hào)為GMR3，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。該勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是一個(gè)多處理器的電壓調(diào)節(jié)和門(mén)控制單元，由1個(gè)電壓環(huán)(主)和1個(gè)電流環(huán)(從)組成。基本硬件由ELTAS(伊林牽引自動(dòng)系統(tǒng))組件組成，包括：1塊主處理器(MRB2)、3塊子處理器(Pr.A,B,C)、1塊數(shù)字輸入板(DE32)、1塊數(shù)字輸出板(DA32)、發(fā)電機(jī)電氣參數(shù)值處理板SAB及門(mén)脈沖觸發(fā)電路板。調(diào)節(jié)器作為電壓調(diào)節(jié)器，由1個(gè)主控制環(huán)(電壓)和1個(gè)從控制環(huán)(勵(lì)磁電流)組成。匹配變壓器隔離實(shí)際值(定子電壓UG、定子電流IG、勵(lì)磁電流IP、可控硅電壓USYN)被變換成低電壓，由電纜送入SAB板；在SAB板上，經(jīng)處理后送至PIM單元的子處理器。

圖1 系統(tǒng)原理

子處理器C計(jì)算調(diào)節(jié)同步電機(jī)所需參數(shù)，計(jì)算結(jié)果經(jīng)雙端口RAM(DPRC)送至主處理器MRB2。2個(gè)處理器都可進(jìn)入雙端口存儲(chǔ)器，且相互獨(dú)立。主處理器的軟件用于電壓調(diào)節(jié)環(huán)(自動(dòng)運(yùn)行方式)、限制器、附加的調(diào)節(jié)器及對(duì)于正確操作很必要的完整的控制邏輯。

所有數(shù)字I/O板和額外系統(tǒng)的特殊模擬量I/O板也與主處理器單元相連。電壓調(diào)節(jié)環(huán)的輸出值經(jīng)雙端口RAM(DPRB)送至PIM板上的子處理器B。子處理器B包含勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)環(huán)(手動(dòng)運(yùn)行方式)。該調(diào)節(jié)環(huán)基于實(shí)際的磁場(chǎng)電流(經(jīng)SAB模板記錄)和主處理器提供的信息，為可控硅脈沖計(jì)算觸發(fā)角。觸發(fā)角經(jīng)DPRA送至子處理器A。子處理器A計(jì)算觸發(fā)脈沖。SAB模板上的晶體管電路放大脈沖，經(jīng)電纜送至觸發(fā)變壓器(每個(gè)可控硅1只)。SAB面板上有1只開(kāi)關(guān)，便于觸發(fā)脈沖的手動(dòng)測(cè)試。數(shù)字量輸入及輸出用于控制和處理命令、反饋及報(bào)警。調(diào)節(jié)所需的所有模擬輸入輸出量在SAB板上變?yōu)橛行Э捎玫男盘?hào)。附加的輸入AE8板、輸出AA8板作為可選項(xiàng)，可用于特殊的系統(tǒng)測(cè)試任務(wù)。

2.2 勵(lì)磁系統(tǒng)保護(hù)功能

GMR3G型勵(lì)磁裝置主要的保護(hù)功能有：勵(lì)磁變溫度高報(bào)警和溫度高跳閘、可控硅故障跳閘、交流過(guò)壓硒堆保護(hù)、轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)。這些保護(hù)裝置中的微動(dòng)開(kāi)關(guān)或繼電器動(dòng)作，將發(fā)出1個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)緊急停止命令，將勵(lì)磁系統(tǒng)停運(yùn)，并聯(lián)動(dòng)跳發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)，確保主設(shè)備的安全。

圖2 數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器GMR3硬件結(jié)構(gòu)

3 GMR3G型勵(lì)磁系統(tǒng)的故障

該系統(tǒng)自1998年投運(yùn)以來(lái)，運(yùn)行比較穩(wěn)定，除日常的清潔衛(wèi)生和一些檢測(cè)項(xiàng)目外，基本上免維護(hù)。由于該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的自檢功能和完善的保護(hù)系統(tǒng)，在設(shè)備的有效使用期限內(nèi)完全能滿足水電站安全、穩(wěn)定運(yùn)行的要求。但在運(yùn)行過(guò)程中，也曾出現(xiàn)過(guò)造成機(jī)組事故停機(jī)的故障。

3.1 高壓側(cè)隔離開(kāi)關(guān)三相短路故障

勵(lì)磁變高壓側(cè)刀閘的最初設(shè)計(jì)為每次停機(jī)時(shí)由程序斷開(kāi)，開(kāi)機(jī)時(shí)再閉合。但在該電站第1臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)初期，因系統(tǒng)事故造成發(fā)變組定子接地100 %保護(hù)動(dòng)作，動(dòng)作跳開(kāi)勵(lì)磁開(kāi)關(guān)及勵(lì)磁變高壓側(cè)刀閘，勵(lì)磁變高壓側(cè)刀閘在斷開(kāi)時(shí)弧光造成三相短路，將勵(lì)磁變高壓側(cè)刀閘燒壞。

經(jīng)分析故障原因?yàn)樵O(shè)計(jì)缺陷。勵(lì)磁變高壓側(cè)不能設(shè)置無(wú)任何滅弧裝置的隔離開(kāi)關(guān)，因這種開(kāi)關(guān)僅起到電壓隔離的作用，但起不到保護(hù)作用，反而增加了安全隱患。由于高壓側(cè)裝設(shè)高壓熔斷器作為勵(lì)磁變的保護(hù)，未考慮將隔離開(kāi)關(guān)更換為斷路器的改進(jìn)措施，而是將勵(lì)磁調(diào)節(jié)器程序重新修改，使得勵(lì)磁系統(tǒng)在正常停機(jī)和事故停機(jī)時(shí)只跳開(kāi)滅磁開(kāi)關(guān)，不斷開(kāi)勵(lì)磁變高壓側(cè)的隔離開(kāi)關(guān)。

3.2 勵(lì)磁開(kāi)關(guān)故障

勵(lì)磁開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)原理：滅磁開(kāi)關(guān)合閘時(shí)，由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器發(fā)1個(gè)合閘脈沖，使合閘線圈瞬間勵(lì)磁，合閘后靠機(jī)構(gòu)的鎖定機(jī)構(gòu)自鎖；跳閘時(shí)由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器發(fā)1個(gè)跳閘脈沖，使跳閘線圈勵(lì)磁，帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)解除閉鎖。但在該水電站投運(yùn)初期，出現(xiàn)過(guò)幾次勵(lì)磁啟動(dòng)合閘后勵(lì)磁開(kāi)關(guān)馬上跳開(kāi)的故障，對(duì)回路進(jìn)行檢查未發(fā)現(xiàn)任何電氣問(wèn)題。后來(lái)對(duì)滅磁開(kāi)關(guān)的操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)滅磁開(kāi)關(guān)鎖定機(jī)構(gòu)存在問(wèn)題，在勵(lì)磁開(kāi)關(guān)合閘后機(jī)構(gòu)不能鎖住，勵(lì)磁開(kāi)關(guān)又重新分閘。將機(jī)構(gòu)調(diào)整后，勵(lì)磁開(kāi)關(guān)動(dòng)作正常。

3.3 系統(tǒng)電壓異常故障

該水電站系統(tǒng)電壓曾出現(xiàn)過(guò)如下故障：上位機(jī)發(fā)110 kV母線Ⅰ段電壓低，110 kVⅠ段母線PT計(jì)量電壓消失，報(bào)出110 kV母線Ⅱ段電壓低信號(hào)，造成1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)機(jī)組事故停機(jī)故障。查看勵(lì)磁屏操作終端elterm GMR3告警信號(hào)，發(fā)現(xiàn)1，2及4號(hào)機(jī)均發(fā)AC電源故障信號(hào)。從勵(lì)磁邏輯圖上勵(lì)磁緊急跳閘矩陣分析，當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)AC電源故障信號(hào)時(shí)，勵(lì)磁跳閘。從勵(lì)磁邏輯圖上勵(lì)磁故障檢測(cè)部分分析，因機(jī)組當(dāng)時(shí)正在運(yùn)行，勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)勵(lì)磁刀閘在合上位置，發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)在合上位置，綜合分析AC電源故障信號(hào)，應(yīng)為可控硅電壓故障。從GMR3G程序圖上分析，發(fā)電機(jī)電壓與可控硅同步電壓經(jīng)過(guò)一個(gè)減法器(UGK-USYNIW)，其結(jié)果在限制器中與B+(P47=+00.2002)比較，如其值大于B+，則發(fā)可控硅電壓故障信號(hào)。

查看勵(lì)磁報(bào)警和跳閘原因列表，可控硅電壓故障出現(xiàn)有下列2種可能：

(1) 勵(lì)磁變壓器電壓太低；

(2) 調(diào)節(jié)器變壓器回路自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)+JD2-F0009跳開(kāi)(同時(shí)發(fā)出報(bào)警“m.c.b跳閘”)，但勵(lì)磁屏無(wú)“m.c.b跳閘”顯示，由此可以判定為勵(lì)磁變壓器電壓太低，從而引起勵(lì)磁跳閘。

3.4 電子元器件老化故障

該水電站4號(hào)機(jī)因勵(lì)磁故障跳閘事故停機(jī)。故障時(shí)4號(hào)機(jī)帶20 MW有功負(fù)荷，2 MVar無(wú)功負(fù)荷;監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)顯示“4號(hào)G勵(lì)磁跳閘”紅色報(bào)警，4號(hào)機(jī)組“總報(bào)警”出口跳閘?，F(xiàn)地檢查發(fā)現(xiàn)MRB2主處理器板RUN運(yùn)行燈不亮， RESET復(fù)歸燈閃爍?，F(xiàn)地多次斷電重啟，均不能正常啟動(dòng)，更換該處理器板件并下載相關(guān)程序和參數(shù)后，即恢復(fù)正常。

此事故是因該板件連續(xù)運(yùn)行15年后，元器件老化造成的，顯現(xiàn)出該套勵(lì)磁調(diào)節(jié)器無(wú)冗余配置的不足之處。

4 總結(jié)

GMR3G型勵(lì)磁系統(tǒng)在有效使用年限內(nèi)完全能滿足水輪發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)要求，但在使用過(guò)程中要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況認(rèn)真進(jìn)行分析比較，配備可靠的一次設(shè)備，確保系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。隨著使用年數(shù)的增加，將會(huì)出現(xiàn)電子元器件老化引起的故障，且故障頻率隨投運(yùn)年數(shù)的增加而增加，需加強(qiáng)日常的維護(hù)，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)角度來(lái)分析勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

1 翟慶志．電機(jī)學(xué)[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2008.

2014-04-05。

鄔海軍(1975-)，男，工程師，主要從事水電站電氣維護(hù)技術(shù)工作，email：whjfdb@126.com。