郭志斌

(國電黃金埠發(fā)電有限公司，江西 上饒 335101)

ABBU5000勵磁跨接器原理分析及整定維護

郭志斌

(國電黃金埠發(fā)電有限公司，江西 上饒 335101)

介紹了ABB U5000系統(tǒng)勵磁跨接器的構(gòu)成和工作原理，梳理了3起該型號跨接器故障誤跳機組的案例，分析了引起跨接器故障的潛在危險點；同時，對跨接器電流動作值的合理設(shè)定進行了分析，并提供了該定值的參考整定方案；最后，針對危險點提出了相應(yīng)的日常運行維護內(nèi)容以及檢修期間的常規(guī)檢查項目，以避免該類型跨接器誤跳機組事故的發(fā)生。

跨接器；霍爾電流互感器；轉(zhuǎn)子過電壓；危險點

0 引言

運行中的發(fā)電機如果出現(xiàn)內(nèi)部故障，繼電保護就會迅速動作跳開出口開關(guān)，將發(fā)電機從系統(tǒng)中切除；同時，勵磁系統(tǒng)的滅磁開關(guān)也會立即跳開，切斷發(fā)電機的感應(yīng)電勢，防止給短路點提供故障電流。但是，由于發(fā)電機的轉(zhuǎn)子線圈是個大電感，突然斷開滅磁開關(guān)時將在轉(zhuǎn)子線圈兩端產(chǎn)生很高的過電壓；另外，當(dāng)發(fā)電機在運行中突然發(fā)生短路、非全相合閘、非同期并網(wǎng)、失步時，也都會在轉(zhuǎn)子線圈中產(chǎn)生過電壓。為了防止上述過電壓對轉(zhuǎn)子線圈絕緣造成破壞，ABB U5000勵磁系統(tǒng)采用跨接器對轉(zhuǎn)子回路予以保護。

1 跨接器的工作原理

在ABB U5000勵磁系統(tǒng)中，跨接器的主要作用有2點：一是用于滅磁，即在滅磁開關(guān)跳開時，瞬間投入跨接器，將轉(zhuǎn)子線圈的磁場快速減弱到最小程度；二是用于轉(zhuǎn)子正向、反向過電壓保護。

跨接器由-A02單元和-F02單元組成。-A02單元是一個主要由過電壓檢測元件(V1000)組成的觸發(fā)板；-F02單元主要由晶閘管V1-V3及霍爾電流互感器T1組成，如圖1所示。

圖1 U5000跨接器示意

1.1 主要元器件功能

(1) 過電壓檢測元件(BOD)：實質(zhì)上為一個轉(zhuǎn)折二極管，即圖1中的V1000元件；當(dāng)其正向電壓達到動作值時，該二極管導(dǎo)通，但只能單向?qū)ā?/p>

(2) V1-V3晶閘管：轉(zhuǎn)子正、反向過電壓導(dǎo)通晶閘管。當(dāng)其任意一個導(dǎo)通時，滅磁電阻就并入到轉(zhuǎn)子線圈吸收轉(zhuǎn)子能量。

(3) T1霍爾電流互感器(CUS)：用于監(jiān)測跨接器的電流，其額定電流為2000A，且線性度和精度都非常高。傳感器的輸出能夠產(chǎn)生與鐵芯內(nèi)所流過電流成正比的差分電壓。通過參數(shù)項【925】來整定該電流的動作值，當(dāng)所檢測的電流超過定值時，過電壓保護動作，跳滅磁開關(guān)并停機。其輸入輸出如圖2所示。

圖2 霍爾電流互感器輸入輸出特性示意

(4) K1，K2，K3滅磁開關(guān)跳閘繼電器：當(dāng)滅磁開關(guān)跳閘時，繼電器K1或K2動作，直接觸發(fā)V2和V3可控硅，投入滅磁電阻。串聯(lián)在K1和K2繼電器線圈的電阻是操作電壓選擇電阻；K2線圈兩端的電容起延時作用，可以讓這2個繼電器先后動作；K3是備用繼電器，沒有使用。

1.2 轉(zhuǎn)子正、反向過電壓時跨接器的工作原理

當(dāng)轉(zhuǎn)子線圈兩端產(chǎn)生正向過電壓時，圖1中的V1晶閘管、轉(zhuǎn)折二極管(V1000)都將感受到正向電壓；當(dāng)電壓數(shù)值達到V1000的擊穿電壓時，V1000導(dǎo)通，觸發(fā)V1晶閘管的控制極，V1晶閘管導(dǎo)通，投入滅磁電阻吸收轉(zhuǎn)子能量。V1控制極在圖1中的導(dǎo)通途徑為：V9→R11→V4→V1000→V7→V1控制極，其簡圖如圖3所示。

當(dāng)轉(zhuǎn)子線圈兩端產(chǎn)生反向過電壓時，圖1中的V2晶閘管、轉(zhuǎn)折二極管(V1000)都將感受到正向電壓；當(dāng)電壓值達到V1000的擊穿電壓時，V1000導(dǎo)通，觸發(fā)V2晶閘管的控制極，V2晶閘管導(dǎo)通，投入滅磁電阻吸收轉(zhuǎn)子能量。V2控制極在圖1中的導(dǎo)通途徑為：V8→V5→V1000→V6→R11→V2控制極，其簡圖如圖4所示。

圖3 轉(zhuǎn)子正向過電壓V1導(dǎo)通途徑

圖4 轉(zhuǎn)子反向過電壓V2導(dǎo)通途徑

1.3 滅磁時跨接器的工作原理

滅磁開關(guān)跳閘后，瞬間在轉(zhuǎn)子兩端產(chǎn)生反向電壓，晶閘管V2，V3感受到正向電壓。同時，滅磁開關(guān)跳閘繼電器K1，K2先后動作，其接點直接觸發(fā)V2，V3晶閘管的控制極，觸發(fā)其導(dǎo)通，將滅磁電阻并入轉(zhuǎn)子線圈吸收能量，快速降低發(fā)電機電勢。V2控制極在圖1中的導(dǎo)通途徑為：K1繼電器常開接點→可調(diào)電阻T2→V2控制極；V3控制極在圖1中的導(dǎo)通途徑為：K2繼電器常開接點→可調(diào)電阻T1→V3控制極；其簡圖如圖5，6所示。

2 跨接器故障案例

(1) 案例1。某電廠機組在正常運行時，AVR(自動電壓調(diào)節(jié)器)報“轉(zhuǎn)子過電壓”并跳開滅磁開關(guān)，聯(lián)跳發(fā)變組開關(guān)，事故停機。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，跨接器CUS元件上面的SUB-D型端子的第7管腳發(fā)生嚴(yán)重電腐蝕導(dǎo)致斷路，為干擾的輸入提供了條件。機組運行過程中，在勵磁屏關(guān)門的瞬間，門控開關(guān)的接點動作，切斷屏體日光燈電源，日光燈鎮(zhèn)流器線圈放電產(chǎn)生高次諧波電壓信號，此干擾信號從CUS的開路點輸入FIO(快速輸入/輸出板)，達到跨接器電流動作設(shè)定值(參數(shù)項【925】設(shè)置為120A)，使得勵磁邏輯報“轉(zhuǎn)子過電壓故障”而跳開滅磁開關(guān)；但實際轉(zhuǎn)子主回路并未發(fā)生過電壓，跨接器發(fā)生誤動而導(dǎo)致跳機。

圖5 滅磁時V2導(dǎo)通途徑

圖6 滅磁時V3導(dǎo)通途徑

(2) 案例2。2012-11-21T14:22，某發(fā)電廠2號機組跳閘，DCS發(fā)“勵磁裝置總報警”、“勵磁系統(tǒng)故障”、“勵磁跳閘”信號，發(fā)變組開關(guān)跳閘，聯(lián)跳汽輪機，鍋爐滅火。就地檢查2號機發(fā)變組保護柜發(fā)“勵磁系統(tǒng)故障”報警，檢查發(fā)現(xiàn)勵磁調(diào)節(jié)器發(fā)“轉(zhuǎn)子過電壓”報警跳閘。2012-11-23T06:17，2號機組再次跳閘，現(xiàn)象與上次相同。經(jīng)檢查，故障原因為跨接器觸發(fā)板BOD元件存在質(zhì)量問題，在正常運行中誤觸發(fā)了V1晶閘管，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子過電壓保護誤動，機組跳閘。

(3) 案例3。某600MW火電機組采用ABB U5000自并勵系統(tǒng)，在機組大負(fù)荷工況下，AVR報轉(zhuǎn)子過電壓故障導(dǎo)致滅磁開關(guān)跳閘、機組解列。檢查勵磁系統(tǒng)和發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組未發(fā)現(xiàn)異常，再檢查AVR跨接器參數(shù)，發(fā)現(xiàn)參數(shù)項【925】跨接器電流動作設(shè)定值為100A；由于其定值過小，未能躲開直流母排上大容量勵磁電流帶來的干擾，從而導(dǎo)致跨接器誤動跳機。

3 跨接器故障危險點分析

梳理上述幾起跨接器故障案例發(fā)現(xiàn)，跨接器危險點主要集中在CUS元件和BOD元件。這其中包括硬件的缺陷，又包括軟件設(shè)置不合理，主要有以下6點：

(1) CUS裝設(shè)在滅磁柜內(nèi)，周圍布滿了直流母排，機組正常運行時直流母排的電流為數(shù)千安培，強勵時其電流接近上萬安培，對CUS元件的輸出端存在著較大干擾；

(2) CUS元件的輸出端為差分電壓，其幅值很小，一旦輸出端子開路，則小干擾信號也能通過開路點輸送到AVR，從而造成AVR的誤判；

(3) 跨接器電流動作設(shè)定值不合理，保護動作值過小，未能躲開機組正常運行時產(chǎn)生的干擾；

(4) 跨接器觸發(fā)板BOD元件發(fā)生缺陷，誤觸發(fā)晶閘管；

(5) -A02單元與-F02單元之間的連接不可靠帶來的危險；

(6) CUS元件與FIO板之間的連接端子松動及連接電纜斷裂帶來的危險。

4 跨接器的維護

4.1 合理設(shè)置跨接器電流動作值

合理設(shè)置跨接器電流動作值【925項】，可以有效避免跨接器的誤動。一般廠家推薦的經(jīng)驗值為100A或120A；但經(jīng)實踐證明，該經(jīng)驗值并不符合現(xiàn)場實際情況，在某些特殊工況下容易導(dǎo)致誤動。

理論上，機組正常運行時跨接器不接通，跨接器流過的電流為毫安級的漏電流；但由于CUS安裝在滅磁柜內(nèi)，其輸出端受直流母排的干擾比較大，機組正常運行時【10929】項所檢測到的跨接器電流也大。但該電流并非跨接器的實際電流，而是由干擾信號產(chǎn)生的虛假電流。由于AVR對此無法區(qū)分，自動默認(rèn)該虛假電流為跨接器的實際電流，導(dǎo)致干擾信號產(chǎn)生的虛假電流值與勵磁電流的大小基本成正比。另外，在CUS元件輸出端開路的情況下，因受到的干擾信號越強烈，虛假電流也越大，所以，應(yīng)以現(xiàn)場所測得的跨接器電流為依據(jù)來整定跨接器電流動作值。該電流值的整定原則應(yīng)為躲過最大勵磁電流運行工況下且CUS輸出端開路時干擾信號產(chǎn)生的虛假電流。通過對相關(guān)資料的搜集和分析，可按如下公式對跨接器電流動作值【925項】進行計算：

式(1)中，Ir.set為跨接器電流動作值；Ien為發(fā)電機額定勵磁電流，乘以2為最大勵磁電流運行工況(強勵)；Ie為某正常運行工況下的勵磁電流，工況選擇以實際運行勵磁電流越大越好；Ir為某正常運行工況下【10929】項所檢測到的跨接器電流；Kd為裕度系數(shù)，一般設(shè)置為1.2；Kk為CUS元件輸出端開路時的可靠系數(shù)，一般設(shè)置為1.5-1.6。

以某公司2號發(fā)電機為例，該機額定勵磁電流為4 638 A，2013-12-11某正常運行工況下的勵磁電流為2 968 A，通過【10929】項檢測到在此工況下的跨接器電流為46 A，根據(jù)公式(1)，Ir.set=2×4 638÷2 968×46×1.2×1.6=276 A≈280A， 則該臺機組整定的跨接器電流動作值【925項】為280A。

4.2 機組正常運行時的日常維護

(1) 檢查勵磁小室的溫度是否合適，通風(fēng)是否良好，以防板卡電子元器件過熱而損壞。

(2) 及時更換勵磁系統(tǒng)的濾網(wǎng)，防止板卡積灰而影響電子元器件的性能。

(3) 通過【10929】項跟蹤觀察跨接器電流的大小，出現(xiàn)異常要立即分析原因。

(4) 對出現(xiàn)的跨接器報警信息，要及時分析原因并及時處理。

4.3 機組檢修期間的檢查

4.3.1 霍爾電流互感器的檢查

霍爾電流互感器(CUS)被放置在環(huán)形鐵芯的氣隙中，CUS的接頭連到船形插座，插座、環(huán)形鐵芯和傳感器均澆注在一個塑料盒內(nèi)，如圖7所示。

CUS經(jīng)船型插座通過電纜與FIO板連接，其連接如圖8所示。

根據(jù)其結(jié)構(gòu)及布置，應(yīng)對CUS元件進行以下檢查：

(1) 檢查CUS外殼有無裂痕，是否完整；

(2) 檢查船型插座是否完好，是否松動，管腳有無開路現(xiàn)象；

(3) 檢查CUS元件與FIO之間的連接電纜是否完好；

(4) 檢查FIO板與CUS元件連接的端子是否完好，插座是否緊固。

圖7 霍爾電流互感器外形

圖8 霍爾電流互感器與FIO板連接示意

4.3.2-A02觸發(fā)板的檢查

(1) 檢查觸發(fā)板板卡是否完好，元件有無燒黑、放電等現(xiàn)象。

(2) 檢查BOD元件是否完好，管腳接觸是否良好。

(3) 檢查-A02觸發(fā)板與-F02單元之間的連接是否完好，有無松動。

4.4 發(fā)電機滅磁試驗

機組檢修結(jié)束后，應(yīng)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對發(fā)電機進行滅磁試驗，檢查跨接器的性能，測量滅磁時跨接器的動作電壓值、動作電流值應(yīng)符合整定值，轉(zhuǎn)子過電壓保護不應(yīng)該動作。

5 結(jié)束語

同步發(fā)電機安全可靠的滅磁，不僅關(guān)系到勵磁系統(tǒng)本身的安全，而且直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。對發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路產(chǎn)生的過電壓，必須采取有效措施來限制，以保護發(fā)電機轉(zhuǎn)子絕緣和勵磁裝置的安全運行。ABB U5000勵磁系統(tǒng)跨接器為發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路提供了快速、可靠的保護，只要設(shè)置合理，維護得當(dāng)，就能有效避免該類型跨接器誤跳機組事故的發(fā)生。

1 王君亮．同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)原理與運行維護[M]．北京：中國水利水電出版社，2010.

2 陳杰鳳．UN5000勵磁系統(tǒng)跨接器_CROWBAR_故障的技術(shù)分析與處理[J]．大電機技術(shù)，2007，37(5)：49-52．

2015-05-10。

郭志斌（1975-），男，繼電保護技師，主要從事發(fā)電廠繼電保護及自動化裝置維護和管理工作，email:1044682068@qq.com。