張會(huì)軍，賀　臻（華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南　大理 675702）

小灣水電廠勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)失敗案例分析

張會(huì)軍，賀臻
（華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南大理 675702）

小灣水電廠勵(lì)磁系統(tǒng)為西門(mén)子Thyripol型勵(lì)磁裝置。起勵(lì)方式分為交流和直流2種，正常情況下采用廠用電源交流起勵(lì)方式。起勵(lì)過(guò)程中，當(dāng)同步電壓大于10%額定電壓時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制脈沖觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，轉(zhuǎn)為自并勵(lì)方式。投產(chǎn)以來(lái)，共發(fā)生4起勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)建壓失敗案例。針對(duì)不同原因?qū)е碌慕▔菏“咐M(jìn)行了分析。

勵(lì)磁系統(tǒng)；起勵(lì)失??；調(diào)節(jié)器；同步電壓；小灣水電站

1　勵(lì)磁系統(tǒng)簡(jiǎn)介

小灣水電站位于瀾滄江中游云南省大理州與臨滄市交界處，裝有6臺(tái)單機(jī)700 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)4 200 MW。2009年9月首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)，2010年8月全部投產(chǎn)。勵(lì)磁系統(tǒng)采用西門(mén)子Thripol勵(lì)磁裝置，調(diào)節(jié)器型號(hào)為SIMATIC-S7，直流調(diào)速器控制部分型號(hào)為 SIMOREG DC MASTER 6RA7000-0MV62。勵(lì)磁系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)為：發(fā)電機(jī)額定功率700 MW；發(fā)電機(jī)額定電壓18 kV；發(fā)電機(jī)額定電流24 948 A；額定勵(lì)磁電壓370 V；額定勵(lì)磁電流3 690 A。投產(chǎn)以來(lái)，共發(fā)生4起勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)建壓失敗案例。本文針對(duì)不同原因?qū)е碌慕▔菏“咐M(jìn)行了分析。

2　起勵(lì)建壓失敗案例

2.1外部開(kāi)關(guān)量異常導(dǎo)致

某日，5號(hào)機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程中，機(jī)組在正常開(kāi)機(jī)至空轉(zhuǎn)態(tài)后，勵(lì)磁系統(tǒng)投入起勵(lì)，監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)“勵(lì)磁系統(tǒng)A/B通道勵(lì)磁事故跳閘”等信號(hào)，滅磁開(kāi)關(guān)跳閘，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)啟動(dòng)電氣事故停機(jī)流程，機(jī)組轉(zhuǎn)至停機(jī)態(tài)。事件發(fā)生在機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中，機(jī)組未并網(wǎng)。監(jiān)控及勵(lì)磁系統(tǒng)告警信息如下：

（1）監(jiān)控系統(tǒng)簡(jiǎn)報(bào)信息：07∶36∶14滅磁開(kāi)關(guān)合閘；07∶36∶16勵(lì)磁A/B通道勵(lì)磁系統(tǒng)投入；07∶36∶21勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)投入復(fù)歸；07∶36∶31勵(lì)磁系統(tǒng)報(bào)警；07∶36∶31勵(lì)磁系統(tǒng)通道1、2狀態(tài)完好復(fù)歸；07∶36∶34勵(lì)磁系統(tǒng)A/B通道告警動(dòng)作；07∶37∶13發(fā)電機(jī)保護(hù)A/B通道保護(hù)裝置故障報(bào)警；07∶37∶13發(fā)電機(jī)保護(hù)A/B通道勵(lì)磁系統(tǒng)事故跳閘；07∶37∶14滅磁開(kāi)關(guān)跳閘；07∶37∶15電氣事故停機(jī)過(guò)程中。

（2）勵(lì)磁系統(tǒng)告警信號(hào)：現(xiàn)場(chǎng)檢查勵(lì)磁調(diào)節(jié)柜操作面板報(bào)警信息，兩通道調(diào)節(jié)器均報(bào)出“main low voltage on CM-module”（CUD板同步電壓采樣低，脈沖允許的情況下，功率柜陽(yáng)極電壓低于額定值5%時(shí)報(bào)警）；UAL Redundancy lost（冗余丟失，兩通道均判定通道故障）；Colleective Fault CM-Module（CUD存在故障）；Collective Fault channel Error（通道存在嚴(yán)重故障）；Protection OFF from T400（T400開(kāi)出勵(lì)磁系統(tǒng)事故跳閘）。

小灣水電站勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)邏輯為：調(diào)節(jié)器收到起勵(lì)命令，首先投入400 V廠用交流電源起勵(lì)；當(dāng)機(jī)端電壓大于10%額定電壓時(shí)，調(diào)節(jié)器控制脈沖觸發(fā)整流柜可控硅導(dǎo)通，轉(zhuǎn)入自并勵(lì)運(yùn)行；當(dāng)機(jī)端電壓大于2 339 V時(shí)，切除交流起勵(lì)回路；若起勵(lì)10 s后機(jī)端電壓仍小于2 339 V時(shí)，則認(rèn)為起勵(lì)失?。?］。

調(diào)取PMU系統(tǒng)5號(hào)機(jī)組機(jī)端電壓和轉(zhuǎn)子電壓曲線可知，起勵(lì)時(shí)機(jī)端電壓最高已升至2 414.96 V，大于2 339 V，此時(shí)初勵(lì)已成功，初勵(lì)回路已切除。因此，機(jī)組開(kāi)機(jī)失敗的直接原因初步判斷為勵(lì)磁系統(tǒng)初勵(lì)時(shí)未切至自并勵(lì)升壓［2］。

查閱電站內(nèi)同步相量測(cè)量裝置PMU故障時(shí)錄波圖可知，5號(hào)機(jī)組建壓過(guò)程如下：07∶36∶13交流起勵(lì)投入；07∶36∶18機(jī)端電壓升至1 801.4 V（約10%額定電壓）；07∶36∶20機(jī)端電壓上升至約2 339 V時(shí)切除交流起勵(lì)回路；07∶36∶21機(jī)端電壓升至最大值2 414.96 V，歷時(shí)約8.06 s。勵(lì)磁系統(tǒng)從投入起勵(lì)至機(jī)端電壓升至 2 339 V（11.8%額定電壓）用時(shí)6.87 s，交流起勵(lì)過(guò)程正常。

對(duì)比發(fā)電機(jī)正常起勵(lì)勵(lì)磁電壓波形可知，當(dāng)機(jī)端電壓上升至10%額定電壓時(shí)（約1 800 V），轉(zhuǎn)子電壓未上升，結(jié)合勵(lì)磁系統(tǒng)報(bào)“main low voltage on CM-module”（CUD板同步電壓采樣低）預(yù)警信號(hào)，初步判斷為同步采樣異常導(dǎo)致勵(lì)磁系統(tǒng)未正常發(fā)出脈沖至可控硅，導(dǎo)致5號(hào)機(jī)組起勵(lì)建壓失敗。

07∶36∶31監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)“5號(hào)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)通道1、2狀態(tài)完好復(fù)歸”，對(duì)應(yīng)勵(lì)磁系統(tǒng)UAL Redundancy lost（冗余丟失，兩通道調(diào)節(jié)器故障）告警，勵(lì)磁系統(tǒng)因雙通道調(diào)節(jié)器故障發(fā)出事故信號(hào)至發(fā)變組保護(hù)，隨后發(fā)變組保護(hù)跳開(kāi)滅磁開(kāi)關(guān)，進(jìn)入事故停機(jī)流程。

專業(yè)人員根據(jù)勵(lì)磁程序、故障時(shí)勵(lì)磁裝置操作面板報(bào)警信息進(jìn)行詳細(xì)討論分析，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題如下：07∶36∶21 B通道“勵(lì)磁調(diào)節(jié)器CUD故障”；07∶36∶21 B通道“冗余丟失”；07∶36∶26 A通道“同步采樣電壓低報(bào)警”；07∶36∶27 B通道“同步采樣電壓低報(bào)警”；07∶37∶04 A通道“勵(lì)磁調(diào)節(jié)器CUD故障”；07∶37∶04 A通道“冗余丟失”；07∶37∶04 A通道“勵(lì)磁調(diào)節(jié)器T400板跳閘”；07∶37∶09 B通道“勵(lì)磁調(diào)節(jié)器T400板跳閘”。

由于兩通道均報(bào)“同步電壓采樣低報(bào)警”，初步判斷CUD故障報(bào)警為“F004”故障。根據(jù)勵(lì)磁系統(tǒng)6RA70直流調(diào)速器技術(shù)說(shuō)明書(shū)及調(diào)速器CUD邏輯圖，“同步電壓采樣低報(bào)警”邏輯：脈沖允許且同步電壓采樣值低于5%（額定809 V），延遲15 s報(bào)警?！癋004”報(bào)警邏輯：調(diào)節(jié)器應(yīng)在≤o5狀態(tài)（o5為調(diào)節(jié)器運(yùn)行狀態(tài)的一種，在調(diào)節(jié)器顯示面板上顯示，下同），且同步電壓采樣值小于10%延時(shí)10 s報(bào)警。

兩種報(bào)警所采同步電壓為同一個(gè)源，“同步電壓采樣低報(bào)警”兩通道基本同時(shí)出現(xiàn)，說(shuō)明同步采樣電壓過(guò)低。兩通道CUD報(bào)警時(shí)間差43 s，推斷原因如下：起勵(lì)時(shí)，A通道調(diào)節(jié)器狀態(tài)＞o5，此時(shí)不判定同步電壓，而B(niǎo)通道狀態(tài)≤o5，正常采集同步電壓。由于起勵(lì)時(shí)A通道主用，機(jī)端電壓達(dá)到10%時(shí)，A通道未進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)無(wú)法觸發(fā)脈沖，導(dǎo)致機(jī)端電壓回落，功率柜陽(yáng)極電壓（同步電壓）回落，經(jīng)延時(shí)后同步電壓低報(bào)警。而43 s后A通道調(diào)節(jié)器又進(jìn)入正常狀態(tài)（≤o5），開(kāi)始判定同步電壓，經(jīng)延時(shí)報(bào)警，雙通道均報(bào)警后勵(lì)磁系統(tǒng)開(kāi)出事故跳閘信號(hào)送至發(fā)變組保護(hù)柜。因此，故障當(dāng)日起勵(lì)時(shí)A通道調(diào)節(jié)器可能的狀態(tài)為o7、o8或o10。

（1）o7狀態(tài)：等待合閘命令（有調(diào)節(jié)器T400板開(kāi)機(jī)令和滅磁開(kāi)關(guān)合閘位置信號(hào)）。

（2）o8狀態(tài)：合閘禁止（有外部跳閘令或調(diào)節(jié)器T400板停機(jī)令）。

（3）o10狀態(tài)：合閘禁止和自由停車(chē)令，停機(jī)后勵(lì)磁調(diào)節(jié)器即為此狀態(tài)。

根據(jù)上述分析結(jié)果進(jìn)行模擬試驗(yàn)，開(kāi)機(jī)前將A通道CUD滅磁開(kāi)關(guān)合閘位置信號(hào)光耦器件拔除，進(jìn)行起勵(lì)，過(guò)程如下：

（1）起勵(lì)時(shí)，交流起勵(lì)回路正常投入，A通道調(diào)節(jié)器進(jìn)入o7狀態(tài)，B通道調(diào)節(jié)器進(jìn)入o4狀態(tài)（等待同步電壓）。

（2）當(dāng)機(jī)端電壓大于10%時(shí)，B通道狀態(tài)進(jìn)入I（調(diào)節(jié)器正常運(yùn)行狀態(tài)）。由于A通道處于o7狀態(tài)，觸發(fā)脈沖無(wú)法正常發(fā)出，起勵(lì)回路正常退出后，機(jī)端電壓開(kāi)始下降，接著B(niǎo)通道又進(jìn)入o4狀態(tài)，延遲10 s報(bào)“F004”故障。

（3）約5 s后，A、B通道均報(bào)出“同步采樣電壓低告警”（PLC報(bào)出與調(diào)節(jié)器狀態(tài)無(wú)關(guān)）。

（4）將A通道調(diào)節(jié)器CUD滅磁開(kāi)關(guān)合閘位置信號(hào)光耦器件恢復(fù)，A通道進(jìn)入o4狀態(tài)，延時(shí)10 s報(bào)“F004”。

（5）兩通道均報(bào)警后，勵(lì)磁系統(tǒng)開(kāi)出事故跳閘信號(hào)送至發(fā)變組保護(hù)柜。

操作面板報(bào)警信息與故障時(shí)一致，機(jī)端電壓及勵(lì)磁電壓波形與故障時(shí)相同。

由于A通道一段時(shí)間后重新進(jìn)入o4狀態(tài)，判斷勵(lì)磁程序內(nèi)開(kāi)機(jī)令一直為1（高電平有效），停機(jī)令一直為1（低電平有效）。若有外部調(diào)節(jié)器跳閘信號(hào)，操作面板應(yīng)有相關(guān)報(bào)警。由此斷定，當(dāng)時(shí)起勵(lì)后A通道由于未收到滅磁開(kāi)關(guān)合閘位置信號(hào)，調(diào)節(jié)器CUD進(jìn)入o7狀態(tài)，等待來(lái)自外部的滅磁開(kāi)關(guān)合閘位置信號(hào)。

送入調(diào)節(jié)器A通道的滅磁開(kāi)關(guān)合閘位置信號(hào)來(lái)自滅磁開(kāi)關(guān)位置擴(kuò)展繼電器K604，K604由滅磁開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的一對(duì)常開(kāi)、一對(duì)常閉輔助節(jié)點(diǎn)控制，相對(duì)比較可靠，且K604上其他位置信號(hào)并未變化。因此，判斷K604繼電器擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)至調(diào)節(jié)器CUD的光電耦合回路存在問(wèn)題。更換滅磁開(kāi)關(guān)位置擴(kuò)展繼電器K604和滅磁開(kāi)關(guān)合閘位置信號(hào)光耦K14后，現(xiàn)5號(hào)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)已穩(wěn)定運(yùn)行至今，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

2.2起勵(lì)變壓器副邊電壓不足導(dǎo)致

某日，1號(hào)機(jī)組在正常開(kāi)機(jī)過(guò)程中，勵(lì)磁系統(tǒng)于07∶46∶18起勵(lì)，07∶46∶28報(bào)勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)失敗，隨后發(fā)變組保護(hù)A、B通道出口報(bào)“勵(lì)磁系統(tǒng)事故跳閘”信號(hào)，機(jī)組電氣事故停機(jī)。類似情況在小灣水電廠各機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)中先后出現(xiàn)過(guò)3次，并非個(gè)例。

從監(jiān)控系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)及曲線可以看出，機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)電源投入正常，但機(jī)端電壓并未超過(guò)10%的額定電壓，勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)器報(bào)出“F004”故障，判定起勵(lì)失敗，向機(jī)組發(fā)變組保護(hù)發(fā)出事故跳閘令［3］。

小灣水電廠勵(lì)磁裝置內(nèi)部勵(lì)磁變副邊電壓定值設(shè)置：P078.001=809 V；P353=10%；P086=10 s。在調(diào)節(jié)器正常工作過(guò)程中（起勵(lì)后，滅磁完成前），若勵(lì)磁變副邊電壓低于10%的額定電壓，則立即封鎖脈沖。同時(shí)，若該故障保持時(shí)間小于10 s恢復(fù)，裝置能夠正常運(yùn)行；若大于10 s未恢復(fù)，則報(bào)出故障“F004”?？紤]到裝置本身對(duì)參數(shù)修改范圍的限制，故對(duì)裝置參數(shù)調(diào)整的方案不可取［4］。

交流起勵(lì)是通過(guò)變比為400 V/32 V的變壓器將廠用400 V交流電源降壓至32 V，再經(jīng)過(guò)二極管整流橋整成43 V左右的直流電源，加在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩側(cè)完成起勵(lì)過(guò)程。

根據(jù)上述硬件配置及程序要求，再結(jié)合發(fā)電機(jī)參數(shù)Td=12.57 s，勵(lì)磁繞組電阻0.085 Ω（75℃），空載額定勵(lì)磁電流2 140 A，計(jì)算出交流起勵(lì)方式下機(jī)端電壓達(dá)到11.8%所需的時(shí)間大約為8.5 s（理論值）。但實(shí)際運(yùn)行中，由于起勵(lì)過(guò)程易受轉(zhuǎn)子充、放電過(guò)程，廠用400 V電源是否穩(wěn)定以及勵(lì)磁系統(tǒng)PT采樣精度等因素的影響，導(dǎo)致10 s內(nèi)未能建壓至程序所需的數(shù)值，勵(lì)磁系統(tǒng)判定“F004”故障，報(bào)出起勵(lì)失敗信號(hào)，機(jī)組電氣事故停機(jī)，影響了電廠的正常運(yùn)行需要。因此，抬高副邊電壓，可縮短起勵(lì)時(shí)間，有效地降低了起勵(lì)失敗的可能性［5-6］。

將原起勵(lì)變壓器（變比為400 V/32 V）更換為400 V/38 V的起勵(lì)變壓器，其他參數(shù)不變。6臺(tái)機(jī)組在更換起勵(lì)變壓器后，起勵(lì)時(shí)間縮短為6.8 s左右。更換至今，未發(fā)生因勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)失敗而造成機(jī)組電氣事故停機(jī)現(xiàn)象。

3　結(jié)語(yǔ)

勵(lì)磁系統(tǒng)外部設(shè)備、回路及信號(hào)與勵(lì)磁系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行息息相關(guān)，應(yīng)關(guān)注外圍設(shè)備參數(shù)是否滿足實(shí)際需求，日常維護(hù)及檢修中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)外部繼電器、光電耦合器件的檢查及校驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)劣化及損壞現(xiàn)象，避免勵(lì)磁系統(tǒng)異常現(xiàn)象的發(fā)生。

［1］許其品，許其質(zhì).勵(lì)磁系統(tǒng)的起勵(lì)問(wèn)題［J］.水電廠自動(dòng)化，2004 （3）：63-66.

［2］王斌.自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)失敗原因分析及處理［J］.電力安全技術(shù)，2011，13（3）：62-64.

［3］孟凡超，吳龍.發(fā)電機(jī)勵(lì)磁技術(shù)問(wèn)答及事故分析［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2008.

［4］竺士章.發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)試驗(yàn)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2005.

［5］王君亮.同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)原理與運(yùn)行維護(hù)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.

［6］王興貴，黃忠良.小型同步發(fā)電機(jī)可控硅勵(lì)磁起勵(lì)問(wèn)題研究［J］.水力發(fā)電，2005，31（4）：71-73.

（責(zé)任編輯楊?。?/p>

Analyses on Excitation Failure Cases of Excitation System in Xiaowan Hydropower Plant

ZHANG Huijun，HE Zhen
（Huaneng Hydro Lancang Xiaowan Hydropower Plant，Dali 675702，Yunnan，China）

The type of excitation system in Xiaowan Hydropower Plant is Siemens Thyripol excitation device.The excitation methods include AC and DC excitation modes，and the AC mode supplied by auxiliary power is used under normal operation condition.In the process of excitation，the excitation regulator will trigger the thyristor when the synchronous voltage is greater than 10%Un，and then switches to self-shunt excitation mode.Four excitation failures occur in the operation of hydrogenerators in Xiaowan Hydropower Plant.The failure cases are analyzed.

excitation system；excitation failure；regulator；synchronous voltage；Xiaowan Hydropower Station

TM761.11（274）

A

0559-9342（2015）10-0054-03

2015-07-27

張會(huì)軍（1986—），男，山東費(fèi)縣人，工程師，主要從事水電廠勵(lì)磁及繼電保護(hù)、維護(hù)及檢修工作.