肖華賓

(神華廣東國華粵電臺山發(fā)電有限公司，廣東 臺山 529228)

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一種百萬機(jī)組三機(jī)無刷勵磁電源故障處理方法

肖華賓

(神華廣東國華粵電臺山發(fā)電有限公司，廣東 臺山 529228)

針對ABB UNITROL 5000勵磁系統(tǒng)在國內(nèi)的運行現(xiàn)狀，為降低百萬機(jī)組三機(jī)無刷勵磁系統(tǒng)任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的故障時的電量損失，縮短勵磁系統(tǒng)故障處理時間，研究并實施了一種適用于大型發(fā)電機(jī)組三機(jī)無刷勵磁電源故障的處理方法。結(jié)合一起勵磁系統(tǒng)電源開關(guān)故障引發(fā)的失磁保護(hù)動作事件，提供了一種非常規(guī)的事故處理方法，即在不改變勵磁系統(tǒng)運行工況的情況下，通過現(xiàn)場正確更改電氣一次及二次回路接線，徹底隔離部分故障元器件，實現(xiàn)完全滿足自動勵磁系統(tǒng)工作原理的目的。經(jīng)動態(tài)測試和運行實踐檢驗，驗證了該方法能有效提高大型發(fā)電機(jī)組勵磁系統(tǒng)運行的可靠性，有利于縮短現(xiàn)場故障處理時間，降低大型機(jī)組勵磁系統(tǒng)故障概率、運行風(fēng)險以及系統(tǒng)維修成本。

百萬機(jī)組；三機(jī)無刷勵磁；轉(zhuǎn)子測量碳刷；滑環(huán)

在現(xiàn)代化的電力系統(tǒng)中，提高同步發(fā)電機(jī)的運行穩(wěn)定性，是保證電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定的基本條件之一。在眾多改善同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運行條件的措施中，運用現(xiàn)代控制理論、提高勵磁系統(tǒng)的控制性能是公認(rèn)的有效手段之一[1]。尤其是近年來，電力系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大加速和發(fā)電機(jī)組容量持續(xù)增大，國產(chǎn)百萬機(jī)組投運越來越多，勵磁系統(tǒng)作為發(fā)電機(jī)組的重要組成部分，其安全穩(wěn)定性直接影響到發(fā)電廠乃至電網(wǎng)的安全。

當(dāng)前，百萬機(jī)組主要采用三機(jī)無刷勵磁和靜態(tài)勵磁兩種自動勵磁方式，其中三機(jī)無刷勵磁系統(tǒng)占比相對較少。隨著ABB勵磁系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展和市場擴(kuò)張的需要，ABB UNITROL 5000勵磁系統(tǒng)于 2013 年就已經(jīng)停產(chǎn)，其應(yīng)用隨之越來越少，國內(nèi)備件儲備不足，同時ABB UNITROL 5000勵磁系統(tǒng)電源故障的處理經(jīng)驗和手段非常有限?；诂F(xiàn)狀，在勵磁系統(tǒng)電源故障的處理上，提出一種不同的現(xiàn)場緊急事故處理應(yīng)對方法，同時提出避免該類型電源問題的建議。

1 三機(jī)無刷勵磁系統(tǒng)介紹

神華廣東國華粵電臺山發(fā)電有限公司(以下簡稱“神華臺電”)6號、7號1 000 MW級發(fā)電機(jī)組采用的是上海電氣電站設(shè)備有限公司生產(chǎn)的三機(jī)無刷勵磁系統(tǒng)。系統(tǒng)接線如圖1所示，其中：主勵磁機(jī)選型為ELR-70/90-30/6-20N，額定容量4 500 kW，額定直流電壓600 V，額定直流電流7.5 kA；副勵磁機(jī)額定容量65 kVA，額定電壓220 V，額定電流195 A，功率因數(shù)0.6，頻率400 Hz[2]；發(fā)電機(jī)選型為THDF-125/67，額定容量為1 112 MVA，額定功率為1 000 MW，額定電壓為27 kV，額定電流為23 778 kA，額定勵磁電壓為437 V，額定勵磁電流為5 887 A[3]；電源選擇開關(guān)(Q70)選型為C125 150 A/690 V，額定電流125 A；勵磁開關(guān)(Q02)為SACE TMAX 3P T30 250 400 Hz的三相250 A塑殼斷路器。

圖1 三機(jī)無刷勵磁發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)接線原理

三機(jī)無刷勵磁系統(tǒng)是由永磁副勵磁機(jī)產(chǎn)生400 Hz三相交流電，通過自動電壓調(diào)節(jié)器(automatic voltage regulator，AVR)整流和控制提供一可變的直流電流給主勵磁機(jī)勵磁。在主勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子感應(yīng)的150 Hz三相交流電經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流橋整流后，通過轉(zhuǎn)軸內(nèi)的直流引線提供給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組。整流后的直流電流不經(jīng)過滑環(huán)和電刷，直接與發(fā)電機(jī)的勵磁繞組相連[4-6]。

表1為勵磁系統(tǒng)優(yōu)缺點對比[7-8]，由此反映出無刷勵磁系統(tǒng)日常維護(hù)相對簡單、工作量相對較少，但元件一旦發(fā)生故障，需要停機(jī)處理的機(jī)率較大，所以其使用率相對較低。神華臺電基建期間為了能夠?qū)崟r在線監(jiān)測發(fā)電機(jī)正、負(fù)極電壓以及配置發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)，要求制造單位在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路中設(shè)計了測量及保護(hù)用正、負(fù)極碳刷，但是這種在三機(jī)無刷勵磁系統(tǒng)中加裝轉(zhuǎn)子正、負(fù)極碳刷的設(shè)計，更容易引發(fā)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路的故障，從而導(dǎo)致勵磁系統(tǒng)電源出現(xiàn)故障。

表1 勵磁系統(tǒng)主要優(yōu)缺點對比

2 故障及原因分析

2014年12月10日8時56分，6號機(jī)組負(fù)荷923 MW，無功132 Mvar，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓312 V，副勵磁機(jī)勵磁電壓44 V，勵磁電流88 A。機(jī)組各運行參數(shù)正常，無任何操作。8時56分24.589秒，6號發(fā)電機(jī)突然跳閘，汽輪機(jī)聯(lián)跳，鍋爐甩負(fù)荷，分散控制系統(tǒng)(distribute control system，DCS)報警記錄為6號發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動作。

2.1 二次設(shè)備檢查分析

9時10分，現(xiàn)場檢查確認(rèn)發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動作原因為勵磁系統(tǒng)故障。9時20分，就地拆開滅磁開關(guān)柜背板，發(fā)現(xiàn)勵磁系統(tǒng)Q70開關(guān)燒損，故障情況如圖2所示。

1—7號端子；2—黑色接線；3—白色接線；4—藍(lán)色接線。圖2 Q70開關(guān)故障外觀

從圖2可看到，最明顯的是7號端子接線嚴(yán)重?zé)龘p，該端子為副勵磁機(jī)輸出V相電源。進(jìn)一步分析認(rèn)為6號機(jī)組勵磁系統(tǒng)Q70開關(guān)內(nèi)部觸點故障(其中黑色接線為三相交流電源的輸入、白色接線為三相交流電源的輸出、藍(lán)色接線為Q70開關(guān)輔助觸點二次回路接線)，導(dǎo)致勵磁系統(tǒng)主電源失電，發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動作跳閘。Q70開關(guān)位置(分為PMG、OFF及AUX/TEST 3種，PMG為正常運行狀態(tài)位置、OFF為機(jī)組停運狀態(tài)位置、AUX/TEST為輔助/試驗狀態(tài)位置)及觸點通斷狀態(tài)見表2。

表2 Q70開關(guān)的位置及觸點通斷狀態(tài)

開關(guān)位置觸點通斷狀態(tài)1-2,5-6,9-103-4,7-8,11-1213-14,15-1617-18,19-20PMG斷開導(dǎo)通斷開斷開OFF斷開斷開斷開導(dǎo)通AUX/TEST導(dǎo)通斷開導(dǎo)通斷開

從表2可以看出，Q70開關(guān)正常運行在PMG位置，即3-4、7-8、11-12觸點導(dǎo)通，分別將永磁副勵磁機(jī)產(chǎn)生的三相400 Hz交流電輸出至Q02開關(guān)再經(jīng)晶閘管整流。由于永磁副勵磁機(jī)額定電流為195 A、而Q70開關(guān)額定電流為125 A、Q02開關(guān)額定電流為250 A，初步判斷二次設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)是Q70開關(guān)。

2.2 一次設(shè)備檢查分析

檢查6號發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓測量碳刷架，發(fā)現(xiàn)碳刷架緊固穿心螺桿與正、負(fù)極電刷把銅套止動銷均有灼傷痕跡。間歇停運盤車后，發(fā)現(xiàn)正極滑環(huán)引線接線端側(cè)的負(fù)極滑環(huán)表面有嚴(yán)重的電灼傷痕跡(如圖3所示)，另測量正極滑環(huán)引線接線端對負(fù)極滑環(huán)絕緣低至約0.1 MΩ。

圖3 負(fù)極滑環(huán)放電灼傷點

轉(zhuǎn)子電壓測量刷架緊固穿心螺桿放電灼傷(如圖4所示)。認(rèn)為在電刷架設(shè)計上存在缺陷，電刷把上的銅套止動銷與刷架穿心緊固螺桿距離太近(如圖5所示)，受天氣潮濕、灰塵和發(fā)電機(jī)潤滑油油氣的影響，易造成刷架緊固螺桿和正負(fù)極刷把爬電，導(dǎo)致正負(fù)極瞬間短路放電。

圖4 刷架緊固穿心螺桿放電灼傷點

圖5 刷架緊固穿心螺桿與刷把結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子電壓測量負(fù)極滑環(huán)電灼傷，實測轉(zhuǎn)子電壓測量正極滑環(huán)引線連片與負(fù)極滑環(huán)之間絕緣距離僅有1.6 cm，再加上轉(zhuǎn)子測量滑環(huán)與8號瓦安裝緊湊，同在滑環(huán)罩內(nèi)，罩內(nèi)電刷粉及油霧較多，滑環(huán)運行環(huán)境比較差，更容易造成轉(zhuǎn)子正極引線與滑環(huán)間絕緣薄弱。

2.3 綜合分析

通過上述檢查分析，勵磁系統(tǒng)Q70開關(guān)故障主要是由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓測量正極滑環(huán)引線連片與負(fù)極滑環(huán)之間絕緣距離過短、滑環(huán)運行環(huán)境較差，在機(jī)組較長時間有功功率特別是無功功率都處于高峰負(fù)荷(此時發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓處于高值)的情況下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子正極引線端對負(fù)極滑環(huán)放電擊穿、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子正極滑環(huán)-碳刷與轉(zhuǎn)子負(fù)極滑環(huán)-碳刷接觸面間歇性拉弧、甚至瞬間短路所致。當(dāng)然Q70開關(guān)額定電流選型偏小也是主要原因之一。

3 電源故障處理及試驗

10時10分，查詢公司備件庫，確認(rèn)勵磁系統(tǒng)Q70開關(guān)無備件，考慮年底機(jī)組發(fā)電任務(wù)重，形成如下應(yīng)急處理方案。即在無事故備件的情況下，不改變勵磁系統(tǒng)運行的工況，主要通過現(xiàn)場正確更改Q70開關(guān)有關(guān)電氣一次及二次回路接線，徹底隔離、摘除Q70有關(guān)部分故障元器件，以及對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等故障部位進(jìn)行有效處理，實現(xiàn)完全滿足ABB UNITROL 5000自動勵磁系統(tǒng)工作原理的目的，進(jìn)一步提高勵磁系統(tǒng)整體運行的可靠性。

3.1 Q70開關(guān)故障處理

將燒損的Q70開關(guān)拆除，勵磁系統(tǒng)電源一次輸入回路直接從副勵磁機(jī)輸出母排端子引至Q02開關(guān)上口。二次回路加裝端子排，根據(jù)Q70開關(guān)處于PMG狀態(tài)進(jìn)行拆接線(即保持13-14、15-16、17-18、19-20四對輔助觸點斷開；3-4、7-8、11-12三對主觸點導(dǎo)通)。

3.2 轉(zhuǎn)子電壓測量刷架緊固穿心螺桿放電灼傷處理

打磨電刷把上的銅套止動銷與刷架穿心緊固螺桿，作加強(qiáng)絕緣處理，并在螺桿與銅套止動銷間加墊絕緣塊進(jìn)行隔離處理。

3.3 轉(zhuǎn)子電壓測量正極引線連片及負(fù)極滑環(huán)電灼傷處理

清理正極滑環(huán)引線接線端螺桿，打磨灼傷的滑環(huán)端表絕緣層并且刷絕緣漆；更換正負(fù)極滑環(huán)引線的連接片；在正負(fù)極滑環(huán)兩側(cè)面及正極滑環(huán)與轉(zhuǎn)軸間加刷絕緣漆，以加強(qiáng)滑環(huán)絕緣。

3.4 絕緣檢查

用直流電阻測試儀測量轉(zhuǎn)子繞組和測量滑環(huán)引線的直流電阻、測量主勵磁機(jī)及副勵磁機(jī)繞組直流電阻，經(jīng)比對均合格；用1 000 V兆歐表測量轉(zhuǎn)子繞組和測量滑環(huán)引線對地及正負(fù)極間絕緣、測量主勵磁機(jī)及副勵磁機(jī)繞組對地絕緣均合格。

3.5 動態(tài)試驗

上述測試合格后開展勵磁系統(tǒng)相關(guān)動態(tài)試驗，副勵磁機(jī)電源輸出相序幅值測試、給定階躍試驗、發(fā)電機(jī)零起升壓和起勵試驗、手/自動切換試驗、雙通道切換試驗、滅磁試驗、波形測試分析以及發(fā)電機(jī)假同期試驗[9-10]。

17時45分，有關(guān)試驗完畢，確認(rèn)勵磁系統(tǒng)電源故障處理正確且經(jīng)動態(tài)試驗合格。18時12分，發(fā)電機(jī)組正式并網(wǎng)發(fā)電。

3.6 試驗總結(jié)

本次事故的設(shè)備故障點較多以及處理手段都與其它大型發(fā)電機(jī)組三機(jī)無刷勵磁系統(tǒng)明顯不同，在沒有故障備件更換和設(shè)備廠家到廠技術(shù)服務(wù)的緊急情況下，進(jìn)行了事故現(xiàn)場緊急處理，特別是Q70開關(guān)的回路處理，雖然技術(shù)人員承擔(dān)了巨大的風(fēng)險，但從勵磁試驗結(jié)果和機(jī)組運行效果來看是成功的，也是與眾不同的。既節(jié)約了今后的備件成本，又降低了設(shè)備故障的安全風(fēng)險。

4 設(shè)計選型建議

a) Q70開關(guān)的額定電流125 A選型偏小，應(yīng)該增大，建議選擇250～300 A。

b) 考慮冗余的需要，也可以將兩個原設(shè)計選型的Q70開關(guān)進(jìn)行并聯(lián)使用。

c) 根據(jù)Q70開關(guān)PMG、OFF及AUX/TEST三種可選擇的工作位置，建議采用三相式單刀雙擲刀閘來代替，同時增加一組AUX/TEST位置的重動繼電器來切換13-14、15-16、17-18、19-20四對輔助觸點。

d) 每逢發(fā)電機(jī)組停運，建議仔細(xì)檢查、測試發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓測量刷架、緊固穿心螺桿、測量滑環(huán)引線、轉(zhuǎn)子滑環(huán)等有關(guān)元件，確保相關(guān)電氣設(shè)備絕緣、電氣回路接線完好。

e) 如果是基建初期機(jī)組設(shè)計選型階段，發(fā)電機(jī)勵磁方式最好設(shè)計選型為靜態(tài)勵磁，這樣機(jī)組勵磁系統(tǒng)的冗余度和安全性相對會更可靠一些。

5 結(jié)束語

拆除故障的Q70開關(guān)并改動有關(guān)回路接線，以及處理轉(zhuǎn)子電壓測量刷架、緊固穿心螺桿、測量滑環(huán)引線、轉(zhuǎn)子滑環(huán)等有關(guān)元件存在的問題，相關(guān)電氣設(shè)備絕緣、電氣回路接線以及發(fā)電機(jī)動態(tài)試驗等均滿足國標(biāo)和設(shè)備參數(shù)要求，是一種成功的處理方法。對于不同的發(fā)電機(jī)組，現(xiàn)場設(shè)備故障形式多種多樣，備品備件庫存管理等存在差別，采取的故障處理手法自然也不盡相同。本文僅從百萬機(jī)組ABB UNITROL 5000三機(jī)無刷勵磁系統(tǒng)生產(chǎn)實際經(jīng)驗出發(fā)，因地制宜，靈活應(yīng)對，摸索出了一套三機(jī)勵磁系統(tǒng)電源故障處理的有效方法，以供參考。

[1] 李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2002.

[2] 上海電氣電站設(shè)備有限公司.4 500 kW無刷勵磁機(jī)操作和維護(hù)手冊[Z].上海：上海電氣電站設(shè)備有限公司，2008.

[3] 上海電氣電站設(shè)備有限公司.THDF 125/67 百萬千瓦級汽輪發(fā)電機(jī)運行和維護(hù)手冊[Z].上海：上海電氣電站設(shè)備有限公司，2008.

[4] 宋香榮.三級無刷同步發(fā)電機(jī)勵磁控制研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2009.

[5] 侯亞敏.無刷勵磁同步發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)的研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2009.

[6] 朱立軍，王順瑩，陳祖德，等.華能玉環(huán)電廠無刷勵磁系統(tǒng)的調(diào)試實踐和分析[J].電力建設(shè)，2009，30(7)：79-82.

ZHU Lijun，WANG Shunying，CHEN Zude，et al.Commissioning Practice and Analysis of Brushless Excitation System in Huaneng Yuhuan Power Plant[J].Power construction，2009，30(7)：79-82.

[7] 沈慶賀.發(fā)電機(jī)靜止勵磁系統(tǒng)特點及存在問題[J].內(nèi)蒙古石油化工，2010(7)：84-85.

SHEN Qinghe.Characteristics and Problems of Static Excitation System of Generator[J].Inner Mongolia Petrochemical Industry，2010(7)：84-85.

[8] 婁玲嬌，尹項根，張哲，等.發(fā)電機(jī)靜止勵磁系統(tǒng)故障快速保護(hù)[J].電力系統(tǒng)自動化，2014，38(22)：103-107.

LOU Lingjiao，YIN Xianggen，ZHANG Zhe，et al.Fast Fault Protection of Generator Static Excitation System[J].Automation of Electric Power System，2014，38(22)：103-107.

[9] DL/T 1166—2012，大型發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)現(xiàn)場試驗導(dǎo)則[S].

[10] 竺士章.發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)試驗[M].北京：中國電力出版社，2005.

(編輯 王朋)

Fault Processing Method for Brushless Excitation Power of Three Machine of 1 000 MW Unit

XIAO Huabin

(Shenhua Guangdong GuohuaYudeanTaishan Power Generation Co., Ltd., Taishan, Guangdong 529228, China)

In allusion to operation status quo of ABB UNITROL 5000 excitation system in domestic, and in order to reduce electric quantity loss at the time of serious fault of the three machine brushless excitation system of 1 000 MW unit in any links as well as shorten fault processing time, this paper studies and carries out a kind of processing method suitable for three machine brushless excitation power fault of large-scale generators.Combining one case of excitation loss protection action caused by fault of power switch, it presents a kind of unconventional processing method which is to thoroughly isolate some faulted components by correctly changing electric primary and secondary circuit connection modes on site and reach the objective of totally satisfying working principles of automatic excitation system in the situation of no change for running condition of the excitationsystem.Dynamic testing and running practice both prove this method can effectively improve operation reliability of the excitation system of large-scale generator, helpful to shorten fault processing time on site and reduce fault rate, running risks and maintenance cost of the large-scale generator.

1 000 MW unit; three machine brushless excitation; carbon brush; slip ring

2016-04-25

2016-07-29

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.11.020

TM77

B

1007-290X(2016)11-0105-05

肖華賓(1970)，男，江西南昌人。高級工程師，高級技師，工學(xué)學(xué)士，從事大型火力發(fā)電廠繼電保護(hù)及安全自動裝置的調(diào)試、維護(hù)及技術(shù)管理工作。