◎劉健如

水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)異?，F(xiàn)象探析與控制

◎劉健如

該文主要對(duì)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速上升過高后機(jī)端電壓異常波動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)調(diào)速器兩段關(guān)閉閥接點(diǎn)不可靠、勵(lì)磁系統(tǒng)在高頻下脈沖觸發(fā)失去同步，電源回路設(shè)計(jì)不合理，從而提出保障發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的改善措施。

FSB水電站裝有2臺(tái)100MW的發(fā)電機(jī)組，機(jī)端電壓13.8kV。發(fā)電機(jī)與主變壓器組成單元接線，經(jīng)主變壓器升壓后，通過220kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜與GIS開關(guān)設(shè)備相連，經(jīng)兩回220kV線路接入電力系統(tǒng)交流輸電來送電。該電站1、2號(hào)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)曾因交流輸電線路安控裝置動(dòng)作而切除，切除后引發(fā)過速停機(jī)。本文詳細(xì)分析此次事件中勵(lì)磁系統(tǒng)異常現(xiàn)象，并提出了后續(xù)運(yùn)行的相關(guān)防范措施，為電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)保障。

異常原因

異常現(xiàn)象描述

當(dāng)時(shí)運(yùn)行方式為：1、2號(hào)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，GIS安控裝置楓龍線跳閘。滿負(fù)荷運(yùn)行的兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷，跳閘后3秒，機(jī)組轉(zhuǎn)速〉115%Ne；8秒，機(jī)組轉(zhuǎn)速〉160%Ne，調(diào)速器急停閥動(dòng)作、監(jiān)控流程給勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)逆變令；9秒，落進(jìn)水口快速閘門，機(jī)械過速保護(hù)裝置動(dòng)作；21秒，導(dǎo)葉全關(guān)；39秒，轉(zhuǎn)速小于90%Ne；51秒，機(jī)組逆變滅磁，機(jī)組電壓小于10%額定。

此過程中有兩點(diǎn)異常：一是機(jī)組轉(zhuǎn)速為何上升〉160%Ne，甚至啟動(dòng)機(jī)械過速保護(hù)落進(jìn)水口閘門停機(jī)。二是切機(jī)8秒和9秒后，監(jiān)控流程因過速兩次發(fā)給勵(lì)磁系統(tǒng)逆變令，而勵(lì)磁系統(tǒng)逆變失敗，在發(fā)令40多秒后，機(jī)組電壓小于10%額定的情況下完成了逆變滅磁，失去了快速滅磁意義。

調(diào)速器過速原因

機(jī)組轉(zhuǎn)速升高的程度與機(jī)組當(dāng)時(shí)導(dǎo)葉開度的大小與關(guān)閉速率有關(guān)。經(jīng)分析該電站在調(diào)速器主配閥與水輪機(jī)導(dǎo)葉接力器開啟腔之間的油路上，安裝了電氣兩段關(guān)閉閥。第一段為快速關(guān)閉，第二段為慢速關(guān)閉。由于分段關(guān)閉閥的位置接點(diǎn)不可靠，導(dǎo)致分段關(guān)閉閥在監(jiān)控程序中未復(fù)歸，兩段關(guān)閉閥的慢關(guān)一直投入。慢關(guān)投入時(shí)，兩段關(guān)閉閥的主要油路被切斷，導(dǎo)葉接力器開啟腔的回油只能經(jīng)由節(jié)流裝置流向回油箱。此次線路跳閘甩負(fù)荷停機(jī)過程中，慢關(guān)投入，關(guān)閉速度過慢，未能及時(shí)抑制住轉(zhuǎn)速上升，是導(dǎo)致機(jī)組過速的直接原因。

勵(lì)磁系統(tǒng)異常

該水電站勵(lì)磁系統(tǒng)采用隨頻率變化補(bǔ)償同步脈沖角度方式，盡管同步脈沖補(bǔ)償角在小電流試驗(yàn)中進(jìn)行了校核，但是在這次過速停機(jī)中卻表現(xiàn)異常。

從總體來看（圖1），機(jī)組甩負(fù)荷后，機(jī)端電壓逐漸下降，甚至降到了52%Ue。然后機(jī)端電壓逐漸回復(fù)上升，最高到達(dá)105%Ue，然后通過轉(zhuǎn)子能量自然衰減，機(jī)端電壓逐漸下降。

整個(gè)過程，可以按頻率的變化分成三段進(jìn)行分析。

第一段為機(jī)組跳閘后頻率從50Hz上升至70Hz，時(shí)間約5s，機(jī)端電壓下降至67%Ue。機(jī)組甩負(fù)荷后，無功電流減至零，不可避免引起電壓升高，升高電壓可用ΔU=Iq Xd″（ΔU：升高的電壓；Iq：甩掉的無功電流；Xd″：次瞬變電抗）表達(dá)。當(dāng)時(shí)機(jī)組帶有功600MW，無功18.4Mvar，甩掉的無功電流分量較大，在圖1上，清楚可見勵(lì)磁電壓因此而產(chǎn)生的強(qiáng)減與強(qiáng)增過程。隨后盡管勵(lì)磁系統(tǒng)三相橋式整流可控硅換相導(dǎo)通正常，但是可控硅的實(shí)際控制角略大于90°。不僅其同步脈沖補(bǔ)償角沒有發(fā)揮作用，而且調(diào)節(jié)器90% Ue下限給定值也失去限制作用。由此可見，勵(lì)磁系統(tǒng)失去基本調(diào)節(jié)功能。

第二段機(jī)組頻率從70Hz上升至75.8Hz，時(shí)間約5s左右，機(jī)端電壓一度下降至52% Ue，再逐步上升至105% Ue。這段時(shí)間中，勵(lì)磁電壓首先強(qiáng)減，隨后波形呈周期性紊亂。勵(lì)磁波形圖上，可見頻率增加至70Hz后，功率柜可控硅的運(yùn)行狀態(tài)變?yōu)檎鳂蛑袃蓚€(gè)元件同時(shí)導(dǎo)通、3～4個(gè)元件交替同時(shí)導(dǎo)通、6個(gè)元件交替導(dǎo)通，并呈周期性。此套勵(lì)磁系統(tǒng)導(dǎo)通角設(shè)置為20～150 ，而實(shí)際上此時(shí)導(dǎo)通角已超過此范圍。分析其原因，可能是同步脈沖補(bǔ)償角在頻率大幅變化中出現(xiàn)錯(cuò)亂，特別是在交流側(cè)供電電壓大幅下降時(shí)，整流橋的換相角γ可能過渡到第Ⅲ種換相狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，前一個(gè)換相過程形成短路，使隨后進(jìn)入換相區(qū)的相鄰元件在反向電壓作用下雖被觸發(fā)卻不能導(dǎo)通，直到可控硅元件的陰、陽極之間電壓呈正向值時(shí)才能導(dǎo)通。

第三段機(jī)組頻率從75.8Hz逐漸下降，機(jī)端電壓亦逐漸下降，時(shí)間持續(xù)40s左右。在此期間，前幾秒可控硅元件還偶爾出現(xiàn)3～4個(gè)交替同時(shí)導(dǎo)通現(xiàn)象，后部分為同組兩個(gè)元件一直導(dǎo)通， 勵(lì)磁電壓波形呈“一充一放”交流波，勵(lì)磁電流衰減緩慢。實(shí)際上監(jiān)控LCU分別于74.5Hz與75.8Hz時(shí)向勵(lì)磁系統(tǒng)開出逆變令，但如果此時(shí)控制角а過小，或者逆變過程中三相全控橋的觸發(fā)脈沖突然消失，則最后導(dǎo)通的一組可控硅元件將會(huì)工作在勵(lì)磁繞組電感“放電-激磁-放電”交替過程中，成為逆變顛復(fù)。事后檢查勵(lì)磁系統(tǒng)并沒有封脈沖的可能，加上前兩段同步脈沖有隨頻率改變導(dǎo)致可控硅導(dǎo)通紊亂的事實(shí)，可判斷因控制角過小引發(fā)逆變失敗。

通過上述三段的分析，可判斷勵(lì)磁系統(tǒng)在機(jī)端頻率較高時(shí)，同步脈沖相應(yīng)失步，高于70Hz后，已基本處于失控狀態(tài)，外部監(jiān)控來的逆變令沒有起到快速滅磁作用，逆變失敗以續(xù)流形式消耗掉轉(zhuǎn)子上的能量，造成滅磁時(shí)間較長。

在甩負(fù)荷后，機(jī)端頻率上升到70Hz以上的情況實(shí)際是存在的，但轉(zhuǎn)速上升到電氣過速160r/min和機(jī)械飛擺過速動(dòng)作的工況較少。在監(jiān)控程序中，轉(zhuǎn)速上升到電氣過速和機(jī)械過速時(shí)啟動(dòng)停機(jī)流程，落進(jìn)水口閘門，同時(shí)給勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)逆變令。這樣的設(shè)計(jì)，即使勵(lì)磁系統(tǒng)脈沖同步回路出現(xiàn)失步現(xiàn)象，造成逆變失敗，也不會(huì)造成機(jī)組事故，只是滅磁時(shí)間較長。

圖1 甩負(fù)荷后機(jī)端電壓、電流、勵(lì)磁電壓變化圖

滅磁安全性

滅磁安全性探討

在此次線路跳閘甩負(fù)荷事件中，脈沖同步異常而出現(xiàn)的調(diào)節(jié)器失控，機(jī)端電壓大幅下降與回升現(xiàn)象。調(diào)節(jié)器失控引起機(jī)端電壓降低并不可怕，但如果調(diào)節(jié)器失控引發(fā)空載誤強(qiáng)勵(lì)，依賴?yán)^電保護(hù)動(dòng)作而跳閘，則需要核實(shí)勵(lì)磁滅磁開關(guān)和非線性電阻配置及其跳閘邏輯可靠性。

此水電站勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁元件由交流滅磁開關(guān)S103，直流磁場(chǎng)斷路器S101，非線性電阻RV、跨接器Q7組成。正常時(shí)采用逆變滅磁，事故時(shí)由保護(hù)或勵(lì)磁過壓保護(hù)動(dòng)作開出跳閘命令，此命令直接去合機(jī)械跨接器Q7，將轉(zhuǎn)子電流導(dǎo)入滅磁電阻；調(diào)節(jié)器檢測(cè)到該指令后封脈沖，并經(jīng)0.1s延時(shí)作用于直流磁場(chǎng)斷路器S101，再經(jīng)0.1s延時(shí)作用于交流開關(guān)S103。事故跳閘時(shí)直接合跨接器，將轉(zhuǎn)子電流導(dǎo)入非線性滅磁電阻，接著封閉脈沖，在滅磁開關(guān)的弧壓和負(fù)向陽極電壓的共同作用下，保證了換流成功，隨后滅磁開關(guān)就會(huì)關(guān)斷熄弧，勵(lì)磁電流快速衰減。

發(fā)電機(jī)空載過壓保護(hù)動(dòng)作（誤強(qiáng)勵(lì)）滅磁瞬間計(jì)算

此水電站勵(lì)磁系統(tǒng)直流磁場(chǎng)斷路器S101最大弧壓Uarc≤4000V，根據(jù)滅磁實(shí)際工況，按照斷路器國標(biāo)要求，這里取3400V。勵(lì)磁系統(tǒng)無論選用何種滅磁開關(guān)，何種滅磁方式，要保證其安全可靠動(dòng)作，都要涉及滅磁開關(guān)弧壓參數(shù)。而空載誤強(qiáng)勵(lì)時(shí)換流成功的滅磁開關(guān)開斷弧壓遠(yuǎn)大于空載強(qiáng)勵(lì)期間發(fā)生機(jī)端三相短路滅磁開關(guān)開斷弧壓。故以空載誤強(qiáng)勵(lì)為例進(jìn)行核算。

發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓飽和電壓按1.4pu考慮，則不計(jì)晶閘管和回路壓降，計(jì)算更高整流電壓UPL。

空載誤強(qiáng)勵(lì)情況下，定子過電壓1.3倍時(shí)繼電保護(hù)動(dòng)作并經(jīng)0.3秒延時(shí)跳閘，此時(shí)定子電壓約為1.4倍額定電壓值，由此水電站發(fā)電機(jī)空載特性曲線延伸至定子電壓1.4倍額定電壓值，此時(shí)電流約是額定勵(lì)磁電流的2.5倍，即IR約為7696A（額定勵(lì)磁電流3078.5A）。

在IR=7696A時(shí)計(jì)算磁場(chǎng)斷路器的最小弧壓，假設(shè)IR全部流入非線性電阻，產(chǎn)生的電壓為UR，將值代入公式（2），計(jì)算磁場(chǎng)斷路器跳開時(shí)的最小弧壓Uk。根據(jù)公式：

式中：ARS—單組滅磁電阻電壓系數(shù)，取44；β—單組非線性電阻系數(shù)，取0.4。

代入公式可得UR=1577V。

此時(shí)磁場(chǎng)斷路器弧壓UK=UL+UZ= 1577+1723=3300V ＜Uarc。故在發(fā)電機(jī)空載誤強(qiáng)勵(lì)事故跳閘時(shí)，磁場(chǎng)斷路器可以確保正確移能換流。需要說明的是，在事故情況下，勵(lì)磁系統(tǒng)封脈沖并跳交流滅磁開關(guān)，雙重滅磁開關(guān)的設(shè)置更可保證滅磁換流安全性。

FSB水電站是220KV交流輸電線路的電站，根據(jù)其他高壓交流輸電運(yùn)行情況，在交流系統(tǒng)解鎖、閉鎖時(shí)會(huì)造成系統(tǒng)電壓較大波動(dòng)；滿負(fù)荷運(yùn)行方式時(shí)，如所有交流濾波器全部投入后仍無功不足，需及時(shí)增加機(jī)組無功進(jìn)行補(bǔ)充，防止母線電壓迅速下降；而在低負(fù)荷或者降壓運(yùn)行時(shí)，受最小交流濾波器需求影響，變電站電壓易偏高，此時(shí)又需機(jī)組進(jìn)入進(jìn)相運(yùn)行工況。較復(fù)雜的系統(tǒng)電壓變化工況加大了對(duì)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)安全穩(wěn)定調(diào)節(jié)的要求。從此次甩負(fù)荷事件來看，直接原因雖是調(diào)速器兩段關(guān)閉閥位置接點(diǎn)未可靠反饋，但同時(shí)也反映監(jiān)控程序和勵(lì)磁系統(tǒng)有待進(jìn)一步完善。

（作者單位：廣東粵電新豐江發(fā)電有限責(zé)任公司）