大唐陜西發(fā)電有限公司石泉水力發(fā)電廠 姚 磊

1 勵(lì)磁系統(tǒng)的典型故障

1.1 功率單元回路故障

電路在勵(lì)磁系統(tǒng)正常運(yùn)行中需提供恒定的電流。系統(tǒng)功率的主電路可有效確保勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性，也可對(duì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生重大影響。通過(guò)數(shù)據(jù)研究，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁機(jī)電源單元電路部分最常見(jiàn)是整流電路中晶閘管的故障。晶閘管故障是指主電路任何相電路中的晶閘管都不能通過(guò)相電路，從而導(dǎo)致短路，并會(huì)直接引起相電路電流上升。為消除運(yùn)行中的短路故障，通常包括晶閘管過(guò)渡。晶閘管開(kāi)路故障是指主電路中任何一個(gè)晶閘管不能正常工作，相橋臂電路仍可工作，但輸出的波形失真并會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)增加的情況。平均輸出電壓直接降低，并且會(huì)直接導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組無(wú)法穩(wěn)定工作。

功率單元主回路工作原理。如圖1所示，主電路的上半部分由三個(gè)可控晶閘管V1、V3、V5組成。當(dāng)主電路工作時(shí)，系統(tǒng)中的三個(gè)晶閘管可依次打開(kāi)，下半橋由三個(gè)V4、V6、V2和共陽(yáng)極組成。該單元的主電路可以負(fù)半周期進(jìn)行工作，且三個(gè)晶閘管導(dǎo)通。如在此階段主電路橋式整流器中觸發(fā)角是基于觸發(fā)信號(hào)的波形變化點(diǎn)作為觸發(fā)起點(diǎn)，則主電路整流器電橋功率電路單元在整流器狀態(tài)下工作。當(dāng)觸發(fā)信號(hào)在90°～180°時(shí)，主電路單元的整流橋在反相狀態(tài)下工作。當(dāng)整流器電路正常工作時(shí)，電路的輸出是一個(gè)激勵(lì)電壓，該電壓在一個(gè)周期內(nèi)跳動(dòng)六次，且脈動(dòng)波形都具有六個(gè)相同的傳導(dǎo)特性。

圖1 功率單元主回路工作原理

功率單元主電路故障類(lèi)別。在功率單元主電路正常期間，最常見(jiàn)的故障是管斷開(kāi)或觸發(fā)信號(hào)脈沖。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，在此過(guò)程端口激勵(lì)電壓會(huì)輸出一定的規(guī)律的波形。通過(guò)對(duì)該故障的總結(jié)和分析，可有效的加以驗(yàn)證晶閘管是否有缺陷。主電路故障可將常見(jiàn)的故障分為單管、雙管和三管故障。單管故障可劃分為V1、V3、V5、V4、V6、V2；雙管以劃分為兩個(gè)晶閘管V1V4、V1V6、V1V2、V3V4、V3V6、V3V2、V5V6、V5V2，同時(shí)出現(xiàn)的兩個(gè)故障armV3V5出現(xiàn)V4V2、V6V2錯(cuò)誤，相應(yīng)的錯(cuò)誤類(lèi)別全面總結(jié)單元傳輸主電路運(yùn)行可能發(fā)生的故障。

啟動(dòng)電源故障。工作電源故障發(fā)生時(shí)通常在發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)調(diào)節(jié)器，在某系統(tǒng)的研究中，該系統(tǒng)在運(yùn)行中使用雙微機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用雙電源供電為主/備用著DSP供電電源，其電源發(fā)生故障的主要原因是斷電故障和過(guò)沖故障。斷電意味著在操作中提供的電源丟失。必須通過(guò)設(shè)備的硬件切換到系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器以及調(diào)節(jié)器才能及時(shí)糾正電源故障。發(fā)電機(jī)組中的DSP勵(lì)磁器系統(tǒng)通過(guò)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器完成對(duì)故障數(shù)據(jù)的有效收集和計(jì)算，因此勵(lì)磁調(diào)節(jié)器在發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁中起著決定性的作用，并確保DSP正常工作的穩(wěn)定性，因此電源故障會(huì)影響勵(lì)磁設(shè)置。對(duì)于發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)這是最嚴(yán)重的故障，但這種故障在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行中極為罕見(jiàn)；超出功率限制錯(cuò)誤表示系統(tǒng)電源已超過(guò)額定電壓數(shù)值。如超出10%的范圍則會(huì)直接影響勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的正常有效運(yùn)行。在設(shè)備實(shí)際的操作中這些錯(cuò)誤有時(shí)會(huì)發(fā)生。

勵(lì)磁控制器故障。作為中央控制部分，發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器可自動(dòng)改變晶閘管控制角度，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流大小，保持發(fā)電機(jī)運(yùn)行同步的轉(zhuǎn)子電路恒定的端子電壓或無(wú)功電流。因此，當(dāng)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)控制在運(yùn)行中失敗時(shí)，將對(duì)整個(gè)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生極其重大的影響。在控制器運(yùn)行中其常見(jiàn)的故障包括電源觸發(fā)脈沖故障和系統(tǒng)DSP芯片故障。

關(guān)于觸發(fā)脈沖故障。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)火脈沖的位置，決定了發(fā)電機(jī)功率單元主總控制電橋校正的工作啟動(dòng)模式。在勵(lì)磁系統(tǒng)的正常運(yùn)行中，觸發(fā)脈沖一旦故障會(huì)影響功率單元電路的有效運(yùn)行，導(dǎo)致機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)電流受到直接影響，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的過(guò)載。觸發(fā)脈沖故障的主要是脈沖丟失和脈沖相序擾動(dòng)。當(dāng)發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生這種類(lèi)型的系統(tǒng)故障時(shí)，通常是由系統(tǒng)檢測(cè)電路、并及時(shí)將故障開(kāi)關(guān)的信號(hào)發(fā)送到系統(tǒng)勵(lì)磁微機(jī)調(diào)節(jié)器，當(dāng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器檢測(cè)到故障信號(hào)時(shí)立即發(fā)出事故警告并清除脈沖丟失故障。為消除這種情況，檢測(cè)電路發(fā)出切換命令以切換到待機(jī)跳閘單元。當(dāng)發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生誤差時(shí)，通常的解決方法是更換通道接口板[1]。

脈沖誤差。發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)具有雙閉路結(jié)構(gòu)，由于電壓測(cè)量單元輸出的電壓變化的直流信號(hào)相對(duì)較弱，因此必須通過(guò)功率放大單元。因此須對(duì)中間單元進(jìn)行放大，此時(shí)由脈沖放大裝置進(jìn)行有效確定，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是否能穩(wěn)定運(yùn)行。由于集成電路系統(tǒng)放大器的電路，具有工作運(yùn)行精度高、運(yùn)算分析準(zhǔn)、傳輸信號(hào)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。因此，脈沖裝置采用集成電路放大器幫助維持系統(tǒng)運(yùn)行。組件中存在脈沖放大錯(cuò)誤，通常處理方法是更換集成電路的放大器電路板[2]。

2 故障診斷方法與控制策略研究

2.1 一般策略設(shè)計(jì)原則

在編譯該系統(tǒng)的DSP程序時(shí)采用了結(jié)構(gòu)化的編程思想，從而使勵(lì)磁系統(tǒng)的故障診斷具有更好的可靠性和可持續(xù)性，并遵循獨(dú)立性、單一輸入/輸出、范圍原則和完整的原則。在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的策略的過(guò)程中，編寫(xiě)的DSP程序應(yīng)滿(mǎn)足該組機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)生器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的要求，并不會(huì)影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。DSP處理器具有豐富的外圍硬件接口，因此在編寫(xiě)診斷時(shí)可充分利用DSP中斷服務(wù)子例程，以確保診斷的準(zhǔn)確性以及對(duì)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器勵(lì)磁的容錯(cuò)控制。因此須要求勵(lì)磁系統(tǒng)的DSP程序在正常運(yùn)行過(guò)程中具有功能多和穩(wěn)定性強(qiáng)的特性[3]。

2.2 雙微機(jī)發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)中各模塊運(yùn)行策略研究

在進(jìn)行設(shè)計(jì)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的DSP程序軟件時(shí)要采用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)思維，在這種設(shè)計(jì)思維的有效指導(dǎo)下，機(jī)組系統(tǒng)由主程序模塊進(jìn)行科學(xué)的控制。其中包含CPU定時(shí)器系統(tǒng)模塊、中斷服務(wù)子例程處理模塊、EV系統(tǒng)事件管理器處理模塊、通信模塊，調(diào)整系數(shù)的計(jì)算、PID算法的參數(shù)的計(jì)算及通過(guò)設(shè)計(jì)的模塊進(jìn)行控制計(jì)算，數(shù)據(jù)采集和其他任務(wù)的點(diǎn)火角計(jì)算。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的運(yùn)行和備用機(jī)具有相同的功能，DSP編程的差異很小[4]。

2.3 關(guān)于控制主程序運(yùn)行

發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁控制系統(tǒng)，是一個(gè)可能在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行無(wú)限循環(huán)的工作流程，一直到主機(jī)設(shè)備系統(tǒng)和備用機(jī)同時(shí)發(fā)生嚴(yán)重的故障，這時(shí)才會(huì)使得整個(gè)發(fā)電機(jī)設(shè)備系統(tǒng)機(jī)止工作。

電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)程序流程包括主機(jī)運(yùn)行流程、備用機(jī)運(yùn)行流程和雙機(jī)同時(shí)故障切換工作流程。整個(gè)機(jī)組系統(tǒng)對(duì)設(shè)備中的勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行了合理的初始化，并對(duì)基本運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬計(jì)算，之后再進(jìn)入PID算法，完成勵(lì)磁系統(tǒng)中各功率單元運(yùn)行中主回路系統(tǒng)中的相關(guān)計(jì)算，對(duì)系統(tǒng)相關(guān)模數(shù)字量的詳細(xì)計(jì)算后，再對(duì)設(shè)備主機(jī)系統(tǒng)和備用系統(tǒng)機(jī)進(jìn)行全面互檢，如主機(jī)可正常工作則設(shè)備系統(tǒng)可正常運(yùn)行，從而進(jìn)入下一個(gè)正常的檢測(cè)循環(huán)。若是發(fā)生故障則系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入故障狀態(tài)，讓待命狀態(tài)的備用機(jī)組立刻進(jìn)入工作系統(tǒng)。備用機(jī)組會(huì)首先完成自檢，若此時(shí)備用機(jī)組也出現(xiàn)故障問(wèn)題則系統(tǒng)會(huì)立刻發(fā)出報(bào)警，若此時(shí)備用機(jī)組運(yùn)行正常，則勵(lì)磁系統(tǒng)就可正常的運(yùn)行[5]。

2.4 AD采樣程序

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行中需采樣的數(shù)據(jù)量包含了機(jī)端電壓電流等。通過(guò)對(duì)電路的調(diào)節(jié)，將收集到相關(guān)數(shù)據(jù)量轉(zhuǎn)換為0～3V的電壓，并連接到取樣通道。這時(shí)AD程序是數(shù)據(jù)有效進(jìn)行運(yùn)算的保證。通常采樣分為直流和交流采樣兩種，進(jìn)行直流數(shù)據(jù)采樣原理是采集系統(tǒng)整流變換后直流電流量。交流采樣原理是，被測(cè)的數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)識(shí)別規(guī)律后對(duì)系統(tǒng)的瞬值采樣的一種方式，然后按照對(duì)采集的數(shù)值進(jìn)行有效處理，得到最終的系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)。

為避免數(shù)據(jù)采集帶來(lái)相關(guān)誤差，所以就必須要求其數(shù)據(jù)保持同步性和實(shí)時(shí)性，包含硬件系統(tǒng)和軟件同步及系統(tǒng)的采樣同步，并確保對(duì)其頻率可直接測(cè)量。同步采樣通過(guò)對(duì)預(yù)設(shè)的系統(tǒng)頻率進(jìn)行及時(shí)的數(shù)據(jù)采樣，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)快速變換的方法進(jìn)行有效運(yùn)算，得出兩個(gè)相鄰的基波相位的計(jì)算差值，再利用該系統(tǒng)基波差值得到同步頻率，最后使用得到的頻率來(lái)取代預(yù)設(shè)的系統(tǒng)頻率，進(jìn)行勵(lì)磁器系統(tǒng)下一個(gè)運(yùn)行周期的采樣工作。通過(guò)預(yù)設(shè)頻率采樣，然后再對(duì)得到的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行有效的誤差補(bǔ)償[6]。

AD采樣程序的設(shè)計(jì)流程主要過(guò)程：打開(kāi)系統(tǒng)電源并重啟后，設(shè)備開(kāi)始初始化的相關(guān)變量和記錄。并設(shè)置端口的I/O，然后調(diào)用事件管理器的啟動(dòng)程序，以通過(guò)設(shè)置系統(tǒng)和外部中斷的占空比和捕獲單元來(lái)啟動(dòng)外圍PIE。然后中斷寄存器，啟用全局中斷系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)傳入緩沖區(qū)。同時(shí)對(duì)環(huán)路系統(tǒng)進(jìn)行采樣。再計(jì)算獲取發(fā)電單元數(shù)據(jù)。如果系統(tǒng)中的定期采樣指示不符，則將對(duì)系統(tǒng)重新采樣[7]。

2.5 雙微機(jī)中斷服務(wù)子程序

為了在勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行期間提供實(shí)時(shí)快速的故障檢測(cè)，通過(guò)調(diào)整中斷模塊可完成系統(tǒng)采用的故障檢測(cè)，來(lái)進(jìn)行對(duì)勵(lì)磁模塊系統(tǒng)的故障診斷。對(duì)中斷系統(tǒng)模塊和容錯(cuò)模塊的有效控制可極大提高勵(lì)磁器系統(tǒng)，處理中斷系統(tǒng)事件的執(zhí)行效率和質(zhì)量。在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)DSP中，其中斷請(qǐng)求信號(hào)，通常是由軟、硬件同時(shí)生成的信號(hào)確定，這種中斷信號(hào)是服務(wù)中斷和CPU程序的執(zhí)行。通常外圍設(shè)備會(huì)發(fā)出系統(tǒng)中斷請(qǐng)求信號(hào)，如來(lái)自發(fā)勵(lì)磁系統(tǒng)外圍電路的中斷信號(hào)。不論中斷的類(lèi)型如何，中斷的性質(zhì)均可分為可屏蔽和不可屏蔽中斷[8]。

2.6 勵(lì)磁變壓器選型和要求

勵(lì)磁變壓器在設(shè)計(jì)中要考慮如何避免由于諧波和功率運(yùn)行時(shí)變壓器局部發(fā)熱，否則長(zhǎng)時(shí)間過(guò)熱運(yùn)行會(huì)對(duì)絕緣造成破壞，甚至?xí)?dǎo)致機(jī)組停機(jī)。勵(lì)磁變壓器可選擇采用干式變壓器，保證諧波電流對(duì)變壓器損耗的影響較小?；芈烽g采用屏蔽結(jié)構(gòu)，電流互感器安裝在勵(lì)磁體，并需布置合理、便于后期工作人員檢修。低壓線(xiàn)圈用圓筒式且要求首末端采用平繞方式。高壓線(xiàn)圈采用分段式，需要相關(guān)的誤差這零。

2.7 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的應(yīng)用

采用具有較高初始響應(yīng)的勵(lì)磁系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓和電流在最大輸出不超過(guò)勵(lì)磁電流和電壓的1.1倍時(shí)，系統(tǒng)可確保自動(dòng)運(yùn)行。系統(tǒng)具有短期過(guò)載的計(jì)算能力，允許的強(qiáng)勵(lì)磁時(shí)間不小于20秒。發(fā)電機(jī)電壓控制的精度應(yīng)不超過(guò)額定的0.5%。對(duì)階躍的響應(yīng)為±10%時(shí)發(fā)電機(jī)電壓不超過(guò)階躍的30%。發(fā)電機(jī)空載時(shí)，設(shè)定電壓的分辨不超過(guò)額定的0.2%。當(dāng)發(fā)電機(jī)空載頻率變化±1%，端子電壓變化將不超過(guò)標(biāo)值的±0.25%，自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)速度不應(yīng)超過(guò)額定的1%/秒。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電路配備足夠容量值的過(guò)電壓保護(hù)，確保在無(wú)負(fù)載的下進(jìn)行不適當(dāng)?shù)耐?，裝置不會(huì)損壞其自身的組件。當(dāng)電壓不超過(guò)±10%時(shí)，勵(lì)磁裝置的晶閘管組件可承受直流側(cè)的短路故障，異步運(yùn)行和其他運(yùn)行條件而不會(huì)受到損壞。勵(lì)磁系統(tǒng)具有自動(dòng)調(diào)節(jié)和遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)功能，確保測(cè)量結(jié)果和信號(hào)發(fā)送到控制室。

2.8 實(shí)際案例

根據(jù)某勵(lì)磁系統(tǒng)故障分析功率柜內(nèi)的交流母排，設(shè)計(jì)時(shí)將三相母排與支架間用絕緣塊進(jìn)行固定，端部用一塊半封閉絕緣遮擋。勵(lì)磁系統(tǒng)功率柜冷卻為強(qiáng)迫風(fēng)冷，由于絕緣塊縫隙內(nèi)、絕緣擋板內(nèi)側(cè)檢修時(shí)無(wú)法徹底的清掃，灰塵慢慢集聚，功率柜內(nèi)交流母排懸空，運(yùn)行時(shí)母排端部產(chǎn)生的電暈通過(guò)絕緣擋板灰塵發(fā)生爬電現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)生短路。為避免類(lèi)似事故發(fā)生，已將勵(lì)磁功率柜交流母排端部的絕緣擋板拆除，研究并落實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)、繼電保護(hù)與勵(lì)磁系統(tǒng)，合理配合技術(shù)措施，加強(qiáng)隱患排查和技術(shù)監(jiān)督。