張延龍

（廣東省能源集團(tuán)天生橋一級水電開發(fā)有限責(zé)任公司水力發(fā)電廠，貴州 興義 562400）

1 電站概述

天生橋一級水力發(fā)電廠（以下簡稱天一電廠）位于紅水河流域南盤江干流上，共有4臺單機(jī)容量為300 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為1 200 MW。發(fā)電機(jī)的型號為SF300-44/12440，額定電壓為18 kV。天一電廠屬于中國南方電網(wǎng)總調(diào)直調(diào)電廠，在南方電網(wǎng)的電力系統(tǒng)中主要承擔(dān)調(diào)峰調(diào)頻任務(wù)[1]。

2 勵磁系統(tǒng)簡介

天一電廠1F～4F發(fā)電機(jī)改造前的勵磁系統(tǒng)為南瑞電控生產(chǎn)NES5100勵磁系統(tǒng)，該勵磁系統(tǒng)是南瑞電控第3代勵磁產(chǎn)品，從2007-2008年陸續(xù)投產(chǎn)以來，目前已運行超過12年，勵磁系統(tǒng)特別是勵磁調(diào)節(jié)器現(xiàn)正面臨設(shè)備日益老化和不滿足網(wǎng)源協(xié)調(diào)新技術(shù)要求的問題，同時廠家NES5100勵磁裝置已于2014年停產(chǎn)，備品供應(yīng)也日趨緊張。故改造前的勵磁設(shè)備存在調(diào)節(jié)功能不夠完善、元器件老化和備品供應(yīng)不足等問題。所以，需對現(xiàn)有4臺機(jī)組勵磁系統(tǒng)進(jìn)行改造。2020年12月至2021年6月，天一電廠結(jié)合水輪發(fā)電機(jī)組B級檢修工作，對1～4號機(jī)組的勵磁控制系統(tǒng)進(jìn)行全新的改造。本次改造的勵磁控制系統(tǒng)采用廣東擎天實業(yè)有限公司設(shè)計的EXC9200型勵磁系統(tǒng)。改造后的勵磁系統(tǒng)配置7面柜體，分別為1面EXC9200勵磁調(diào)節(jié)器柜、1面電氣制動柜、3面智能化功率整流柜、1面智能化滅磁開關(guān)柜、1面滅磁電阻柜。

勵磁系統(tǒng)經(jīng)過升級改造后共有兩種起勵方式，分別為外部電源起勵和利用機(jī)組剩余殘磁起勵。正常情況下，機(jī)組應(yīng)采用殘壓起勵方式，利用機(jī)組剩磁產(chǎn)生的殘壓供給初始勵磁。當(dāng)機(jī)組同步電壓超過10%的額定電壓時,勵磁調(diào)節(jié)器將控制的脈沖電路出發(fā)將可控硅導(dǎo)通,然后整個勵磁回路轉(zhuǎn)為自并勵方式。當(dāng)機(jī)組長時間停機(jī)，剩余殘磁不足以維持建壓能量，此時采用外部電源起勵方式進(jìn)行建壓。為提高外部起勵電源的可靠性，天一電廠勵磁系統(tǒng)配置了交直流雙路電源，互為冗余裝置。交流電源取自機(jī)組400 V自用電系統(tǒng)，直流起勵電源取自天一電廠220 V直流系統(tǒng)。

3 起勵原理

EXC9200型勵磁裝置的起勵單元原理圖如圖1所示。SA61為交直流起勵方式切換開關(guān)，R69為直流電阻，TC62為起勵變壓器。V61～V65為二極管模塊。Q61為接觸器。

圖1 EXC9200型勵磁裝置的起勵單元原理圖

當(dāng)機(jī)組的殘壓起勵方式設(shè)置為投入時，勵磁系統(tǒng)有起勵命令時，會直接進(jìn)行殘壓起勵，10 s內(nèi)如果機(jī)組成功建壓10%額定電壓時后退出殘壓起勵；如果10 s建壓10%額定電壓不成功，則勵磁系統(tǒng)會自動投入外部輔助起勵電源進(jìn)行起勵，之后建壓10%時或5 s時限到，自動切除輔助起勵電源回路。若機(jī)組未成功建壓到10%額定電壓，會向監(jiān)控系統(tǒng)報“起勵失敗”信號。

當(dāng)機(jī)組的殘壓起勵方式設(shè)置為退出時，勵磁系統(tǒng)收到起勵命令，會即刻投入外部電源進(jìn)行起勵。10 s內(nèi)會將機(jī)組的機(jī)端電壓建壓至10%額定電壓，然后退出起勵過程；如果10 s建壓10%不成功，則勵磁裝置會自動切除起勵電源回路，并向監(jiān)控發(fā)出“起勵失敗”信號。在進(jìn)行起勵操作時，為保證建壓的時間，殘壓起勵退出情況下，起勵令維持時間10 s以上。

當(dāng)機(jī)組機(jī)端電壓達(dá)到10%額定電壓成功后，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓會繼續(xù)升高，達(dá)到30%額定電壓以上時，勵磁調(diào)節(jié)器會自動轉(zhuǎn)為軟起勵過程，按預(yù)置的調(diào)節(jié)速度把發(fā)電機(jī)電壓升至額定電壓值。所以機(jī)組能否成功的升至額定電壓，起勵操作尤為重要。

4 事件簡介

2021年3月22日，2號水輪發(fā)電機(jī)組的勵磁系統(tǒng)改造完成，勵磁改造廠家及檢修班組對改造后的設(shè)備先進(jìn)行了靜態(tài)試驗，試驗過程及試驗結(jié)果一切正常。隨后操作運行人員準(zhǔn)備對2號機(jī)組進(jìn)行首次零起升壓操作，配合完成2號機(jī)組勵磁系統(tǒng)改造后的模型參數(shù)實測試驗。

15：24 2號機(jī)組成功由“停機(jī)”態(tài)開至“空轉(zhuǎn)”態(tài)后，運行人員準(zhǔn)備對2號機(jī)組進(jìn)行零起升壓操作。因為此次為2號機(jī)組首次建壓，故本次機(jī)組建壓的起勵方式采用外部電源起勵，其起勵電源取至2號機(jī)組400 V自用電。15：34運行操作人員首先將勵磁調(diào)節(jié)器的“殘壓起勵”功能退出，“零起升壓”功能投入，然后在2號機(jī)組勵磁室內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)地操作。操作人員按照操作票步驟，首先將機(jī)組的電壓預(yù)設(shè)值設(shè)置為20%額定電壓，設(shè)置成功后按下“起勵”按鈕，勵磁系統(tǒng)機(jī)端電壓升至約1.5 kV后，機(jī)端電壓又迅速降至為0，上位機(jī)同時報有“2號機(jī)組起勵失敗”信號。同時運行操作人員發(fā)現(xiàn)滅磁電阻柜內(nèi)交流接觸器Q61產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象，冒出電火花，有燒焦氣味。

5 事故排查處理及原因分析

當(dāng)運行人員及試驗人員發(fā)現(xiàn)起勵失敗后，立即將2號機(jī)組就地滅磁并停機(jī)，隨后對2號機(jī)組的勵磁裝置及滅磁電阻柜內(nèi)的交流接觸器Q61進(jìn)行檢查。通過檢查后發(fā)現(xiàn)，交流接觸器Q61有灼傷損壞現(xiàn)象，其他元器件未發(fā)現(xiàn)損傷。

通過現(xiàn)場技術(shù)人員的分析，起勵失敗的原因可能包含有起勵驅(qū)動電源故障，轉(zhuǎn)子回路絕緣性能降低，勵磁調(diào)節(jié)器系統(tǒng)故障等[2]。因考慮2號機(jī)組勵磁改造期間，涉及電纜的重新布置及接線，故先對勵磁系統(tǒng)的電纜回路進(jìn)行檢查。

通過檢修人員及廠家調(diào)試人員對勵磁系統(tǒng)的仔細(xì)核對，發(fā)現(xiàn)勵磁系統(tǒng)內(nèi)部及外部二次部分接線均和圖紙對應(yīng)，未發(fā)現(xiàn)問題。隨后用1 000 V搖表對轉(zhuǎn)子回路進(jìn)行絕緣測量，絕緣電阻正常。說明勵磁系統(tǒng)的內(nèi)外部接線無誤。

然后檢修人員檢查接觸器Q61型號及接線，Q61接觸器型號為GMC-100，型號滿足要求，且接線無誤，所以裝置的本身也沒有問題。

當(dāng)勵磁系統(tǒng)外部接線及裝置本身未發(fā)現(xiàn)問題后，試驗人員仔細(xì)的觀察該次試驗起勵波形曲線，如圖2所示。當(dāng)2號機(jī)組現(xiàn)地起勵時，外部交流起勵電源正常投入后，機(jī)端電壓并未按照試驗說明書的內(nèi)容達(dá)到10%的額定電壓值，而是到達(dá)8.6%的額定電壓后迅速降至為0。隨后調(diào)試人員仔細(xì)核對調(diào)節(jié)器內(nèi)部參數(shù)，發(fā)現(xiàn)在調(diào)節(jié)器內(nèi)部測試過程中，起勵電源的投入時間設(shè)定值為5 s，不滿足勵磁裝置的說明書注明的起勵時間10 s。故初步判斷該次起勵失敗事件的原因為起勵時間設(shè)定過短，勵磁系統(tǒng)的外部起勵電源存在時間不足，造成機(jī)組的機(jī)端電壓值未能達(dá)到勵磁起勵的門檻值10%Ue（1.8 kV）。由于在起勵回路中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子類似于一個大型電感元件，其兩端的電流不能產(chǎn)生突變。故在勵磁回路切除起勵電源過程中交流起勵接觸器Q61突然斷開，使得整個整流橋回路沒有能夠進(jìn)行完整的續(xù)流。在斷開的瞬間，由于勵磁反沖電壓約為-275 V，產(chǎn)生弧光造成了交流起勵接觸器的損傷。

在經(jīng)過現(xiàn)場人員討論并更換新的交流接觸器后，試驗人員決定將交流起勵時間改為10 s，使得交流接觸器Q61退出前確保整流橋能進(jìn)行完好的續(xù)流，不至于產(chǎn)生弧光。隨后操作人員再次進(jìn)行開機(jī)零起升壓試驗，此次起勵過程一切正常，起勵后機(jī)端電壓達(dá)到10%額定電壓（1.8 kV）,故障現(xiàn)象未再次出現(xiàn)，說明之前的分析判斷正確。更改起勵時間后的試驗波形如圖3所示。

6 結(jié)語

勵磁系統(tǒng)是水電廠的發(fā)電機(jī)組正常運行的主要設(shè)備，勵磁系統(tǒng)維修和保養(yǎng)的重要性不言而喻[3]。從上述中可知通過優(yōu)化延長起勵電源的起勵時間，雖然可以從時間上解決不能續(xù)流導(dǎo)致的問題，但使用起勵電源起勵失敗必然會導(dǎo)致起勵接觸器損傷。勵磁系統(tǒng)外部設(shè)備、回路接線及內(nèi)部參數(shù)設(shè)置與勵磁系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行息息相關(guān)，應(yīng)注意勵磁調(diào)節(jié)器內(nèi)部參數(shù)設(shè)置是否滿足實際要求，避免勵磁系統(tǒng)異?，F(xiàn)象的發(fā)生。