丁 瑞，馮 杰，朱佳佳

(江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800)

1 概 述

皂河閘工程位于江蘇省宿遷市湖濱新區(qū)皂河鎮(zhèn)北約2.5 km處的中運(yùn)河上，東與駱馬湖南堤相連，西與皂河船閘東堤相接；與洋河灘閘和駱馬湖南堤等組成駱馬湖一線控制工程，為駱馬湖泄水口門之一，控制著駱馬湖向中運(yùn)河的泄水量。

江蘇省皂河閘管理所于2015年進(jìn)行了加固改造，加固后皂河閘設(shè)計流量500 m3/s，校核流量1 000 m3/s，裝配了4臺江蘇航天動力機(jī)電有限公司生產(chǎn)的立式無刷勵磁水輪發(fā)電機(jī)，額定功率為160 kW，定子電壓0.4 kV，定子電流289 A，轉(zhuǎn)速250 r/min。

2 無刷勵磁系統(tǒng)的工作原理

無刷勵磁系統(tǒng)主要由交流勵磁機(jī)、旋轉(zhuǎn)整流器、可控硅勵磁裝置、無刷同步電機(jī)勵磁機(jī)監(jiān)測儀等4部分組成。皂河閘無刷水輪發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)回路原理如圖1所示。

圖1 皂河閘無刷水輪發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)回路原理圖

無刷勵磁系統(tǒng)的原理是：水輪發(fā)電機(jī)在水輪機(jī)的驅(qū)動下，以同步轉(zhuǎn)速恒定旋轉(zhuǎn)，由勵磁裝置供給交流勵磁機(jī)一定的勵磁電流，產(chǎn)生一個恒定磁場。交流勵磁機(jī)的旋轉(zhuǎn)電樞感應(yīng)三相對稱電勢，經(jīng)同軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)整流器整流，將交流電勢變?yōu)橹绷麟妱荩┌l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁繞組勵磁；發(fā)電機(jī)定子繞組便感應(yīng)出三相對稱電勢[1]。發(fā)電機(jī)負(fù)載的變化將引起發(fā)電機(jī)端電壓的變化，保持端電壓的恒定是通過勵磁裝置對供給交流勵磁機(jī)勵磁電流的控制來實現(xiàn)的[2]。

發(fā)電機(jī)起勵方式以殘壓起勵為主，自備直流電源為輔。發(fā)電機(jī)端殘壓達(dá)到一定值時，利用殘壓起勵裝置，在無外界助磁的情況下，發(fā)電機(jī)自動建壓。

3 并網(wǎng)發(fā)電過程

皂河閘的斷流方式是采用快速閘門來實現(xiàn)的，葉輪轉(zhuǎn)動的作用力來源于河道上下游的水位差，葉輪轉(zhuǎn)動后帶動機(jī)組的轉(zhuǎn)子繞組及同軸相連的勵磁機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

皂河閘配備了南京鈦能電氣有限公司的PAS660水電機(jī)組自動發(fā)電智能控制屏。當(dāng)自動開機(jī)并網(wǎng)時，把屏柜面板上“自動發(fā)電”把手打到“投入”，“啟停機(jī)操作方式”把手打到“自動”，勵磁開關(guān)打到合位，各路電源空開投入。按住PAS660一體化裝置面板上的“開機(jī)”按鈕超過2 s，系統(tǒng)進(jìn)入自動開機(jī)流程；監(jiān)測到閘門全開信號返回時，裝置會間斷的發(fā)增速令。通過調(diào)節(jié)導(dǎo)葉來調(diào)整機(jī)組轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速時，機(jī)端感應(yīng)殘壓大于3 V時給殘壓起勵信號，勵磁系統(tǒng)再向轉(zhuǎn)子繞組供電，加強(qiáng)轉(zhuǎn)子磁場，通過正反饋使發(fā)電機(jī)輸出電壓逐漸升高。

當(dāng)機(jī)端頻率達(dá)到48 Hz后，進(jìn)入自動起勵流程，裝置點(diǎn)亮告警燈2 s，將起勵出口閉合接通起勵回路。

起勵成功后屏幕顯示電網(wǎng)電壓和頻率、發(fā)電機(jī)電壓和頻率。當(dāng)機(jī)端電壓達(dá)到90%以上額定電壓時，進(jìn)入同期并網(wǎng)流程，當(dāng)前狀態(tài)顯示“正在合閘”；裝置首先發(fā)出儲能脈沖，給斷路器儲能；然后裝置開始自動準(zhǔn)同期并網(wǎng)[3]。

裝置面板的同期信號指示燈顯示同期狀態(tài)，裝置自動按照當(dāng)前機(jī)端電壓和系統(tǒng)電壓調(diào)整電壓和頻率實現(xiàn)準(zhǔn)同期合閘。裝置不斷檢測“斷路器位置”信號，若斷路器合上，裝置進(jìn)入正常發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。每次合閘后自動測量并顯示合閘導(dǎo)前時間，確認(rèn)該值合理后，按“*”鍵自動存入裝置；或不按“*”鍵，數(shù)秒后進(jìn)入并網(wǎng)后運(yùn)行狀態(tài)，一直到并網(wǎng)完成，中間不需要任何人工操作。運(yùn)行時，裝置自動選擇“恒壓有差”勵磁方式。

4 故障現(xiàn)象

2021年7月4日晚，皂河閘機(jī)組在正常發(fā)電運(yùn)行時突發(fā)電網(wǎng)失電導(dǎo)致停機(jī)。待次日電網(wǎng)恢復(fù)供電后，再次開機(jī)發(fā)現(xiàn)開機(jī)不成功，無法正常起勵。經(jīng)過電氣試驗檢測，定子繞組直流電阻、絕緣電阻均正常，PAS660水電機(jī)組自動發(fā)電智能控制屏內(nèi)部件經(jīng)過檢查無異常；后拆開水輪發(fā)電機(jī)頂部的無刷勵磁機(jī)罩殼，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)整流器中的旋轉(zhuǎn)二極管被擊穿。旋轉(zhuǎn)二極管擊穿導(dǎo)致勵磁機(jī)的旋轉(zhuǎn)電樞無法將交流電勢整流給水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，繼而水輪發(fā)電機(jī)定子無法感應(yīng)出正常機(jī)端電壓，從而導(dǎo)致開機(jī)失敗。此外，快速閘門的控制電源也取自機(jī)端電壓，發(fā)現(xiàn)熔絲過壓損壞。

在排查故障的過程中，采用萬用表對二極管進(jìn)行了檢查：把萬用表的檔位調(diào)至電阻檔，測量二極管的阻值，并把紅、黑表筆調(diào)換，再次測量。如果兩次測得的電阻值不同，其中大的那一次趨向無窮大，而小的那一次幾乎為零，那么這只二極管就是好的。同時，二極管兩端的正負(fù)也可以判斷出來，也就是當(dāng)測量出來電阻值很小的時候，黑表筆接的那一端為二極管的正極。

兩次測量結(jié)果也會有以下情形發(fā)生：

5 故障分析

在電網(wǎng)失電后，機(jī)組處于故障甩負(fù)荷的狀態(tài)，因?qū)~無法迅速、及時關(guān)閉，引起機(jī)組的轉(zhuǎn)速與蝸殼壓力升高，巨大的剩余能量使機(jī)組轉(zhuǎn)速上升很快，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)出現(xiàn)機(jī)端過電壓。這時候就需要保護(hù)裝置在發(fā)生甩負(fù)荷的情況下能夠可靠動作，給調(diào)速器急停令，關(guān)導(dǎo)葉開度(快速閘門)，投制動，最后讓機(jī)組安全停機(jī)。否則，會發(fā)生因機(jī)組轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高到飛逸轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)動部件的離心力急劇增加，從而增大它的振動與擺度，甚至大大超過規(guī)定的允許值，可能引起轉(zhuǎn)動部分與靜止部分的碰撞而使部件遭受破壞；如發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子的碰撞，轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室的碰撞等。此外，也會使各部軸承損壞，基礎(chǔ)螺栓松動，蝸殼及尾水管產(chǎn)生裂紋等；嚴(yán)重的甚至?xí)斐稍O(shè)備的破壞和人員傷亡[4]。

皂河閘的PAS660水電機(jī)組自動發(fā)電智能控制屏設(shè)置有事故緊急停機(jī)保護(hù)，對甩負(fù)荷或者機(jī)組飛逸的保護(hù)邏輯主要有過電壓保護(hù)和過速保護(hù)。過電壓保護(hù)為當(dāng)機(jī)端任一相電壓超出過電壓設(shè)定值，且時間超過延時設(shè)定值，裝置跳閘繼電器接通。過速保護(hù)為當(dāng)機(jī)頻超過過速頻率設(shè)定值，且時間超過延時設(shè)定值，裝置跳閘繼電器接通。

PAS660裝置發(fā)出程序跳閘的流程如圖2所示。

圖2 PAS660裝置發(fā)出程序跳閘的流程

皂河閘在發(fā)生電網(wǎng)失電時，就觸發(fā)了PAS660水電機(jī)組自動發(fā)電智能控制屏啟動程序自動跳閘停機(jī)流程；同時跳出口斷路器，關(guān)調(diào)速器，發(fā)送調(diào)速器緊急停機(jī)令，關(guān)閉進(jìn)水快速閘門。當(dāng)程序進(jìn)行到關(guān)閉進(jìn)水快速閘門的時候出現(xiàn)了問題，皂河閘快速閘門動力電源和控制電源均采用的是交流供電系統(tǒng)，當(dāng)電網(wǎng)失電后，快速閘門的控制電源及動力電源自動切換為由水輪發(fā)電機(jī)機(jī)端發(fā)出的電。雖然程序停機(jī)跳開了出口斷路器DL，但需水輪機(jī)組減速到滅磁頻率的時候才能發(fā)出跳開發(fā)電機(jī)勵磁主回路的斷路器LK；這就導(dǎo)致勵磁回路一直處于接通轉(zhuǎn)態(tài)，無刷勵磁系統(tǒng)仍在不間斷運(yùn)行，最終致使發(fā)電機(jī)機(jī)端的電壓持續(xù)處于過電壓的狀態(tài)。

皂河閘進(jìn)水快速閘門的控制電源在過電壓下發(fā)生熔斷器熔斷，造成閘門的抱閘線圈失電，閘門無法落下。同時，由于水泵導(dǎo)葉調(diào)節(jié)速度慢，導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速還在升高，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓長期處于過壓狀態(tài)，最終旋轉(zhuǎn)整流器內(nèi)二極管因為過壓擊穿。

6 改進(jìn)措施

皂河閘緊急停機(jī)按鈕按下的流程如圖3所示。

相比程序跳閘，緊急停機(jī)跳閘會立即切斷勵磁，分開斷路器LK，這樣勵磁系統(tǒng)就無法形成有效的正反饋運(yùn)行，避免了旋轉(zhuǎn)整流器內(nèi)二極管因過電壓擊穿。但是當(dāng)電網(wǎng)失電的情況下，若緊急停機(jī)立即將勵磁回路LK分開，會使發(fā)電機(jī)機(jī)端發(fā)出的電能消失，導(dǎo)致快速門動力系統(tǒng)失電，無法落下閘門，水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速還會繼續(xù)升高，機(jī)組無法安全停機(jī)。

針對此種情況，為了消除隱患，確保機(jī)組的安全運(yùn)行，應(yīng)對快速閘門的控制回路進(jìn)行改進(jìn)。將10 kV高壓室內(nèi)的直流電源引入快速閘門控制柜中，將原交流控制電源更改為直流控制電源；把原快速閘門電動機(jī)的交流閘瓦控制器更改為直流閘瓦控制器(TZ2—300/200)?？焖匍l門控制回路原理如圖4所示，啟閉機(jī)主電路圖如圖5所示。

KM1-三相交流接觸器；FR-熱繼電器

開機(jī)時，先將快速閘門提升至全開位置，按下按鈕SB2，接通電動機(jī)控制回路，回路“電源+WC→FR常閉接點(diǎn)→SB1常閉接點(diǎn)→SB2→KM1線圈→2KA→SL1→電源-WC”導(dǎo)通，KM1線圈帶電吸合，此時其常開接點(diǎn)閉合，回路自鎖。此時回路“電源+WC→KM1→直流吸持器Q線圈→電源-WC”導(dǎo)通，直流吸持器線圈帶電吸合，可動銜鐵吸合壓縮主彈簧，推開兩側(cè)的拉桿，打開制動閘瓦[5]；與此同時，快速閘門電動機(jī)KM1吸合，電動機(jī)帶電運(yùn)行，閘門往上提升。當(dāng)閘門到達(dá)上限位置時，上限行程開關(guān)SL1動作，其常閉接點(diǎn)動作斷開，切斷閘門開啟回路，KM1線圈失電，其常開觸點(diǎn)由閉合狀態(tài)復(fù)歸為斷開狀態(tài)，且直流吸持器線圈失電，閘瓦制動器開始制動，電動機(jī)也失電停轉(zhuǎn)，閘門在上限位置時停住。

(2)停機(jī)時，無論是程序正常停機(jī)還是事故停機(jī)，PAS660水電機(jī)組自動發(fā)電智能控制屏?xí)l(fā)出跳閘信號，回路“電源+WC→FR常閉接點(diǎn)→SB1常閉接點(diǎn)→PAS660控制屏跳閘信號接點(diǎn)→KM2線圈→KM1線圈常閉接點(diǎn)→SL2→電源-WC”導(dǎo)通，KM2線圈帶電，回路形成自鎖；同時KM2常開接點(diǎn)變?yōu)槌ｉ]接點(diǎn)，直流吸持器Q線圈帶電，打開制動閘瓦，從而將快速閘門迅速關(guān)閉。當(dāng)?shù)竭_(dá)閘門下限位時，下限位行程開關(guān)SL2由常閉狀態(tài)切換為斷開狀態(tài)，切斷快速閘門關(guān)閉控制回路，阻斷了水流對水輪機(jī)產(chǎn)生的作用力。

7 結(jié) 語

通過在皂河閘無刷勵磁水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的問題，制定了相應(yīng)的處理和改進(jìn)方法，可有效避免因電網(wǎng)失電引起的機(jī)端過電壓并導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)整流器過壓損壞的故障，為機(jī)組的安全運(yùn)行提供了有效的保障，可充分發(fā)揮出工程的良好效益。