励磁系统灭磁电阻损坏的原因分析

陈伟，林非

(华电福建沙县城关水电有限公司，福建 沙县 365500)

1 问题的提出

华电福建沙县城关水电有限公司装机容量为3×16 MW，该公司水力发电厂是沙溪流域梯级开发的电站之一。2010年11月28日，#1机组在大修期间，对励磁系统进行了检查试验，在检查清扫各元器件时，发现灭磁开关柜过电压保护回路转子侧与灭磁电阻4RV1串联的8个特制熔断器均烧坏，需更换特制熔断器。2011年1月6日，在#1机组大修开机进行升压试验时，启励后控制器电压达20%定子额定电压时，灭磁开关柜过电压信号灯亮，复归过电压信号器后正常，继续升压至27%定子额定电压，过电压信号灯亮动作，于是逆变，停止升压。对过电压回路进行了检查，发现灭磁开关柜除灭磁电阻外各元器件均正常，灭磁电阻外观检查正常。灭磁电阻是非线性电阻，需要用专用仪器进行检测，因华电福建沙县城关水电有限公司没有这种仪器，利用排除法初步判断为灭磁电阻故障。2011年1月8日，更换整组8个灭磁电阻后，开机升压试验正常，并网带负荷正常，甩负荷试验正常。

若要搞清灭磁电阻损坏的原因，就必须了解其在灭磁回路中的作用。发电机的励磁绕组就是一个具有较大电感的线圈，在正常情况下，励磁电流在发电机转子上产生较强的磁场。当发电机内部故障时，需要迅速切断励磁电流，除去发电机的磁场，以免事故扩大。因为直接切断励磁电流会在励磁绕组的两端产生高电压，可能会烧坏开关触头。所以，在切断励磁回路前，首先在转子两端并联接入灭磁电阻，这样，再切断励磁回路时，灭磁电阻就可迅速吸收励磁绕阻的磁能，减缓转子电流变化速度，以达到降低转子自感电动势和抑制转子过电压及灭磁之目的。水力发电厂灭磁回路如图1所示。

图1 灭磁回路示意图

2 原因分析

引发转子过压的原因很多，励磁设备生产厂家根据多年现场处理的经验，列出了以下5种原因:

(1)若发生异常的空载失控误强励工况，励磁电流可增至额定励磁电流的3.0～4.5倍，此时磁场储能量远大于空载有控误强励能容量，灭磁电阻由此可能会过热烧毁。

(2)长时间吸收了由发电机异步运行时产生的滑差过电压，连续吸收的能量超过氧化锌(ZnO)灭磁电阻的容量极限，ZnO灭磁电阻会发生热击穿而短路，其串联的保护熔断器熔断。

(3)在励磁没投入的情况下，转子转速不同步时误合出口断路器，由电网通过定子侧向转子回路过电压保护电阻源源不断地输入能量，ZnO的吸能超过了极限，也会过热烧毁灭磁兼转子侧过压保护电阻。

(4)若发生非全相运行，则负序电流产生的负序磁场和转子会反向旋转，从而切割转子绕组产生感应电势，使转子过电压保护动作，时间长了也会使保护电阻过热烧毁。

(5)雷击。

经解体检查后发现灭磁电阻阀片全部烧损且烧损位置在阀片的边缘釉面，说明灭磁电阻承受了持续的过电压，吸收了超过额定承受能力的容量，由于持续能容量的聚集，导致电阻阀片过热烧毁。可以肯定的是，灭磁电阻4RV1在发生故障过程中必定有转子过电压发生，也一定有转子过电压信号发出，因为“转子过压”检测回路始终正常。若要分析灭磁电阻损坏的原因，就要对#1机组转子过电压的历史进行全面回顾。

2011年1月6日，过电压信号是假信号，为此4RV1烧坏呈短路状态，导致特制熔断器烧坏，而后更换特制熔断器由于4RV1的短路，很低的转子电压就会报转子过电压信号。

#1机组励磁系统自2009年3月技术改造后，2010年5月30日晚，#1机组运行中报“#1机组励磁限制动作”，上位机报“#1机组定子过负荷动作”后，运行值班人员从上位机给停机令跳#1发电机出口开关，灭磁开关柜有“转子过压”信号，灭磁开关未分闸。在此过程中，无功出现失调现象。运行值班人员到现场查看后，发现#1机组励磁调节柜A套调节器为主控，B套调节器液晶屏黑屏，但调节器的信号灯显示正常(A，B套调节器是互为备用关系)。检修人员检查处理情况如下:

(1)A套调节器在失磁和机组无法启励时，对A套调节器进行了检查。通过小电流试验，检查发现A，B套切换继电器K11轻微摇动，其结果会造成机组调节脉冲丢失和无法启励，检修人员判断该继电器与底座接触不良，随后更换继电器K11。更换了A套插件主机板、采集模拟板和脉冲板并进行了相关试验，试验结果均正常。检修人员判断A套调节器调节失灵原因可能是机组在运行过程中出现振动，从而造成继电器K11接触不良。

(2)B套调节器运行时出现的失调现象主要是采集模拟板、主机板和脉冲板存在软故障而造成的，现场试验无法模拟出该现象。检修人员将3块插件直接进行了更换。由于B套调节器在失调过程中液晶屏黑屏，检修人员直接对B套调节器底板进行了更换。

经检修人员检查处理后，对2套控制器分别进行了定子电压、定子电流、有功和无功校验，对欠励和过励进行了试验，同时对A套控制器转子电流进行了校验和强励试验及对A，B套调节器的静态进行了模拟试验，试验结果均正常。机组开机进行零起升压试验也未发现异常。

2010年8月31日晚，#1机组带满负荷，因厂外110 kV线路2.1 km处遭雷击，B相发生非永久性接地故障，#1机组甩负荷并报“#1机组过电压保护”动作，发电机出口开关未跳闸，无其他异常信号。检修人员事后检查未发现设备异常。

综合以上情况，技术人员分析认为，导致灭磁电阻4RV1损坏的原因是由于2010年5月30日晚#1励磁系统调节器未进行调节，在转子上产生了持续的能量，由于磁场能量叠加，持续过电压引起烧坏，导致灭磁电阻4RV1部分损坏，致使其吸收能量能力降低，2010年8月31日晚，#1机组过电压时又损坏另一部分，技术人员判定是因产品质量问题造成的损坏。同时，技术人员质疑励磁系统配备的过压保护回路灭磁电阻容量偏小，也可能是此次灭磁电阻损坏的原因。为此，对灭磁容量进行了核算，计算结果见表1。

发电机转子最大储能可按空载有控误强励状态的储能计算，此时励磁电流取额定励磁电流的2倍，铁芯进入饱和区。根据电工理论、真机试验和大量的使用经验，该能量值可用下式估算

式中:Wfmax为转子绕组的最大储能，J;Wf0为转子绕组的空载储能，J;Lf0为转子绕组在空载时不饱和电感，H;If0为空载励磁电流，A;τd0'为定子绕组三相开路时，转子绕组时间常数，s;Rf(75℃)为转子绕组直流电阻(75℃温度时)，Ω。

由此可以得知:

若按实际灭磁电阻的额定能容量选择，还考虑容量储备系数、耗能分配系数、均能系数等

表1 灭磁容量核算

式中:K1为容量储备系数，按DL/T 583—1995《大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件》第4.5.2(d)要求应为 1/0.8=1.25，一般可取1.3，是考虑灭磁电阻各并联组件串联了特种熔断器，运行中30%组件退出后仍可保证可靠灭磁的要求;K2为耗能分配系数，因转子储能量不完全消耗于灭磁电阻中，还有转子电阻、磁场断路器、阻尼绕阻及汽发机的整锻铁芯中均有耗能，水轮发电机组取经验值0.73;K3为灭磁电阻阀片选配的均能系数，出厂时灭磁电阻组件选配均能系数为90%，故取值0.9。

华电福建沙县城关水电有限公司配备的灭磁电阻能容量为0.480 MJ，电源侧过压保护能容量为0.060 MJ，合计灭磁和过压保护能容量为 0.540 MJ，大于计算值0.221 MJ，可以满足机组空载有控误强励灭磁及各种过压保护能容量要求。

3 结束语

电厂因采用不合理的过压保护方式，由于过压和过热引起转子绕组被烧损，造成事故扩大化。华电福建沙县城关水电有限公司灭磁回路采用灭磁兼转子过压保护的设计方式，因产品质量原因，励磁系统调节器在未能可靠调节的情况下，导致灭磁电阻损坏。由于灭磁兼过压保护电阻吸能限压，虽然灭磁电阻损坏，却保护了转子绕组不受损害，属“丢卒保帅”的合理做法，可将损失控制在最小范围内。当然，保证励磁系统调节器可靠调节，是预防灭磁电阻损坏的最基本要求。