GMR3G型励磁系统运行及故障分析

邬海军

(湖南省水运建设投资集团有限公司大源渡航电枢纽管理处，湖南 衡阳 421412)

GMR3G型励磁系统运行及故障分析

邬海军

(湖南省水运建设投资集团有限公司大源渡航电枢纽管理处，湖南 衡阳 421412)

介绍了GMR3G型励磁系统的结构及保护功能，分析了GMR3G型励磁系统的高压侧隔离开关三相短路故障、励磁开关故障、系统电压异常故障及电子元器件老化故障，对GMR3G型励磁系统的运行维护经验进行了总结。

励磁系统；高压侧隔离开关；励磁跳闸；故障分析

1 概述

某水电站位于湖南省衡东县境内湘江干流上，装有4台30 MW的灯泡贯流式发电机组，其额定电压为10.5 kV，额定励磁电压为243 V，励磁电流为899 A。励磁系统采用了奥地利ELIN公司的GMR3G型微机数字式励磁装置，基本免维护设计；系统有完整的逻辑控制方式，包括励磁启动、励磁退出、励磁紧急跳闸、电压环/电流环自动转换、故障监测等以及完善的保护系统，如转子过压保护、交流过压保护、交流阻容保护等。

2 GMR3G型励磁系统的结构及保护功能

2.1 功能结构

GMR3G型励磁装置由励磁变压器和定子三相短路开关柜、励磁系统控制柜等构成。机组励磁为并激励方式，该系统由励磁开关QF1、三相高压保险、励磁变T1、三相全控可控硅整流桥、励磁调节器、测量用电压互感器、电流互感器、交直流回路保护系统、操作继电器等组成。系统原理如图1所示。

该系统整流桥采用奥地利ELIN公司的微机数字式励磁调节器，型号为GMR3，其硬件结构如图2所示。该励磁调节器是一个多处理器的电压调节和门控制单元，由1个电压环(主)和1个电流环(从)组成。基本硬件由ELTAS(伊林牵引自动系统)组件组成，包括：1块主处理器(MRB2)、3块子处理器(Pr.A,B,C)、1块数字输入板(DE32)、1块数字输出板(DA32)、发电机电气参数值处理板SAB及门脉冲触发电路板。调节器作为电压调节器，由1个主控制环(电压)和1个从控制环(励磁电流)组成。匹配变压器隔离实际值(定子电压UG、定子电流IG、励磁电流IP、可控硅电压USYN)被变换成低电压，由电缆送入SAB板；在SAB板上，经处理后送至PIM单元的子处理器。

图1 系统原理

子处理器C计算调节同步电机所需参数，计算结果经双端口RAM(DPRC)送至主处理器MRB2。2个处理器都可进入双端口存储器，且相互独立。主处理器的软件用于电压调节环(自动运行方式)、限制器、附加的调节器及对于正确操作很必要的完整的控制逻辑。

所有数字I/O板和额外系统的特殊模拟量I/O板也与主处理器单元相连。电压调节环的输出值经双端口RAM(DPRB)送至PIM板上的子处理器B。子处理器B包含励磁电流调节环(手动运行方式)。该调节环基于实际的磁场电流(经SAB模板记录)和主处理器提供的信息，为可控硅脉冲计算触发角。触发角经DPRA送至子处理器A。子处理器A计算触发脉冲。SAB模板上的晶体管电路放大脉冲，经电缆送至触发变压器(每个可控硅1只)。SAB面板上有1只开关，便于触发脉冲的手动测试。数字量输入及输出用于控制和处理命令、反馈及报警。调节所需的所有模拟输入输出量在SAB板上变为有效可用的信号。附加的输入AE8板、输出AA8板作为可选项，可用于特殊的系统测试任务。

2.2 励磁系统保护功能

GMR3G型励磁装置主要的保护功能有：励磁变温度高报警和温度高跳闸、可控硅故障跳闸、交流过压硒堆保护、转子过电压保护。这些保护装置中的微动开关或继电器动作，将发出1个励磁系统紧急停止命令，将励磁系统停运，并联动跳发电机出口开关，确保主设备的安全。

图2 数字式励磁调节器GMR3硬件结构

3 GMR3G型励磁系统的故障

该系统自1998年投运以来，运行比较稳定，除日常的清洁卫生和一些检测项目外，基本上免维护。由于该系统具有强大的自检功能和完善的保护系统，在设备的有效使用期限内完全能满足水电站安全、稳定运行的要求。但在运行过程中，也曾出现过造成机组事故停机的故障。

3.1 高压侧隔离开关三相短路故障

励磁变高压侧刀闸的最初设计为每次停机时由程序断开，开机时再闭合。但在该电站第1台机组投产初期，因系统事故造成发变组定子接地100 %保护动作，动作跳开励磁开关及励磁变高压侧刀闸，励磁变高压侧刀闸在断开时弧光造成三相短路，将励磁变高压侧刀闸烧坏。

经分析故障原因为设计缺陷。励磁变高压侧不能设置无任何灭弧装置的隔离开关，因这种开关仅起到电压隔离的作用，但起不到保护作用，反而增加了安全隐患。由于高压侧装设高压熔断器作为励磁变的保护，未考虑将隔离开关更换为断路器的改进措施，而是将励磁调节器程序重新修改，使得励磁系统在正常停机和事故停机时只跳开灭磁开关，不断开励磁变高压侧的隔离开关。

3.2 励磁开关故障

励磁开关设计原理：灭磁开关合闸时，由励磁调节器发1个合闸脉冲，使合闸线圈瞬间励磁，合闸后靠机构的锁定机构自锁；跳闸时由励磁调节器发1个跳闸脉冲，使跳闸线圈励磁，带动传动机构解除闭锁。但在该水电站投运初期，出现过几次励磁启动合闸后励磁开关马上跳开的故障，对回路进行检查未发现任何电气问题。后来对灭磁开关的操作机构进行解体检查，发现灭磁开关锁定机构存在问题，在励磁开关合闸后机构不能锁住，励磁开关又重新分闸。将机构调整后，励磁开关动作正常。

3.3 系统电压异常故障

该水电站系统电压曾出现过如下故障：上位机发110 kV母线Ⅰ段电压低，110 kVⅠ段母线PT计量电压消失，报出110 kV母线Ⅱ段电压低信号，造成1号、2号、4号机组事故停机故障。查看励磁屏操作终端elterm GMR3告警信号，发现1，2及4号机均发AC电源故障信号。从励磁逻辑图上励磁紧急跳闸矩阵分析，当励磁系统发AC电源故障信号时，励磁跳闸。从励磁逻辑图上励磁故障检测部分分析，因机组当时正在运行，励磁变压器高压侧励磁刀闸在合上位置，发电机出口开关在合上位置，综合分析AC电源故障信号，应为可控硅电压故障。从GMR3G程序图上分析，发电机电压与可控硅同步电压经过一个减法器(UGK-USYNIW)，其结果在限制器中与B+(P47=+00.2002)比较，如其值大于B+，则发可控硅电压故障信号。

查看励磁报警和跳闸原因列表，可控硅电压故障出现有下列2种可能：

(1) 励磁变压器电压太低；

(2) 调节器变压器回路自动空气开关+JD2-F0009跳开(同时发出报警“m.c.b跳闸”)，但励磁屏无“m.c.b跳闸”显示，由此可以判定为励磁变压器电压太低，从而引起励磁跳闸。

3.4 电子元器件老化故障

该水电站4号机因励磁故障跳闸事故停机。故障时4号机带20 MW有功负荷，2 MVar无功负荷;监控系统上位机显示“4号G励磁跳闸”红色报警，4号机组“总报警”出口跳闸。现地检查发现MRB2主处理器板RUN运行灯不亮， RESET复归灯闪烁。现地多次断电重启，均不能正常启动，更换该处理器板件并下载相关程序和参数后，即恢复正常。

此事故是因该板件连续运行15年后，元器件老化造成的，显现出该套励磁调节器无冗余配置的不足之处。

4 总结

GMR3G型励磁系统在有效使用年限内完全能满足水轮发电机的励磁调节要求，但在使用过程中要根据现场具体情况认真进行分析比较，配备可靠的一次设备，确保系统的可靠运行。随着使用年数的增加，将会出现电子元器件老化引起的故障，且故障频率随投运年数的增加而增加，需加强日常的维护，并对整个系统进行状态评估，从技术、经济角度来分析励磁系统的可靠性和经济性。

1 翟庆志．电机学[M]．北京：中国电力出版社，2008.

2014-04-05。

邬海军(1975-)，男，工程师，主要从事水电站电气维护技术工作，email：whjfdb@126.com。