ABBU5000励磁跨接器原理分析及整定维护

郭志斌

(国电黄金埠发电有限公司，江西 上饶 335101)

ABBU5000励磁跨接器原理分析及整定维护

郭志斌

(国电黄金埠发电有限公司，江西 上饶 335101)

介绍了ABB U5000系统励磁跨接器的构成和工作原理，梳理了3起该型号跨接器故障误跳机组的案例，分析了引起跨接器故障的潜在危险点；同时，对跨接器电流动作值的合理设定进行了分析，并提供了该定值的参考整定方案；最后，针对危险点提出了相应的日常运行维护内容以及检修期间的常规检查项目，以避免该类型跨接器误跳机组事故的发生。

跨接器；霍尔电流互感器；转子过电压；危险点

0 引言

运行中的发电机如果出现内部故障，继电保护就会迅速动作跳开出口开关，将发电机从系统中切除；同时，励磁系统的灭磁开关也会立即跳开，切断发电机的感应电势，防止给短路点提供故障电流。但是，由于发电机的转子线圈是个大电感，突然断开灭磁开关时将在转子线圈两端产生很高的过电压；另外，当发电机在运行中突然发生短路、非全相合闸、非同期并网、失步时，也都会在转子线圈中产生过电压。为了防止上述过电压对转子线圈绝缘造成破坏，ABB U5000励磁系统采用跨接器对转子回路予以保护。

1 跨接器的工作原理

在ABB U5000励磁系统中，跨接器的主要作用有2点：一是用于灭磁，即在灭磁开关跳开时，瞬间投入跨接器，将转子线圈的磁场快速减弱到最小程度；二是用于转子正向、反向过电压保护。

跨接器由-A02单元和-F02单元组成。-A02单元是一个主要由过电压检测元件(V1000)组成的触发板；-F02单元主要由晶闸管V1-V3及霍尔电流互感器T1组成，如图1所示。

图1 U5000跨接器示意

1.1 主要元器件功能

(1) 过电压检测元件(BOD)：实质上为一个转折二极管，即图1中的V1000元件；当其正向电压达到动作值时，该二极管导通，但只能单向导通。

(2) V1-V3晶闸管：转子正、反向过电压导通晶闸管。当其任意一个导通时，灭磁电阻就并入到转子线圈吸收转子能量。

(3) T1霍尔电流互感器(CUS)：用于监测跨接器的电流，其额定电流为2000A，且线性度和精度都非常高。传感器的输出能够产生与铁芯内所流过电流成正比的差分电压。通过参数项【925】来整定该电流的动作值，当所检测的电流超过定值时，过电压保护动作，跳灭磁开关并停机。其输入输出如图2所示。

图2 霍尔电流互感器输入输出特性示意

(4) K1，K2，K3灭磁开关跳闸继电器：当灭磁开关跳闸时，继电器K1或K2动作，直接触发V2和V3可控硅，投入灭磁电阻。串联在K1和K2继电器线圈的电阻是操作电压选择电阻；K2线圈两端的电容起延时作用，可以让这2个继电器先后动作；K3是备用继电器，没有使用。

1.2 转子正、反向过电压时跨接器的工作原理

当转子线圈两端产生正向过电压时，图1中的V1晶闸管、转折二极管(V1000)都将感受到正向电压；当电压数值达到V1000的击穿电压时，V1000导通，触发V1晶闸管的控制极，V1晶闸管导通，投入灭磁电阻吸收转子能量。V1控制极在图1中的导通途径为：V9→R11→V4→V1000→V7→V1控制极，其简图如图3所示。

当转子线圈两端产生反向过电压时，图1中的V2晶闸管、转折二极管(V1000)都将感受到正向电压；当电压值达到V1000的击穿电压时，V1000导通，触发V2晶闸管的控制极，V2晶闸管导通，投入灭磁电阻吸收转子能量。V2控制极在图1中的导通途径为：V8→V5→V1000→V6→R11→V2控制极，其简图如图4所示。

图3 转子正向过电压V1导通途径

图4 转子反向过电压V2导通途径

1.3 灭磁时跨接器的工作原理

灭磁开关跳闸后，瞬间在转子两端产生反向电压，晶闸管V2，V3感受到正向电压。同时，灭磁开关跳闸继电器K1，K2先后动作，其接点直接触发V2，V3晶闸管的控制极，触发其导通，将灭磁电阻并入转子线圈吸收能量，快速降低发电机电势。V2控制极在图1中的导通途径为：K1继电器常开接点→可调电阻T2→V2控制极；V3控制极在图1中的导通途径为：K2继电器常开接点→可调电阻T1→V3控制极；其简图如图5，6所示。

2 跨接器故障案例

(1) 案例1。某电厂机组在正常运行时，AVR(自动电压调节器)报“转子过电压”并跳开灭磁开关，联跳发变组开关，事故停机。经检查发现，跨接器CUS元件上面的SUB-D型端子的第7管脚发生严重电腐蚀导致断路，为干扰的输入提供了条件。机组运行过程中，在励磁屏关门的瞬间，门控开关的接点动作，切断屏体日光灯电源，日光灯镇流器线圈放电产生高次谐波电压信号，此干扰信号从CUS的开路点输入FIO(快速输入/输出板)，达到跨接器电流动作设定值(参数项【925】设置为120A)，使得励磁逻辑报“转子过电压故障”而跳开灭磁开关；但实际转子主回路并未发生过电压，跨接器发生误动而导致跳机。

图5 灭磁时V2导通途径

图6 灭磁时V3导通途径

(2) 案例2。2012-11-21T14:22，某发电厂2号机组跳闸，DCS发“励磁装置总报警”、“励磁系统故障”、“励磁跳闸”信号，发变组开关跳闸，联跳汽轮机，锅炉灭火。就地检查2号机发变组保护柜发“励磁系统故障”报警，检查发现励磁调节器发“转子过电压”报警跳闸。2012-11-23T06:17，2号机组再次跳闸，现象与上次相同。经检查，故障原因为跨接器触发板BOD元件存在质量问题，在正常运行中误触发了V1晶闸管，导致转子过电压保护误动，机组跳闸。

(3) 案例3。某600MW火电机组采用ABB U5000自并励系统，在机组大负荷工况下，AVR报转子过电压故障导致灭磁开关跳闸、机组解列。检查励磁系统和发电机转子绕组未发现异常，再检查AVR跨接器参数，发现参数项【925】跨接器电流动作设定值为100A；由于其定值过小，未能躲开直流母排上大容量励磁电流带来的干扰，从而导致跨接器误动跳机。

3 跨接器故障危险点分析

梳理上述几起跨接器故障案例发现，跨接器危险点主要集中在CUS元件和BOD元件。这其中包括硬件的缺陷，又包括软件设置不合理，主要有以下6点：

(1) CUS装设在灭磁柜内，周围布满了直流母排，机组正常运行时直流母排的电流为数千安培，强励时其电流接近上万安培，对CUS元件的输出端存在着较大干扰；

(2) CUS元件的输出端为差分电压，其幅值很小，一旦输出端子开路，则小干扰信号也能通过开路点输送到AVR，从而造成AVR的误判；

(3) 跨接器电流动作设定值不合理，保护动作值过小，未能躲开机组正常运行时产生的干扰；

(4) 跨接器触发板BOD元件发生缺陷，误触发晶闸管；

(5) -A02单元与-F02单元之间的连接不可靠带来的危险；

(6) CUS元件与FIO板之间的连接端子松动及连接电缆断裂带来的危险。

4 跨接器的维护

4.1 合理设置跨接器电流动作值

合理设置跨接器电流动作值【925项】，可以有效避免跨接器的误动。一般厂家推荐的经验值为100A或120A；但经实践证明，该经验值并不符合现场实际情况，在某些特殊工况下容易导致误动。

理论上，机组正常运行时跨接器不接通，跨接器流过的电流为毫安级的漏电流；但由于CUS安装在灭磁柜内，其输出端受直流母排的干扰比较大，机组正常运行时【10929】项所检测到的跨接器电流也大。但该电流并非跨接器的实际电流，而是由干扰信号产生的虚假电流。由于AVR对此无法区分，自动默认该虚假电流为跨接器的实际电流，导致干扰信号产生的虚假电流值与励磁电流的大小基本成正比。另外，在CUS元件输出端开路的情况下，因受到的干扰信号越强烈，虚假电流也越大，所以，应以现场所测得的跨接器电流为依据来整定跨接器电流动作值。该电流值的整定原则应为躲过最大励磁电流运行工况下且CUS输出端开路时干扰信号产生的虚假电流。通过对相关资料的搜集和分析，可按如下公式对跨接器电流动作值【925项】进行计算：

式(1)中，Ir.set为跨接器电流动作值；Ien为发电机额定励磁电流，乘以2为最大励磁电流运行工况(强励)；Ie为某正常运行工况下的励磁电流，工况选择以实际运行励磁电流越大越好；Ir为某正常运行工况下【10929】项所检测到的跨接器电流；Kd为裕度系数，一般设置为1.2；Kk为CUS元件输出端开路时的可靠系数，一般设置为1.5-1.6。

以某公司2号发电机为例，该机额定励磁电流为4 638 A，2013-12-11某正常运行工况下的励磁电流为2 968 A，通过【10929】项检测到在此工况下的跨接器电流为46 A，根据公式(1)，Ir.set=2×4 638÷2 968×46×1.2×1.6=276 A≈280A， 则该台机组整定的跨接器电流动作值【925项】为280A。

4.2 机组正常运行时的日常维护

(1) 检查励磁小室的温度是否合适，通风是否良好，以防板卡电子元器件过热而损坏。

(2) 及时更换励磁系统的滤网，防止板卡积灰而影响电子元器件的性能。

(3) 通过【10929】项跟踪观察跨接器电流的大小，出现异常要立即分析原因。

(4) 对出现的跨接器报警信息，要及时分析原因并及时处理。

4.3 机组检修期间的检查

4.3.1 霍尔电流互感器的检查

霍尔电流互感器(CUS)被放置在环形铁芯的气隙中，CUS的接头连到船形插座，插座、环形铁芯和传感器均浇注在一个塑料盒内，如图7所示。

CUS经船型插座通过电缆与FIO板连接，其连接如图8所示。

根据其结构及布置，应对CUS元件进行以下检查：

(1) 检查CUS外壳有无裂痕，是否完整；

(2) 检查船型插座是否完好，是否松动，管脚有无开路现象；

(3) 检查CUS元件与FIO之间的连接电缆是否完好；

(4) 检查FIO板与CUS元件连接的端子是否完好，插座是否紧固。

图7 霍尔电流互感器外形

图8 霍尔电流互感器与FIO板连接示意

4.3.2-A02触发板的检查

(1) 检查触发板板卡是否完好，元件有无烧黑、放电等现象。

(2) 检查BOD元件是否完好，管脚接触是否良好。

(3) 检查-A02触发板与-F02单元之间的连接是否完好，有无松动。

4.4 发电机灭磁试验

机组检修结束后，应按照相关标准对发电机进行灭磁试验，检查跨接器的性能，测量灭磁时跨接器的动作电压值、动作电流值应符合整定值，转子过电压保护不应该动作。

5 结束语

同步发电机安全可靠的灭磁，不仅关系到励磁系统本身的安全，而且直接关系到电力系统的稳定。对发电机转子回路产生的过电压，必须采取有效措施来限制，以保护发电机转子绝缘和励磁装置的安全运行。ABB U5000励磁系统跨接器为发电机转子回路提供了快速、可靠的保护，只要设置合理，维护得当，就能有效避免该类型跨接器误跳机组事故的发生。

1 王君亮．同步发电机励磁系统原理与运行维护[M]．北京：中国水利水电出版社，2010.

2 陈杰凤．UN5000励磁系统跨接器_CROWBAR_故障的技术分析与处理[J]．大电机技术，2007，37(5)：49-52．

2015-05-10。

郭志斌（1975-），男，继电保护技师，主要从事发电厂继电保护及自动化装置维护和管理工作，email:1044682068@qq.com。