基于安徽省响洪甸蓄能发电有限责任公司励磁系统“7·25”事故的原因分析及处理

李江涛

（安徽省响洪甸蓄能发电有限责任公司，安徽省六安市 237335）

基于安徽省响洪甸蓄能发电有限责任公司励磁系统“7·25”事故的原因分析及处理

李江涛

（安徽省响洪甸蓄能发电有限责任公司，安徽省六安市 237335）

同步发电机励磁系统对电力系统的可靠性和稳定性起着重要作用，在我国，励磁系统的可靠性和技术性能指标还不能令人满意。通过对励磁系统故障的分析与维修，了解励磁系统结构、励磁系统原理和励磁线路控制元件功能，在运行过程中出现事故现象进行分析。

励磁系统；事故；原因分析；三相短路；静态调试；动态调试

0 引言

安徽省响洪甸抽水蓄能电站安装2台单机容量为40/55MW的单级可逆式水泵水轮机组，每台机组安装一套励磁系统，各配备一台容量为810kVA的励磁变压器。该励磁系统由安德里茨（中国）有限公司生产，为并励励磁系统，其原理是以硅整流器作为功率元件，励磁电流取自主变压器低压侧10.5kV母线，经励磁降压变降压后，整流变换成直流后建立磁场。主要有以下元件组成：励磁变压器、励磁系统电源、晶闸管整流器、调节装置、过电压保护、灭磁装置、起励回路、倒极装置、启动、电气制动等。本厂机组采用THEYN 5型双微机双通道并联晶闸管励磁调节器。正常运行时：两个通道并联运行，相互备用。

本文主要介绍5号机组励磁系统2号功率柜内三相交流母排短路事故，全面分析了事故产生的原因及整个处理过程。

1 事故发生经过

1.1 事故发生前机组运行方式

5号机组抽水运行，6号机组备用。

1.2 事故发生经过

2013年7月24日23时52分，该电站5号机组应调度指令抽水工况远方启动，0时4分机组转抽水，25日0时22分12秒，5号低压过流保护动作，5号发电机出口断路器5DL跳闸。

详细监控流程如下：

23:55:00 5号机组抽水调相转抽水工况；

00:22:10 5号机励磁系统过电压保护动作；

5号机励磁晶闸管脉冲丢失；

5号机励磁系统总故障；

5号机励磁系统强励动作；

5号机励磁系统事故；

5号机励磁系统晶闸管熔丝熔断；

00:22:11 5号机停机令发调速命令；

5号机励磁灭磁断路器FBCQF分闸；

5号发电机失磁保护动作（保护装

置时间00:14:37:931，记为保护0时刻）；

5号机励磁调节器故障；

5号机励磁系统操作电源故障；

00:22:12 5号机组顺控启动抽水转停机流程；

5号发电机低压过流保护t1（一段）动作跳机组；

5号发电机低压过流保护t2（二段）动作跳机组（保护装置时间00:14:39:063，记为保护1.132s时刻）；

00:22:13 5号机组出口开关5G5DL断路器分闸（保护装置时间00:14:39:149，记为保护1.218s时刻）。

2 事故原因分析

2.1 外观检查

故障发生后第一时间对励磁变压器、发电机、励磁系统设备进行隔离、检查，同时检查监控趋势图、故障时波形和保护装置日志。监控系统记录的模拟量见表1，继电保护装置动作记录的模拟量见表2。

表1 监控系统记录的模拟量

表2 继电保护装置动作记录的模拟量

续表

2.1.1 故障时波形分析

故障时波形图见图1～图4。

图1 失磁保护一段动作记录

图2 失磁保护二段动作记录

图3 低压过流t1跳闸记录

图4 低压过流t2跳闸记录

2.1.2 监控报警记录

故障时监控系统监控报警记录如表3所示。

在瓷面上“打玻璃白”也是一项讲究的工艺活，玻璃白是水溶性颜料，而彩瓷是先要用油性颜料钩线和画底色，这个过程必然会使瓷面沾上油，这样水溶性的玻璃白就无法打在含油的瓷面上。这就需要用到“锅灰”锅灰具有吸油作用。在需要上玻璃白的位置先抹上少许锅灰，然后再把锅灰轻轻扫除，这样玻璃白就可以打在瓷面上。

表3 故障时监控系统监控报警记录

2.1.3 一次设备检查及试验

（1）发电机定子线棒上下端部。

（2）励磁变压器。

（3）转子磁极及引线。

（4）发电机出口断路器。

（5）发电机中性点接地变压器。

检查结果一切正常。

2.1.4 励磁控制盘内检查情况

励磁系统由4个盘柜组成，分别是励磁调节器控制柜、1号功率柜、2号功率柜和灭磁柜。1号功率柜晶闸管U相正负极、W相正负极快速熔丝熔断；1号功率柜W相晶闸管交流侧母排连接螺栓烧损；2号功率柜W相正极快速熔丝熔断；交流侧过电压保护装置3相熔丝熔断；交流侧过电压保护装置母排侧连接电缆三相烧断；2号功率柜内三相交流母排端部烧损；2号功率柜脉冲控制板损坏；2号功率柜部分引线，晶闸管绝缘支撑和柜体构件烧损。如图5～图13所示。

图5 2号功率管整体烧毁情况

图6 2号功率柜内交流母排端部烧损（1）

图7 2号功率柜内交流母排端部烧损（2）

图8 2号功率柜内交流母排端部烧损（3）

图9 2号功率柜内交流母排端部烧损（4）

图10 2号功率柜内交流母排绝缘挡板烧毁情况（1）

图11 2号功率柜内交流母排绝缘挡板烧毁情况（2）

交流侧过电压保护装置三相熔丝熔断；交流侧过电压保护装置母排侧连接电缆三相烧断。

图12 过电压保护装置母排侧连接电缆三相烧断

2.2 初步分析

图13 1号功率柜W相晶闸管交流侧母排连接螺栓烧损

图14 故障模拟图

5号机组抽水运行时，励磁系统2号功率柜主用、1号功率柜备用。2号功率柜内的交流母排端部（图中K1处）发生三相短路，致使励磁交流侧电压降低，励磁直流侧电压随之降低，进而导致发动机机端电压下降，机端电压低于额定值75%时励磁系统控制器强励限制动作。强励限制设定为额定励磁电流（1020ADC）的1.9倍（1938ADC），换算值至交流侧为1581A。2号功率柜C相正极快速熔丝（图中K4处，型号：66URD33TTF1000，额定电压660～700VAC，额定电流1000A）熔断；励磁控制器功率柜故障逻辑输出切换命令，退出2号功率柜、投入1号功率柜运行，因交流母排短路点仍在，导致1号功率柜晶闸管U相正负极、W相正负极快速熔丝熔断，同时1号功率柜W相晶闸管交流侧母排连接螺栓烧损，如图15所示。

2号功率柜内（如图16所示）交流母排端部发生三相短路的同时，导致交流侧过电压保护装置三相熔丝熔断（图14中K3处）、交流侧过电压保护装置母排侧连接电缆三相烧断（图14中K2处）。

励磁控制器1号功率柜和2号功率柜均故障后，励磁控制器跳开灭磁断路器，0.5s后跳开晶闸管阳极电源开关（励磁变压器低压侧断路器）。

此时5号机组失去励磁，从系统吸收大量无功，1.0s后失磁保护一段动作发信号，1.03s后失磁保护二段动作发信号，1.132s后低压过流保护一段、二段均动作跳闸，5号机组电气跳闸，机组解列，进入停机流程。

2.3 事故原因分析

功率柜内的交流母排，产品设计时将三相母排之间、母排与支架间用绝缘块进行固定，端部用一块L形半封闭绝缘挡板进行遮挡。该电站5号、6号机组励磁系统系2003年投运，电站机组年利用小时数长，励磁系统功率柜冷却方式为强迫风冷，由于长期运行，绝缘块缝隙内、端部绝缘挡板内侧检修维护时无法进行彻底的清扫，灰尘慢慢集聚，2号功率柜内交流母排端部悬空，此次运行时母排端部产生的电晕（励磁交流侧电压480VAC）通过绝缘挡板内部的灰尘发生爬电、放电现象，击穿导致发生三相短路（图14中K1处），是本次事故的初始故障点。

图15 1号功率柜（左端部）

图16 2号功率柜（右端部）

2号功率柜内交流母排端部三相短路，机端电压下降，励磁系统控制器强励限制动作。部分短路电流流过2号功率柜当时导通的晶闸管，造成2号功率柜W相正极快速熔丝熔断，此时励磁控制器将功率柜由2号主用切换为1号主用（某励磁正常运行时一个功率柜主用，另一个功率柜热备用，检测到晶闸管发生故障后，励磁控制器进行功率柜切换），由于交流母排端部三相短路点依然存在，部分短路电流再次流过1号功率柜当时导通的晶闸管，造成1号功率柜晶闸管U相正负极、W相正负极快速熔丝熔断，同时1号功率柜W相晶闸管交流侧母排与晶闸管散热片间连接螺栓由于力矩不够或力矩太大造成散热片铝合金部分产生裂纹，使得母排与晶闸管散热片间接触电阻大，短路的大电流流过时发热严重，散热片与螺丝接触的部分烧损。

同时2号功率柜内交流母排端部三相短路后，产生大量夹杂着金属粉末的粉尘落在处于侧下方的交流侧过电压保护装置三相熔丝盒的上端部（图14中K2处），造成三相短路，三相过电压保护装置的接线（4mm2多股软铜线）熔断；同时过电压保护装置中的能量向短路点释放，交流侧过电压保护装置造成三相熔丝（额定电流40A）熔断，其辅助触点动作后输出“励磁系统过电压保护动作”报警至监控。

图17 励磁系统小电流试验波形图

励磁控制器1号功率柜和2号功率柜均故障后，励磁控制器立即跳开灭磁断路器，延时0.5s后跳开晶闸管阳极电源开关（励磁变压器低压侧断路器），此时短路故障方被切除。

由于励磁系统总故障、励磁系统事故仅送至监控系统，监控系统仅会根据此信号后启动正常停机流程，而不会立刻发出跳机信号，此时监控系统按照正常停机流程给调速器发出了减负荷指令；同时灭磁断路器跳开后也不联跳发电机出口断路器。此时对于机组而言，失去励磁（监控内记录无功最大值59.4 Mvar，当时机组有功下降至41.5MW；低压过流保护动作时保护装置记录的电压、电流计算出机组视在功率为96MVA），机端电压下降，同时从系统吸收大量无功，发电机定子电流增大，而失磁保护一段、二段仅仅报警，失磁保护三段（延时5s）未达到动作跳闸时间未出口，此时电压电流达到低压过流保护定值，电压过流保护一段、二段同时出口跳闸，机组解列，进入电气事故停机流程。

3 事故处理经过

对1号功率柜进行详细的检查处理，更换1号功率柜晶闸管熔断保险4只，对已烧毁的二次线全部更换，对盘柜进行全面清扫。

2号功率柜损坏元件中，晶闸管散热片、晶闸管快速熔丝的故障指示接点、三相母排无备件，暂时无法修复，但由于励磁正常运行时仅需一个功率柜，考虑首先将1号功率柜恢复运行。全部处理完毕后对5号机组励磁系统进行了如下试验：

（1）机组静态调试：励磁系统小电流试验，录波正常，波形图如图17所示。

（2） 机组动态调试：发电机零起升压试验，调节器手自动切换试验，发电试验（手动、自动）、SFC抽水试验，试验正常。

将1号功率柜投入，机组调试后恢复备用。

4 事故发生后所暴露的问题

通过此次事故暴露出励磁系统、监控系统存在以下问题：

（1）励磁三相交流铜排端部用半包绝缘挡板设计不合理。

（2）监控系统采集励磁系统点数较少，在励磁系统发生事故时，监控系统中不能有效地反映出励磁系统各参数情况。

（3）励磁系统备品备件不充足，以至于在紧急处理时出现备品备件短缺的情况。

（4）没有灭磁断路器事故跳闸联跳发电机出口断路器控制逻辑。

5 防控措施

（1）为了避免类似事故发生，已将5号机组、6号机组励磁2号功率柜交流母排端部支撑绝缘件的绝缘挡板拆除。

（2）研究并落实监控系统、继电保护系统与励磁系统控制合理配合技术措施。

（3）举一反三，加强隐患排查治理和技术监督。

[1] 文伯瑜，姜龙华，等.发电机励磁系统试验.北京：中国电力出版社，2005.

[2] 林树滋，张绍煌，等.小型同步发电机晶闸管励磁.北京：水利电力出版社，1984.

[3] 黄耀群，李兴源，等.同步电机现代励磁系统及控制.成都：成都科技大学出版社，1993.

李江涛（1986—），男，大学本科，助理工程师，生产技术部专责，主要从事电力系统自动控制与继电保护方向研究。E-mail:lijt2008@163.com

Analysis of the Causes and Accident Treatment of“7·25”Excitation System Accident for Anhui Xianghongdian Energy Storage Power Generation Co.,Ltd.

LI Jiangtao

The excitation system of synchronous generator plays an important role in reliability and stability of power system.However,the reliability of current excitation system in China is not very satisfactory. Through fault analysis of the excitation system and maintenance, the structure of excitation system,the principle of excitation system and the excitation line control element function are known.

excitation system; malfunction; analysis of causes;threephase short-circuit; static adjustment; dynamic debugging