关于大型发电机组事故灭磁的有效防护问题

摘 要：本文从大型发电机内部故障的基本要求出发，分析解读现行事故防护标准和防护能力是否达到主机设备要求的问题，提出根本解决灭磁技术关键难题的创新措施方案，以及必备的技术条件，并且站在发电全局的高度，真正从根本上解决好：为什么设置事故灭磁装置，设置怎样的事故灭磁，怎样满足主设备的要求，如何从根本上提高事故灭磁的安全性和有效性等一系列关键技术问题，争取做到厘清技术思路，消除技术屏障，创新技术方法，拓展技术应用，确保主机安全，服务电力发展。

关键词：发电机内部故障；事故灭磁；磁场开关；换流能力；灭磁结果

1 引言

随着国家电力工业的大发展，以三峡为代表的一大批大型、超大型发电机组的陆续投产，彰显了我国电力装备制造能力和运行管理水平跃上了新台阶，也对大机组、大电厂的安全稳定运行提出了更高的要求。现代化的源头是电力，发电主设备作为电力系统的心脏，其稳定运行的可靠性水平，很难与机组容量同步增加，相反许多前所未遇的新问题亦有可能发生。同时大型发电设备的事故安全防护能力，并未随着机组容量、参数规格的提高而提高，某些方面还显得矛盾和滞后，甚至自顾不及，例如承担机组内部故障保护的事故灭磁装置等，全面的解决好配套技术的升级问题，对于保证电力生产的本质安全意义重大。近年来，国内一些电厂发生主机事故扩大，或灭磁失败、击穿转子磁极等不成功案例屡有所闻，而成功的保护了发变机组事故不被扩大的案例却十分鲜见，现行的事故灭磁功能形同虚设，主机事故后果惨重。此类问题远未得到妥善解决，有必要再作深入探讨。

2 事故灭磁技术的现状和问题

对于现代大型发电机组，尤其是采用静止整流器励磁（自并励）方式的机组，励磁系统为发电机提供大容量、高参数励磁输出，从量值上已大大超越前几代机组的等级，且存在发生误强励、三相短路等超高极端工况的可能，对应的磁场能量更强大，实行灭磁操作的难度倍增。事故灭磁的电气强度正比于磁场电流的平方If2，受制于磁场开关的遮断、建压能力。如同20世纪80年代初DM2灭磁开关、2000年DM4磁场开关所遇到的问题一样，在新的高量级上又在重复过去的老路，并未从根本上突破和解决高参数灭磁的关键问题。同时为了自保，事故灭磁设计深陷某些国外技术的误区误导之中，功能特性处于能力和效力欠缺不足的被动局面，整体配置并无技术先进性可言。

特别是巨型发电机组，事故保护仍然沿用传统小参数条件下的强开断灭磁方式，型式（技术）上已严重遭遇瓶颈制约，由于磁场开关动作灭磁，弧断口只能串联使用，每个断口上流过的都是最大励磁电流，都要承受最大的遮断强度和燃弧压力，成败在此一举，不可能有第二次补救的机会。所以当前的灭磁配置相当于给高速跑车装了一副劣质刹车，平常勉强可用，而在事故高强度极端条件下绝对会崩溃失效。设计上缺乏核心技术主导，仅以磁场开关有限条件下的建压能力为依据，忽略了内部故障极端条件下的燃弧、控弧能力，会导致磁场开关超过最大遮断强度严重过载，其后果只能是失败烧毁，也就是说磁场开关本身的遮断能力未必能满足大机组对象的要求，极端条件下灭磁的安全性明显不足。

所以，实际灭磁配置又产生了另外一种倾向，即千方百计降低灭磁残压和增加辅助手段等方式，典型代表就是超配的SiC灭磁电阻，辅以切脉冲、逆变等配合措施，虽在一定条件下可减轻磁场开关的压力，但并不能保证在事故最大极限参数下的可靠遮断能力，或者说不能满足严酷状态下系统最大边界条件的要求，灭磁的成功与否多由外界因素决定（典型案例：岱海2F误强励事故）。同时，却导致大大延长了事故灭磁时间，牺牲了对事故发电机组的有效保护，一般空载额定灭磁仅相当于逆变的时间，事故短路灭磁要10多秒超过Tdo时间，完全不具有快速有效性，造成主机事故破坏面和事故损失扩大的严重后果，失去了保护主机设备和励磁系统内部故障的有效性作用（三峡3F、向家坝8F发电机事故和龙羊峡4F励磁事故）。

还有一种危险状况，即许多大型机组设置的交流开关，位于励磁变出口至整流器之间，当发生励磁系统内部故障时，此开关会延时（100ms）跳闸，切除直流或交流短路电流，可能超过额定电流数十倍，由于此交流开关不具有切断强直流感性电流的能力，则极有可能喷弧短路而烧毁（最近官地2F的整流器短路事故）。

分析传统强开关灭磁方式的性能和效果，设计了“发电机事故灭磁保护因果逻辑图”，将发电主设备、励磁系统，有可能发生的内部故障和事故扩大等问题，及其相互的因果关系、技术条件和形成后果，用跨功能流程图的形式加以展现，从而进一步理清了发电机组事故灭磁的功能、作用和效果的关系，特别是清晰的抓住了整个事故灭磁体系的关键节点或瓶颈，即磁场开关的换流能力欠缺的问题，及必然导致以下几种并不希望见到的事故灭磁结果：⑴磁场开关换流成功——以牺牲发电主设备为代价，超长的灭磁时间扩大了主机事故的破坏面和损失量，事故灭磁的有效性不足；⑵磁场开关换流失败——导致勵磁功率设备烧毁损坏，造成次生损失扩大，极限灭磁的安全性没有保障；⑶磁场开关换流，交流开关喷弧烧毁——内部短路情况下跳交流开关，失败烧毁的可能性更高，冗长的灭磁时间更增加了破坏的程度，而快速有效的所谓“理想灭磁”结果，现行条件下是不可能发生的（详见图1）。其最好的结果就是成功换流、缓慢灭磁；若换流不成功或交流开关喷弧短路，则事故扩大设备损坏的结果很难避免。

3 为何要设置事故灭磁装置

对于当前灭磁装置性能弱化，功能短缺，有名无实的现状，有必要重新认识一下事故灭磁配置的重要意义。大型发电机组的事故灭磁装置，是装设于励磁主回路、直接作用于磁场电流的发电机重要保护装置，是发变组内部故障保护的最后防线，是有效防止发电主设备事故扩大的必备措施，是继电保护事故跳闸指令的最终执行者。其功能和效用直接影响到机组内部事故的破坏程度和损失量。由于励磁系统构成的复杂性，要求事故灭磁装置：能在任何严酷工况下、满足最大边界条件、具有强制性和独立性的执行事故灭磁指令，实施可靠高效快速灭磁的功能。

事故灭磁功能相当于高铁机车必须具备有效的刹车制动一样，巨型发电机系统也要有相匹配的強有力的事故灭磁配置，否则就会形成技术功能的短板和瓶颈，非但起不到保护主机的作用，运行在发电机上就是一个炸弹和隐患。由于发变组或励磁系统发生极端事故的概率并不高，所以这个隐患很难提前暴露，一旦发生则后果惨重（如龙羊峡4F事故）。对此应该引起充分的重视，对关键性能指标必须设立量化标准和工程测试标准，并有效实行，采取严密的技术安全评估预判，严格掌控防患于未然，这也是近年来重点研究掌握的核心技术方法。

事故灭磁装置应该回到其根本任务和目标上来，担当起发电机组的贴身保镖、紧急救命丹的作用，是继电保护系统指令的最终执行者，其能力和品质怎样强调都不过分，其经济价值更是举足轻重，若能够避免一次内部故障扩大的损失，少则几千万元、多则上亿元，是装置本身的几十、上百倍的高效益。所以事故灭磁的安全性和有效性同等重要，均衡统一不可偏废，其目的就是无条件满足机组最大顶值参数下，快速转移和消除磁场能量，有效保护主机设备的故障不被扩大，重建起坚强有力的保护防线。重点是必须建立起有明确指标的有约束力的评估评价体系和技术标准规范，而不是用折中将就的方式降低标准，迁就低能的磁场开关，建议推进强制性灭磁安全标准，大力促进事故灭磁技术发展进步，最大限度的提高对巨型发电机组安全的保护能力，彻底解决电力技术发展的瓶颈问题。

4 发电机需要怎样的事故灭磁

既然事故灭磁对于发电机组来讲是不可或缺的重要保护装置，是直接针对发变组各种内部故障起作用的无可替代的唯一功能设备，一旦发生内部事故必须确保快速灭磁一次成功，其重要性、可靠性应该与发电机出口断路器等同，从系统功能、性能上不允许有半点折扣偏差，某些所谓的后备冗余设置和补丁措施都是多余的花哨，加上复杂的时序配合关系，关键时刻未必能够起到作用。因为事故发生只是一瞬间的事，第一级保护将承受全部压力，若承受不了只有失败烧毁，与其将希望寄托在后备补丁上面，为何不在灭磁主体上多下些功夫，强化其功能特性，在发电机组、励磁系统可预计的任何异常状态下，都能够绝对可靠、快速有效的完成灭磁功能，确保一次成功。设计上必须满足机组对象在最大极端条件下的灭磁能力，这对一般机械开关几乎不可能达到，也是现行技术标准所不及。但是若不对此提出明确要求，也就失去了灭磁装置配置的实际意义，使灭磁装置沦为高贵的摆设装饰品，毫无功能特性可言，或者再以牺牲主机为代价，就更加主次颠倒得不偿失。这里提出事故灭磁必备的技术条件和技术指标要求：

⑴发电机灭磁的极限能力：

Ifm≥4IfN（水机顶值，或根据实际参数校核）

⑵发电机灭磁产生的最大过电压：

Ump≤0.5Usp （常规灭磁）

Ump≤0.7Usp （极端条件）

⑶发电机空载额定灭磁时间：（If≈0的时间）

Tmo<0.3Tdo（较快速 事故损失率rs<10%）

Tmo=0.167Tdo（理想灭磁 事故损失率rs<3%）

⑷发电机空载额定灭磁系数：

Km=Tmo/Tdo（0.167≤Km≤0.3）

⑸等效灭磁电压倍数：

Ku=Um/UfN

且有Km=1/（1+Ku）

⑹磁场开关成功换流的电压条件：

Ukm>Udm+Uzm （建压能力）

⑺磁场开关最大遮断强度：

Wkm>>∫ukmif dt（断口容量）

⑻磁场开关拉弧建压换流时间：

25ms

⑼灭磁电阻总体能容量：

Wr≥[（1.1～1.3）/0.8]*（0.5LoIfN2）（裕量充沛）

5 如何满足发电主设备灭磁要求

上述技术条件和技术指标，符合大型发电机自并励系统的实际要求，但采用传统的强开关灭磁方式，很难全面达到要求，受到种种的制约和限制，例如：磁场开关的性能，灭磁的非线性特性，灭磁电阻的型式与配置方式等，根本上还是受困于灭磁建压和换流的老旧模式问题，还是传统灭磁方式与新机组高参数之间难相适应不匹配的问题。

随着大电厂、大机组的发展，灭磁的参数容量更是大大高出，甚至要高出一个量级，磁场开关所承受的遮断强度或称电应力正比于励磁电流的平方If2，远非昔日的中等容量机组可比，即使磁场开关能够应付2～3倍的额定强度，但也很难过得了极端误强励的考验，其遮断强度在极端状况可能超过16倍额定值，对一些短弧道设计的磁场开关，更加危险。近年来国内几起典型事故案例，烧毁磁场开关多是在此种工况下发生的，无论是进口还是国产开关，这一致命的弱点均无法逾越，侥幸的是许多机组还未发生过，毕竟内部故障和空载误强励事故较外部故障的概率要低，发电主设备的可靠性也有所提高，但不等于不会发生。

国内励磁界在这些问题上长期困扰、十分纠结、难有突破，唯一的寄希望于老外对磁场开关能给出什么保证值，恰恰这是最难以保证的，即使是开关型式试验参数，也是在特定条件下的特定参数，并不能代表所有状态下的参数一致和稳定，这是磁场开关应用的特点所决定，往往只是一些数字游戏，那么这样的选型和应用岂不危机四伏，风险重重，尤其对于巨型机组的超高强度矛盾更加突出。

怎样为世界最大的水轮发电机配备合适的灭磁保护装置呢？灭磁技术如何跟上电力发展的步伐，而不是拖其后腿呢？创新，唯有创新，中国人能上天、能入海，能造出世界上最大的发电机，能完成特高压直流输电，怎么就不能解决好大电源核心的发电机自身的安全保护问题？

若能打开思路，另辟蹊径，前面这些问题均可化解，由于业界始终框定在一个既定前提下，其潜台词是磁场开关是灭磁的必需，要灭磁就是拼开关，延用着固有的思维模式——开关拉弧建压，转移磁场电流。其实磁场开关在事故灭磁中起到的仅仅是二传手的作用，且采用最机械原始的方法，十分吃力勉强甚至危险的操作，完成的只是对磁场电流的换流功能。而当今的励磁系统早已电子化、柔性化了，巨型机组的参数规格远超以往数倍，事故灭磁方式却还停留在陈旧落后机械老套的模式，这里才是最应该、最有可能创新改进的地方，当我们抛开那台磁场开关，就会发现还有许许多多的技术方法和手段，可以实现可靠转移磁场电流、快速高效灭磁的目标，何必争抢那个独木桥。

先进合理的解决方案早已产生于长江电力公司，基于主动换流技术的高性能自动灭磁装置（无源零开断自动灭磁技术），突破了限制瓶颈，化解了技术矛盾，完全满足系统最大边界条件和技术要求，确保将事故灭磁导向唯一正确的结果——理想灭磁，避免了造成扩大损坏的可能，实现安全快速的全新事故灭磁设计。装置已成功应用于葛洲坝电厂机组六年多，具有超极限参数的灭磁换流能力，快速理想的灭磁时间（空载额定0.82秒），优异的限压特性和充足的在线能容量，兼顾转子回路过电压保护等其他功能，完全满足各项灭磁技术条件的要求，从根本上避免了换流失败或开关喷弧失控导致事故扩大的可能，确保机组任何事故灭磁的安全性和有效性，详见图2。

该项技术是在长江电力公司的支持下完全自主研发，获得湖北省重大科技成果和国家发明专利，具有自主知识产权，通過省级院士专家鉴定的，属国内外首创、国际先进的技术，是长江电力公司在励磁技术领域的创新成果，解决了世界级的灭磁难题，是对国家水电发展的重要贡献，曾荣获公司总经理特别奖、以及国际专利博览会双金奖。对于完善大型、超大型水电机组保护功能，具有颠覆性的意义和价值。

最近某电厂（向家坝8#机）新机投产事故，就是典型的内部事故，最终扩大到60多根线棒要更换，短路能量将风洞门冲开，影响投产工期20余天，损失发电量3.5亿KWH，其事故损失不可谓不大。严峻的事实再次证明，若能够应用快速灭磁，事故损失将呈平方级下降。该事故再次暴露了巨型发电机保护不力的问题，造成发电主设备损坏扩大，值得业界三思，说明问题的严重性和复杂性，应该引起足够的重视和警觉。巨型机组失去有效的防护，还有何本质安全可言。高价从国外引进的保护装置（磁场开关/SiC电阻）自顾自都不足，哪还有能力保护我们的发电机？我们提出的《励磁系统安全风险评估排查表》（CYPC-105-0560-2012），其中灭磁装置最高风险等级的（D-3）项问题，就是励磁系统中仅有的Ⅰ级最高风险项之一，应该立即整改，绝对避免重复发生的零允许事件，且在大型水电机组普遍存在着的隐性潜在安全隐患。

对于如此严重的安全风险，我们的安全管理思路应该有所转变。以往一些仅停留在表面的技术改进难以解决深层次的根本问题。靠花钱是买不来核心技术的。大型超大型机组应该如何解决内部事故有效防护的问题，如何追求本质安全和创新关键技术，归根结底还是一个治标和治本的问题。

6.结论

通过以上深入分析，本文得出以下结论：

大型发电机内部保护措施和能力至关重要不可或缺；

事故灭磁应能强制和独立的执行紧急灭磁功能；

事故灭磁的安全性和有效性均衡统一不可偏废；

事故灭磁必须满足对象最大边界条件下可靠快速灭磁；

磁场开关必须确保建压能力和遮断强度同时满足要求；

主动换流方式的灭磁能力突破了常规限制条件的制约；

新型主动换流技术是确保灭磁成功和快速有效的唯一结果；

恢复重建理想灭磁条件是在全新的技术高度上整体能力的体现；

创新灭磁技术是满足电力发展消除最高安全风险的首选方向。

当前大型发电机组事故灭磁的功能特性和防护效果，实际性能评价并不令人乐观，好在问题再次暴露，不容回避和漠视。通过葛洲坝30余年励磁技术的积累和创新实践，一些关键核心技术均已破解掌握。而重新认识问题和解决问题的思路和方向才是根本，没有保护或保护不力的发电机组是危险的；不能有效保护发电机组的灭磁装置是低劣的；屈从于低能磁场开关的灭磁技术是落后的；没有整体创新核心技术的灭磁安全是没有保障的。必须通过主动攻关，科技创新，才能切实提高大水电、大机组事故灭磁的安全水平。对此问题的充分认识、探索实践、创新研发与现实需要之间目标应该是一致的，即通过创新主导发展，真正提高我国在发电机励磁领域的技术水平。

参考文献

[1] 黄大可《事故发电机实施快速灭磁的作用和评价指标》