蓄能机组失磁保护动作跳机原因分析与处理

董翰宁，董锦川

（1.国网新源控股有限公司电力检修分公司，北京100068；2.国网新源控股有限公司潘家口蓄能电厂，河北 唐山064309）

1 电厂概况

某抽水蓄能电厂安装4台单机容量为200MW的立轴单级混流可逆式水泵水轮发电机组，装机总容量为80万kW。该抽水蓄能电厂系利用已建某水库为下库，在××山后上寺沟头修建上库，上下库落差430m。电厂枢纽主要建筑物有上库、引水道、地下厂房、尾水道及下库等。上库采用沥青混凝土面板堆石坝，坝顶长464m，最大坝高70m；库盆采用全面沥青混凝土衬护防渗，周长1628m，总库容401万m3。设计年发电量12亿kW·h。其主要任务是：担负北京地区调峰和紧急事故备用电源，改善首都供电质量；接入华北电力系统，与京津唐电网联网运行；减少火电频繁调整出力和开启，改善运行条件，降低煤耗，同时兼有填谷、调频和调相等功能。

2 事件经过

2017年 12 月 24日 04：57：54.987，该抽水蓄能电厂1号机组抽水运行过程中，OIS上出现“EXCN OPERATING”、“EXCN REGULATOR AUTO”信号丢失。转子电流和定子电压均开始下降。04：58：21.725，OIS上出“MOT LOSS OF EXCITATION TRIP”和“ELECT PROT TRIP II”、“ELECTRICAL PROTECTION TRIP”报警信号，1号机跳机。04：58：42.224，OIS上“EXCN OPERATING”、“EXCN REGULATOR AUTO”信号恢复，开始出现“EXCN alarm”和“EXCN trip”。1号机组电气保护跳闸，走停机流程。其他运行方式不变。

3 处理过程

（1）值守人员

立即通知ON-CALL人员进入现场确认发变组保护盘失磁保护报警信号并检查励磁系统报警情况；通知运维负责人及相关领导，说明1号机组抽水工况跳机报警情况，通知设备专责进行缺陷处理；立即向调度说明现场情况。

（2）ON-CALL 人员

现场检查保护盘柜，有“失磁保护动作”报警；1号机组励磁控制盘有“EXC. TRSF CB FAIL”和“STOP OVERTIME”报警，灭磁开关和励磁变交流开关均已分开；机械保护柜和现地控制盘光子盘均有电气保护跳闸信号。

（3）情况梳理

导致该缺陷发生的原因可能有以下几方面：

1）发变组保护误动作；

2）励磁控制柜电源故障；

3）励磁控制柜主通道控制板GMR3故障。

（4）问题排查

现地检查发变组保护控制器录波，录波显示转子电流已消失（图1），确实已经达到失磁保护动作的定值（图2），保护动作正常，排除保护误动作的可能。

图1 1号机组电动工况失磁保护动作录波图

图2 1号机组电动工况失磁保护定值

查看励磁系统报警信息，励磁报警出现的先后顺序为“EXC. TRSF CB FAIL（励磁变交流开关故障）”和“STOP OVERTIME（励磁停机程序超时）”，结合监控系统报警信息，初步判断励磁故障。

通过监控和励磁系统的报警，判断励磁控制器电源输出电压异常或者其他原因，导致励磁控制器程序异常，部分开入和开出信号丢失，因此监控会有“EXCN OPERATING”、“EXCN REGULATOR AUTO”信号丢失。正常情况下，励磁系统控制器中，以上两个信号丢失，励磁会报“EXC TRIP”将励磁程序终止，并跳灭磁开关。但是由于励磁控制器处于死机状态，无法报跳闸信号，灭磁开关无法跳开。从监控数据库中可查到，励磁信号丢失后，励磁电流和定子电压都开始下降，该过程导致励磁变开关跳闸，励磁控制器出励磁变交流开关故障。励磁变交流开关跳开后，失磁保护动作，出口电气保护跳闸，才将灭磁开关跳开，机组抽水运行跳机。

（5）确定故障点

缺陷发生后，运维人员立即赶到现场进行处理。并通过监控、保护及励磁系统报警分析缺陷原因。根据分析结果，定位缺陷部位可能为励磁控制器供电电源模块和励磁控制器控制板。

（6）处理步骤

本次故障由监控系统“EXCN OPERATING”、“EXCN REGULATOR AUTO”信号丢失开始，因此先分析了这两个信号丢失的原因。“EXCN OPERATING”是励磁启动流程中的综合信号，该信号的部分逻辑如图3所示。该信号正常，励磁系统才正常执行，发励磁启动令。但是，该信号丢失的原因也较复杂，除图3所示部分外，励磁系统内的开关状态、励磁控制方式、励磁ready信号等都会影响该信号，因此该信号无法定位故障原因。然而，正常情况下，“EXCN OPERATING”逻辑中的任何一个条件不满足，都会出励磁报警和励磁跳闸，但本次缺陷中监控系统和励磁控制器中均无任何相关报警，因此判断当时励磁控制器处于死机状态，无法正常工作。但励磁控制器死机的具体原因无法确定，因此运维人员进行了以下试验进行逐一排除。

图3 励磁控制器中“EXCN OPERATING”信号逻辑图

1）利用直流电源给励磁系统主通道供电，发现电源较低时，主通道自动切至备用通道，且无法再将该通道切为主通道。该项试验证明，电源模块的输出电压确实对励磁控制器的工作有影响，但无法模拟本次缺陷发生的情景。

2）进行手动开机试验，试验过程中，切换主通道和备用通道，两个通道切换正常，无异常现象。通道断电切换时，监控会有“EXCN OPERATING”、“EXCN REGULATOR AUTO”信号丢失，但信号不到1s时间均能恢复正常，手动切换通道，监控无任何报警。该试验证明，电源异常时，励磁通道切换时，监控会有“EXCN OPERATING”、“EXCN REGULATOR AUTO”信号丢失，但通道切换后，励磁系统可正常工作，不影响机组运行。本次缺陷具有偶发性，故障现象无法重现。

3）为了保证缺陷不再发生，运维人员决定将励磁控制器的电源模块和控制板均更换，具体情况如下：

①更换电源模块，将旧版本的电源模块更换，更换后，电源模块输出电压由原来的21V提高到24V，可更稳定、可靠地为控制器供电。

②更换主通道的控制板（GMR3板），重新下装程序和参数，保证控制器工作正常，旧的控制板返回厂家测试，进一步查找原因。

③进行小电流试验，验证控制板的触发脉冲正确，确保可控硅工作正常。

④进行手动开机和假同期试验，确保各项参数正常。

4 原因分析

通过监控和励磁系统的报警，怀疑励磁控制器电源输出电压异常，导致励磁控制器程序异常，部分开入和开出信号丢失，因此监控会有“EXCN OPERATING”、“EXCN REGULATOR AUTO”信号丢失。励磁系统控制器中，如果励磁运行过程中这两个信号丢失，励磁会报“EXC TRIP”将励磁程序终止，并跳灭磁开关。但是由于励磁控制器处于死机状态，无法报跳闸信号，灭磁开关无法跳开。从监控数据库中可查到，励磁信号丢失后，励磁电流和定子电压都开始下降，该过程导致励磁变开关跳闸，励磁控制器出励磁变交流开关故障。励磁变交流开关跳开后，失磁保护动作，出口电气保护跳闸，才将灭磁开关跳开，机组抽水运行跳机。

5 暴露问题

（1）1号机组励磁控制器于2011年完成改造，其电源模块已工作6年，需要加强关注。

（2）励磁控制板返回厂家检测，其检测结果将作为励磁控制板的重点关注对象。

6 防止对策

为预防和控制同类缺陷再次发生而采取的技术措施、管理措施，以及举一反三的排查和防控措施等见表1。

表1

7 结束语

本文针对某抽水蓄能电厂水泵水轮发电机组在水泵工况运行过程中，由于1号机组励磁“EXCN OPERATING”、“EXCN REGULATOR AUTO”信 号丢失。励磁电流和定子电压下降、励磁变交流开关故障、励磁下降、失磁保护动作、电气保护跳闸、机组跳机原因进行认真分析及相应的检查处理过程进行了介绍，可以看出，通过监控和励磁系统的报警，判断励磁控制器电源输出电压异常原因，导致励磁控制器程序异常，部分开入和开出信号丢失，监控会有“EXCN OPERATING”、“EXCN REGULATOR AUTO”信号丢失。因此，一是采取更换电源模块，将旧版本的电源模块更换后，电源模块输出电压由原来的21V提高到24V，可更稳定、可靠地为控制器供电。二是更换主通道的控制板（GMR3板），重新下装程序和参数，保证控制器工作正常。通过近一段时间设备的运行情况看，取得了比较理想的效果。