老挝南湃水电站机组起励失败原因分析与探讨

2018-12-04胡元锋

水电站机电技术 2018年11期

周悫，刘勇，胡元锋

（北方国际合作股份有限公司，北京100040）

1 电站概述

南湃（Nam Phay）水电站位于老挝万象省北部Phoun区，坝址位于南俄河（Nam Ngum）支流南湃河（Nam Phay）上游峡谷。站内装设2台43 MW冲击式水轮发电机组，总装机容量86 MW，额定水头700 m，额定流量14.03 m3/s。

2 励磁系统简介

2.1 概述

南湃水电站发电机励磁系统为武汉洪山电工的HWJT-08 DS励磁调节系统，整个励磁系统由机端励磁变压器、可控硅整流装置、自动电压调节器AVR、灭磁和过电压保护装置、起励装置、必要的监测、保护、报警辅助装置等组成。

励磁系统的控制是由AVR调节器输出触发信号控制可控硅的导通，从而控制发电机的励磁电流，达到无功调节的作用。

2.2 组成

HWJT-08DS励磁调节系统可分为四个主要部分，如图1所示：

励磁变压器（-TE01）；

2套相互独立的励磁调节器（-AA01，-AA02）；

可控硅整流桥单元（-VT01～- VT06）；

起励单元（-KM07，-QF15，-VD01）和灭磁单元（-VD02，-RV05，-RV04）。

图1 HWJT-08DS励磁调节系统

2.3 励磁起励方式

HWJT-08DS微机励磁调节器的工作电源采用两路独立电源供电，其中一路取自厂用直流系统，另一路取自交流电源系统，依据励磁方式的不同有所不同。

HWJT-08DS励磁调节系统采用自并励与直流他励相结合的方式，在起励初期通过DC110 V直流电源快速起励，在很短的时间内将机端电压升至设定值（如30%额定值），然后自动断开起励回路，转入自励激磁状态。

3 励磁起励失败原因分析及排查过程

3.1 起因

2017年6月21日1号机组停机检修后，于19：32时通过上位机起励建压，大约8 s左右报“励磁系统起励失败”，连续操作2次起励均没有成功。

3.2 初步排查

根据运行经验导致起励失败的原因可能有转子回路绝缘降低、励磁控制系统故障、励磁PT故障、转子正负极性接反、励磁变故障等。考虑到本次机组检修时涉及到电缆的拆接，首先对回路检修检查，过程如下：

（1）1号机组检修时拆除过集电环上电缆（励磁电源正负线缆），因此怀疑此处电缆接线错误导致起励失败。通过设计及厂家图纸，核对集电环上电缆接线，并与2号机组的接线比较，接线无误，且滑环正负极性相同。但通过现地LCU柜再次起励时，仍然起励失败。因此可以排除了灭磁柜至发电机电缆接线错误导致起励失败的可能性。

（2）用1000 V摇表测量转子线圈及连接灭磁柜电缆绝缘，测量到绝缘电阻值为10 MΩ。但通过现地LCU柜再次起励，仍然起励失败，排除转子线圈及连接至灭磁柜电缆绝缘降低导致起励失败的可能性。

（3）核实励磁参数设置参数，确认励磁调节器参数设置正确，排除励磁调节器参数设置错误导致起励失败的可能性。

（4）检查机端侧励磁PT空开在合闸状态，测量励磁PT二次残压为1.7 V左右（三相基本相同），排除励磁PT电压异常。

（5）检查碳刷，清理碳架上的碳粉，并将活动不灵活的碳刷进行打磨。通过现地LCU再次柜起励，仍然起励失败，排除碳刷粉末导致转子回路绝缘降低的可能性。

（6）检查励磁变保护装置，无保护动作或异常告警现象。

（7）检查励磁变三相及铁心对地绝缘良好（10 MΩ），排除励磁变故障。

3.3 深入检查及处理结果

由于上述的检查均未发现异常情况，针对本电站励磁系统特点：起励初期励磁系统将使用直流电源110 V进行激励。当机端电压大于30%额定电压（3 kV）后，起励电源自动切回励磁变供电，励磁系统进行自并励模式。当直流110 V激励8 s后，机端电压未达到30%额定电压（3 kV），系统也将发出起励失败报警。对整个励磁回路再次进行检查，并对整个起励过程进行监测：

（1）起励过程中，直流系统出现“直流母线绝缘降低”报警。

（2）停机时，机端励磁变PT、发电机出口PT二次残压均为1.7 V左右（三相基本相同），励磁变二次侧电压为5.5 V（三相基本相同），机端一次电压为160 V （保护测量）。

（3）起励后，起励继电器正常动作，并测量转子电压约为15 V。

（4）起励期间，励磁PT二次、发电机出口PT二次残压降至0.8 V（三相基本相同），励磁变二次侧电压降至4 V（三相基本相同），机端一次电压降至140 V（保护测量）。

（5）起励完成后上述数据均恢复到停机时数值。

通过对起励过程中的数据分析，机端励磁变PT、发电机出口PT二次残压、励磁变二次侧电压和机端一次电压在起励过程中均出现降低的现象，与停机灭磁时的现象相似。逆变灭磁时励磁系统通过改变转子电源极性，以反电势形式加于转子绕组，使转子电流（或转子电压）迅速衰减到零。因此判断：起励失败由转子直流电源的极性接反导致。

基于上述猜测，把灭磁柜至发电机电缆接线（也即励磁电源正负线缆）的灭磁柜端的正负极调换了位置，通过现地LCU柜再次起励，此次起励成功，电压稳定在11 kV。至此确定起励失败为转子直流电源极性接反所致。

3.4 原因分析

由于停机后的发电机均有少量的剩磁，当转子达到额定转速并切割剩磁时，在定子绕组中将感应一个微小的残压电势，外加起励电源时，该起励电源形成的磁场必须要增强原有的剩磁，才能使感应电动势加大，如果起励电源所产生的磁势方向与剩磁方向相反，则剩磁将削弱，发电机的电压便不能建起。

新机组励磁绕组极性不分正负，机组安装完毕后，需要对机组进行充磁，对于自并励发电机，剩磁的方向实际上已规定了磁极的极性，本电站中2台机组安装完成后对机组充磁时，1号机组剩磁方向为上集电环为正，下集电环为负，2号机上集电环为负，下集电环为正，在接线时应按此极性接线，否则会导致发电机不能正常建压。

4 经验总结

（1）根据三相交流发电机原理：当匀速旋转的电枢绕组（转子线圈）通以直流电产生旋转磁场，该旋转磁场切割定子三相线圈从而会产生一组幅值相等、频率相等、相位互相差120°的感应电动势。而水轮发电机电枢绕组（转子线圈）上直流电的极性正反，只会颠倒其产生磁场的磁力线方向，对三相感应电动势的幅值、频率、相位互相差均无影响，仅改变同一时刻同相电动势的相位角。由于本站水轮发电机采用准同期方式并网：待并发电机侧的电压和系统侧的电压大小相等、相位相同且频率相等时，才允许合闸并网。因此，水轮发电机电枢绕组（转子线圈）上直流电的极性正反不影响机组的起励减压与并网发电（即集电环正负极性可任意选择）。上述原理阐明了本站2台水轮发电机电枢绕组（转子线圈）直流电极性相反均能正常发电的原因，其剩磁极性由机组调试阶段使用直流焊机充磁决定。

（2）发电机励磁方式归纳起来主要有两类:自并励方式和他励方式两种。

自并励方式（残压起励）是发电机的励磁电源取自发电机本身，即是利用发电机定子线圈的残余电压通过励磁系统整流后送回其转子线圈，再对定子线圈进行相互激励，使发电机在自激励过程中不断升高到设定值；

他励方式是发电机的励磁电源不是发电机本身供给，而是由其他电源供给。起励电源可以用厂用直流电源，称为直流起励。也可以用厂用交流电源经整流后提供，称为交流起励。

自并励相对于他励的优缺点：主机轴系短、接线简单、响应速度快、运行可靠性高和维护检修方便等，但起励过程困难、系统故障时机端电压下降明显对调节控制有影响。目前大部分发电机采用自并励方式，因此发电机的开机起励建压是一个十分重要的环节，如果在开机过程中不能正常建压可能对电网稳定和社会经济会造成一定的影响，特别要求机组黑启动时对成功建压显得尤为重要。

（3）自并励建压过程其实就是一个内部正反馈过程，首先由剩磁在电枢绕组中感应产生剩磁电压，进而产生不大的励磁电流，这个励磁电流会在转子中建立励磁磁势，由此增强了气隙磁场，加大了电枢绕组内的电势，励磁电流随之上升，气隙磁场得到进一步增强（自励过程就这样极其迅速）往复地进行下去，直至建压成功。根据以上分析可知：励磁回路交流侧输入剩磁电压的幅值应大于励磁回路的门槛电压是自励式同步发电机自建压的必要条件。

因此，本站起励采用自并励与直流他励相结合的方式，既保留了自并励方式的优点，又通过直流他励的方式提高起励建压的可靠性。

发电机首先使用DC110 V作为起励电源来励磁，当发电机的电压值达到了规定电压（可通过励磁系统软件设定修改，最小为30%Un）之后，将起励回路自动退出，切换为自并励方式，励磁电源则由励磁变压器来提供，直到发电机出口电压上升至额定值。这种起励模式避免了在建立起发电机电压之前（剩磁过低），励磁电源都不能由励磁变压器来予以提供，需为自并励系统提供他励电源。同时该组合方式为黑启动时励磁系统零起升压提供了起励备用电源。

（4）本站励磁系统采用自并励接线方式：励磁电源接于发电机出口母线，这种方式可靠性高、较为简单，只需要发电机保持在有效运行的状态，那么就会由发电机机端并联励磁变压器发出励磁电源；其强励能力会在切除外部短路之后不久就有效地发挥出来。但是接于发电机出口母线的最大缺点就在于：发电机机端电压会严重影响到励磁电源，一旦有三相短路故障出现在线路首端，那么就会减弱强励作用，不利于暂态稳定，进而还有可能会影响到系统的电压稳定。因此我站采用封闭母线等措施，减少自并激励磁系统诸如机端短路等问题的发生，同时配置发电机复压记忆过流保护，确保发电机机端出现故障时，能快速可靠地切除短路电流，确保机组的安全。

（5）由于发电机在运行中正负滑环所受到的电腐蚀不同，导致正负极滑环磨损的程度不同，负极磨损的程度比正极大。在电流的作用下，负极集电环表面大量金属“蒸发”，使集电环表面损蚀严重，同时这些金属离子也附着在碳刷表面，反过来使集电环表面磨损更加严重，对氧化碳素薄膜造成破坏，出现“条痕”。这种情况下集电环表面粗糙，氧化碳素薄膜不均匀，呈金属性光亮，接触面间机械磨损大。因此要定期对集电环正负极进行调整（即倒换励磁柜与集电环的连接电缆）。调整的原则根据滑环电腐蚀程度、光洁度、石墨薄膜的好坏情况来决定，一般一年调整1～2 次为宜。