典型静止整流励磁系统危险源分析与控制措施

罗 刚，孙晓波，蒋冰芝

（中国长江电力股份有限公司白鹤滩电厂筹建处，四川 凉山615400）

随着电力建设的发展，金沙江水电机组进入百万千瓦级时代，特高压直流工程建设持续推进，电力系统行业大网络、高电压、大机组的特性不断得到加强。大容量机组的稳定运行对电网整体的稳定性和安全影响较大，而励磁系统对发电机的稳定运行影响最大。励磁系统不仅保证了机组的运行稳定，还可以调节电网中的无功和电压。因此，对励磁系统进行危险源的识别分析并在设计阶段采取控制措施使其危险性减至最小，对电网的稳定运行具有重要意义，也是对本质安全的追求。

1 系统安全理论

随着现代安全生产管理理论的发展，安全理论进入系统安全论与综合原因论阶段，对安全的理解不断加深，要求对安全进行风险管理。

系统安全（System Safety），指的是在系统的全生命周期中应用系统安全工程和系统安全管理方法，识别系统中的危险源，并采取有效的控制措施以最大程度地降低风险，能够使系统在指定的性能、时间和成本范围内达到最好的安全程度。系统安全要求在一个新系统的设计阶段就考虑其安全性，制定并执行系统安全活动，属于事前分析和预先防护，不同于传统的经验法的思路。

2 励磁系统

由相互作用、相互依存的若干部分组成的具有特定功能的有机整体称为系统。依据国标的定义，励磁系统是指提供同步电机磁场电流的装置。静止整流励磁系统（Static rectified excitation system）是指用静止晶闸管整流装置将交流电源整流成可调直流，作为发电机励磁电流的励磁系统。

3 危险源分析及控制措施

从安全生产的角度解释，危险源是指可能造成人员伤害和疾病、财产损失、作业环境破坏或其他损失的根源或状态。

考虑到励磁系统的重要性，目前的励磁系统设计一般采用冗余控制的思想。严格来说，冗余控制是指使用成倍的设备或组件来形成控制系统以参与控制。这种设计提高了励磁系统的可靠性，同时也增加了系统的复杂性，有可能导致系统可靠性的降低，因此在励磁系统的设计过程中应进行辩证考虑。

3.1 励磁调节器

励磁调节器是励磁系统的核心，它通过控制整流装置的控制角度从而改变励磁电流的大小，使发电机电压及无功功率满足发电厂及电力系统的运行要求，有自动和手动调节模式，可以确保发电机在安全稳定的范围内运行。

3.1.1 励磁调节器危险源示例

调节器的冗余配置在硬件上提高了励磁系统的安全程度，但仔细进行危险源分析辨识，会发现存在由冗余配置引进的新的危险源。励磁调节器硬件进行了冗余配置，但其核心是软件，也就是励磁调节器的控制逻辑，这是由人工预先进行编写控制的，但由于人的经验水平和内外环境条件变化等原因可能会存在漏洞，下面举两种实际的例子。

（1）机端电压PT 的慢熔现象

慢熔是指PT 的熔断器慢速熔断。对于PT 断线，目前国内励磁系统设计时仅考虑PT 完全断开的状态，没有考虑到未完全断开的熔断器慢熔状态。PT的机端电压是励磁系统进行闭环控制的重要信号，所以PT 是否断线是励磁系统需要关注检测的，当主通道使用的PT 故障时，励磁系统需要迅速作出正确判断，切换到PT 正常的备用通道或励磁电流调节通道，并发出相应报警信号。但PT 未直接断线而发生PT 熔体慢熔时，励磁系统只能检测到机端电压的降低，从而不断增大励磁电流使发变组保护动作，近年来PT 慢熔现象多有发生并造成停机等后果，严重影响发电厂设备的安全稳定运行。

（2）励磁调节器通信故障

通信故障包括调节器双通道之间的通信故障和调节器与外部装置之间的通信故障。

某发电厂因调节器内部通信故障导致调节器认定双通道故障连续两次跳机，原因仅是因为双通道之间通信线路松动，由软件设定的逻辑认定为调节器双通道故障。

还有另一发电厂发生励磁调节器与功率柜之间的通信故障导致整流柜退出引起励磁故障跳闸，该厂采用总线型的通信网络，因某联接点环境工作温度较高，运行不稳定，造成该点与网络频繁连接和断开，使网络无响应，导致整流桥脉冲闭锁，以致跳闸。

3.1.2 励磁调节器的危险源分析控制

由以上两种故障的例子可知，PT 断线检测采用双套以上的冗余原本已在励磁系统设计阶段被辨识到了励磁调节器的控制逻辑中，但因为考虑不充分不全面，硬件的冗余被软件的疏漏所阻碍，冗余控制并没有产生应有的效果。

某发电厂调节器内部通信故障原本已经被辨识进软件控制逻辑中，同样因为考虑不充分不全面，硬件的冗余并没有效果，应修改软件内的通信故障逻辑来改进。另一发电厂励磁调节器与功率柜之间的通信故障主要是硬件原因，励磁调节器本身的冗余控制无法提高外部未采取冗余控制的器件的可靠性，此例中可以更改总线型的通信方式为点对点的通信方式以及进行通信方式冗余来改进。此例提醒除非整个系统都采取了冗余控制，否则单个子系统的冗余无法提高未采取冗余控制的其他子系统的可靠性。

这些例子说明对系统的危险源分析需要全面细致，在目前的认知水平上做到没有遗漏。

励磁调节器的危险源分析控制：

（1）若采取了冗余控制，需要确定调节器本身及相关联的励磁系统子系统都是冗余的，未冗余的子系统需要对硬件的可靠性进一步辨识危险源。

（2）对励磁调节器的软件逻辑部分，要进行全面的梳理，做到软件逻辑增强励磁系统的可靠性，而不是使硬件冗余失效。目前很多发电厂励磁系统的工作与继电保护系统未分清，很多没必要跳闸的信号应改为报警，而且励磁本身的保护不应与继电保护系统冲突和重复，励磁系统可以发出和接受信号进行内部跳闸，但外部跳闸信号应送到继电保护系统，励磁系统不应直接联跳发电机出口断路器（GCB）。

（3）对励磁系统内部使用的通信线路要制定定期更换的标准，不得超过通信线路的设计使用年限使用。

3.2 晶闸管整流装置

晶闸管是晶体闸流管的简称，属于半控型电力电子器件，又称为可控硅整流器（SCR），简称可控硅，目前大型机组励磁系统中均采用晶闸管三相全控桥式整流器。晶闸管整流装置通过交直流变换，将直流电流提供给发电机转子励磁绕组进行励磁。

3.2.1 晶闸管冗余设计

对于大型机组的励磁系统，整流桥的并联支路数量一般由“N+1”冗余方式确定。“N+1”中的N为保证发电机正常励磁的最少整流桥个数，1 为冗余的1 个整流桥。这种冗余方式当一个整流桥因故障退出时，仍能够确保励磁系统正常工作。

3.2.2 晶闸管换相过电压控制

对于整流装置，由于晶闸管的换相过电压特性，会引起励磁变压器及发电机绝缘性能下降，也可能导致晶闸管误导通或击穿损坏，引发误强励和失磁故障，必须给予足够的重视并采取控制措施。目前，主流的办法是采取集中式或分散式的阻容吸收电路来应对，实际效果良好。主要控制措施是电阻电容的参数选定，以及装置的散热分析。对于散热，可采取阻容吸收装置远离励磁系统盘柜的布置方式，使其与励磁系统其余部件之间不会相互影响。

3.2.3 过电流保护

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晶闸管对温度变化敏感，过电流将使晶闸管芯片过热并引起质量下降，寿命降低甚至损坏。励磁系统采用快速熔断器来保护晶闸管，具有快速熔断的特性，晶闸管与熔断器串联，熔体在过电流时迅速熔断，使电路切断以达到保护的目的。这里的关键在于快熔的参数要合适。

3.2.4 脉冲触发

整流装置与励磁系统其他部分的主要关系在于可控硅的触发脉冲由励磁调节器发出，调节器本身的可靠性以及调节器与整流装置间的连接方式很大程度决定了整流装置的工作状态。使用脉冲变隔离注意防止绝缘击穿。

3.2.5 整流装置冷却

温度控制，可控硅的结温必须受到限制，否则会影响可控硅的性能甚至损坏，目前较常用的是强迫风冷，热管冷却方式正在普及。强迫风冷需注意风机的冗余设计，以及风冷设计所带来的集尘问题。

3.2.6 隔离开关

部分励磁系统整流装置的每个整流柜内都设置了交流隔离刀闸和直流隔离刀闸，可方便将单柜与交流铜排和直流铜排之间的电路断开。但这种设置引入了新的危险源，隔离刀闸的质量是否可靠无法确定，隔离开关的参数也需要匹配，对于双极和多极的直流隔离开关，由于隔离开关手动合闸无标准，各极间分流不合理会导致接触电阻小的极流过超过额定设计的电流量导致局部过热，机组正常运行时没有处理条件，增大了励磁系统的整体危险性，建议取消。

3.3 灭磁装置

所谓励磁系统的灭磁，指的是将发电机转子回路中的磁场能量减小到零的过程。对灭磁装置的要求可归纳为：满足任何工况灭磁要求、时间尽可能短、限制转子两端电压、独立可靠不依赖于其他系统。

对于静止整流励磁系统，面对不同的工况，灭磁方式主要分为逆变灭磁和事故灭磁，主要考虑事故灭磁。逆变灭磁适用于发电机正常停机，事故灭磁主要在发电机发生电气事故时使用。逆变灭磁的成功主要取决于晶闸管电路的可靠性，危险源参照对晶闸管整流装置的危险源分析，主要注意逆变时触发脉冲消失会导致逆变颠覆。事故灭磁主要采用直流灭磁方式，交直流灭磁方式为冗余方式。大型发电机组的事故灭磁装置是防止事故扩大的有效措施，其效果直接影响事故的严重程度。

灭磁装置安全可靠需考虑以下几点：

（1）按三相短路、空载误强励等极限工况下的需要来制定灭磁开关参数及灭磁电阻容量的技术要求。

（2）定期对灭磁开关及灭磁电阻性能进行检查。

（3）对行业内有相关案例发生的同型号灭磁开关内部进行检查，防止灭磁开关内部机构损坏导致灭磁开关失效。

近年来某些发电厂曾发生因机组未配置具有充足灭磁能力的灭磁装置，导致灭磁开关烧毁的事故，还有因灭磁不成功而导致事故扩大的情况。具有充足可靠灭磁能力的灭磁装置，是发电厂和电网安全运行的重要保障。

3.4 励磁变压器

干式变压器是目前励磁变压器的主要类型。对于容量较大的励磁变压器，采用3 个单相干式变压器组合而成，励磁变压器通常采用Y/△联接。励磁变压器相对于普通变压器，有几点特殊的地方需要加以考虑。

3.4.1 温度控制

励磁变压器工作时，它的负载是晶闸管整流电路，因此励磁变压器的二次侧含有高次谐波分量，附加损耗导致温升相对高于普通变压器。励磁变压器的安全运行与变压器绕组的绝缘状况息息相关，绕组温度超过绝缘耐受温度引起的绝缘老化是励磁变压器故障的重要原因，需设计励磁变压器绕组的测温设备以及所测温度超过允许值时的非电量保护，用以监测励磁变压器的运行状态并确保励磁系统的稳定运行。

3.4.2 过电压

相比普通变压器，由于晶闸管的反向恢复特性，运行时晶闸管在换相电流减小达到反向峰值时急剧恢复，而绕组具有一定漏感，会在励磁变压器二次侧产生换相过电压。在绕组内感应出的持续、周期的过电压，必将使励磁变压器绝缘下降，最后导致击穿。此过电压在整流装置中采取阻容吸收装置处理，效果良好。

为了防止发电机主回路出现过电压对励磁变压器二次侧的危害，在高、低压绕组之间增加静电屏蔽网并引出接地能有效抑制高、低压绕组间的传递过电压。

3.4.3 阳极电缆

励磁系统中，将励磁变低压侧与励磁整流装置之间的连接电缆称为阳极电缆。由于机组的容量不断加大，对阳极电缆的散热设计需要加以考虑，避免因阳极电缆温度过高迫使机组停机，可从电缆的布线方式改进来避免。

3.5 电磁兼容

电磁兼容是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力。

目前励磁控制系统已经全面由模拟式转变为数字式控制，广泛使用数字调节器。发电厂存在各种发电设备电磁干扰源，使得励磁调节器处于易于受到干扰的电磁环境中。发电厂中出现过很多由于电磁干扰导致的励磁调节器故障影响机组运行的案例。

电磁干扰可能引起励磁调节器失控，测量信号的波动会造成励磁调节器的输出错误变化甚至保护误动。励磁系统的电磁兼容需在设计阶段纳入考虑并在安装阶段调试检验。

励磁系统的电磁兼容需注意：在励磁系统的设计招标文件中，明确应满足的标准和需求的电磁兼容技术要求。设计阶段就应考虑励磁系统输入输出电缆的抗干扰问题，避免控制及信号电缆与整流装置交流侧和直流侧的电缆近距离敷设。选取达到现场电磁环境要求的屏蔽层类型，再考虑经济情况。励磁系统屏柜与接地系统可靠连接。

4 结语

由于人的认识能力有限，很多时候追求完善却并不能完全认识和穷尽危险源。即使认识了现有的危险源，由于设备的更新以及环境的变化等又会产生新的危险源。因为各种条件限制，对识别出的危险源采取了控制措施也不一定能完全消灭危险源，因此更多时候追求的是降低危险到整个系统，更大一些可以说是到整个社会可接受的程度，可接受的危险也即是风险管理的思想。系统安全理论的工作目标就是控制危险源，降低事故发生概率，如发生事故，则采取的措施能够控制伤害和损失在可接受程 度内。

励磁系统的重要性要求人们追求它的稳定性，本文对静止整流励磁系统进行了危险源分析与控制措施的探讨，试图将系统的危险降低到可接受的程度，由于认知水平等原因的限制，可能仍有遗漏，系统安全分析是一个持续变化的动态过程，这项工作也需持续的进行完善。