水电厂自并励励磁系统逆变失败故障处理

杨 航，梁 杰

（吉林松江河水力发电有限责任公司，吉林白山 134500）

0 引言

励磁系统是电机的核心，对整个电力系统的运转都有着极为重要的影响。发电机发生故障时，为能够让其顺利停止运转，必须进行消磁，发电机系统中的自动消磁部件可以在最大程度上减少因故障造成的损失。发电机灭磁一般分成2 类：①利用逆变灭磁法使电机运转正常停止；②发生故障时灭磁方法可调整为保护动作跳闸灭磁开关[1-2]。当发电机正常运转停止时，灭磁是非常重要的操作。发电机发生灭磁故障，会对发电机及励磁设备的正常运转造成严重威胁。自并励励磁系统具有接线操作简易、运行速度快、运转稳定和价格低廉等优点。本文以某水电厂为例，分析自并励励磁系统逆变失败故障的影响因素以及发生原因，提出针对性解决措施。

1 自并励励磁系统逆变失败故障的发生状况分析

2019 年3 月19 日18 时，某水力发电厂进行紧急低油压试验。紧急低油压停机过程：监视和检测紧急低油压信号，无紧急门落下标记，滤波3000 ms。判断紧急低油压信号正确，打开紧急压力分配阀，打开调速器紧急停机电磁阀阀门，切断机组出口断路器，打开励磁停机命令。在该项试验过程中，上位机报告变频器故障信号和灭磁开关子信号，就地励磁系统盘柜检测后，励磁系统发出逆变器故障信号和灭磁开关子信号，同上位机所发出信号呈现同一情况，励磁系统通过电压保护。实验结果显示，机组依旧正常运转，逆变器灭磁失败，灭磁开关最终跳闸[3-5]。

2 自并励励磁系统逆变失败故障的原因与检查

按照事故发生演练情况看，在进行实验的流程中模仿机组显示低油压事故操作后，闭路电视监控系统重现机组模仿事故的全部过程。机组的状态从电力负荷运行状态变为无负荷状态，随后跳转至正常停止运行的环节中。当机组从电力负荷运行状态变为无负荷状态时，励磁系统在收到正常励磁停机指令10 s后，发射逆变器故障信号，并使灭磁开关跳闸[6]。

18 时47 分38 秒，机组跳闸，在跳闸之前，励磁电流是2380 A。经过跳闸环节后，机组平均功率迅速下降直至0，励磁电流下降至2000 A。当励磁电流调整至1639 A 时，终端频率为51.98 Hz。此时，若励磁系统收到正常停止机组运转的指令，控制器应及时发出逆变器指令，指令整流柜控制角度调整至140°，励磁系统启动逆变器灭磁。2.8 s 后，励磁电流95 A，频率至64 Hz，励磁系统启动逆变灭磁，转换过程不正常。由于逆变器故障，励磁电流上升至138 A，端子频率先上涨后降低，最大频率可达以69 Hz。励磁电流可保持在100 A 左右，逆变器灭磁10 s 后，端电压不小于5%，发射出逆变器故障信号，灭磁系统（De-excitation System）开启机械开关并联移能灭磁。由此可以确定，在逆变器灭磁环节中，励磁系统电流转换装置会发生倾覆，最终直接影响逆变器灭磁失败。收到正常停止机组运转过程中，逆变器故障主要有4 类原因。

（1）交流电源短缺或骤然消失。

（2）晶体闸流管道间断，不连接[7]。

（3）触发电路（trigger circuit）不稳定，无法及时、精准向各个晶体闸流管配置脉冲信号，如脉冲传输损耗、脉冲延时电路等，最终造成晶体闸流管无法正常换相。

（4）换相裕量角不足，导致换相失败。

使用以下故障排除方式能够探查到变频器故障的准确原因。自并励静止励磁系统交流电源失相或突然消失，这种情况发生概率较低，经详细检验，励磁变压器和非节点刀门的高压侧和低压侧的连接螺栓没有松动，可以排除逆变器故障原因（1）[8]。

断开整流器可控硅交直流侧的一次接线和吸收换向过电压、电阻、电容二次回路接线。用万用表测量每个晶闸管正负极之间的电阻为450～750 kΩ，进行上述接线操作之后，阳极与控制电极之间的电阻为12～17 Ω。进行励磁静态小电流开环试验，应用三相电压调节器提供励磁控制器的同步电压信号，应用数字示波器实时监控波形[9]。进行空载逆变器试验，手动发射逆变器指令后，控制角α 从80°（空载角）变为140°（给定逆变器角），励磁电流与机端电压显示出正常降低走向，空载逆变显示正常，表明精确计算控制器变频器的给定角度。并且，整流器晶体管没有故障，脉冲触发电路正常运转，然后，可及时且准确地调用发晶闸管。因此，基本排除逆变器故障原因（2）和（3），预先决定由转流从容角发生变频器故障。为再现此时故障现象，模拟故障发生条件，频率40～70 Hz，变频器正常时，向励磁系统供给频率变换功率，频率接近68 Hz 时变频器发生故障[10-13]。因此，逆变器故障原因是换相的裕量角不足，产生一系列触发脉冲的延迟，导致反相器故障。

3 自并励励磁系统逆变失败故障处理策略

当整流器处于逆变器运转形态时，如果出现换相失控，外部电动势经过晶闸管导致短路或输送平均电压与外部电动势串联造成短路，又叫逆变器故障。当π/2＜α＜π 时，整流器运转在逆变形态。从α=π 为测量初始点，从左侧测量到触发脉冲前沿的电角称为反转角，应用β 示意，此时β=π-α。当β＞γ 时，换相流程后C 相电压依旧低于A 相电压，因此当换相终止时，VT3 可承受反向电压而关断。若β＜γ，换相未完成，电路运转形态至自然换相点P 时，A相电压低于C 相电压，继续运行的晶闸管VT1 由于承受反向电压而再次关断，使得应关断的晶体管VT3 不关闭，C 相电压随着时间推移而变高，起电的串联连接导致变频器故障[14]。

因此，为防止逆变器故障，逆变器的角度既不能设为零，也不能太低，需要限制最小允许角度。控制器软件采用逆变器控制角度的调整方法。如果频率在65 Hz 以上，采用单位频率的跟踪方法，以防止因电容而相对的标记角变大。在频率大于65 Hz的情况下，将反相器控制角度调整为120°，在65 Hz 以下时，将反相器角度返回到140°。程序改良后，为了试验具备50～85 Hz的频率变换电源，逆变器成功。由此，可以解决因端子高频引起的逆变器故障问题。整流器功率柜的选择如下。

（1）正常整流器模式是三相半控制桥或全控桥。一般来说，大多选择全控件整流器桥接模式。随着电力电子技术的快速发展，大容量高参数的激励功率柜也越来越完善。随着半导体技术的快速发展，耐压、规格电流、晶体管的稳定性大幅提高，逆泄漏电流大幅降低。

（2）整流器桥梁的结构越来越简化。整流器桥梁采用实现通常过电压保护的RC 吸收电路，作为过大电流保护使用了高速熔丝。冷却模式通常是空冷，水冷模式在电流非常大的时候被使用[15]。在相同同步、幅度和脉冲宽度的条件下，触发脉冲可确保并行整流器的电流分配系数以达到理想状态。

全控桥的优点是通过全控整流器桥接器实现逆脱激励，在发电机转子和激励整流器输出电路之间设置脱励磁开关。并且，安装脱激起电路的对应线性或非线性的消磁耐性。作为事故触发脱励磁电路，可以使用脱励磁开关和脱励磁电阻。利用电阻（非线性电阻）可以实现发电机转子的过电压保护。也可以采用其他过电压保护方法。根据单位实际情况选择保护方法更科学。

发电机励磁监控器选择：数字励磁监控器、半空气桥激励监控器、单微控制器全控桥激励监控器和双微控制器全控桥激励监控器分开。单一微机全控桥励磁监控器具有简单结构和高成本性能。然而，当触发脉冲之一发生故障时，可容易写入晶体管。由于半空中桥稳压器不存在这种现象，容易使可控硅变得无法控制。双微计算机励磁调节器是解决触发脉冲问题而不失去控制的最佳选择。

4 结语

随着科技不断发展，励磁技术已然由直流电机励磁发展至可控硅励磁，在微机自并励静止可控硅励磁系统中，发电机的励磁电流经可控硅整流装置整流后，由发电机端部的励磁变压器提供。自动励磁调节器直接调节发电机的励磁电流，实现发电机端电压或无功功率的自动调节。