一起水轮发电机组励磁系统建压失败事件的分析及处理

张延龙

（广东省能源集团天生桥一级水电开发有限责任公司水力发电厂，贵州 兴义 562400）

1 电站概述

天生桥一级水力发电厂（以下简称天一电厂）位于红水河流域南盘江干流上，共有4台单机容量为300 MW的水轮发电机组，总装机容量为1 200 MW。发电机的型号为SF300-44/12440，额定电压为18 kV。天一电厂属于中国南方电网总调直调电厂，在南方电网的电力系统中主要承担调峰调频任务[1]。

2 励磁系统简介

天一电厂1F～4F发电机改造前的励磁系统为南瑞电控生产NES5100励磁系统，该励磁系统是南瑞电控第3代励磁产品，从2007-2008年陆续投产以来，目前已运行超过12年，励磁系统特别是励磁调节器现正面临设备日益老化和不满足网源协调新技术要求的问题，同时厂家NES5100励磁装置已于2014年停产，备品供应也日趋紧张。故改造前的励磁设备存在调节功能不够完善、元器件老化和备品供应不足等问题。所以，需对现有4台机组励磁系统进行改造。2020年12月至2021年6月，天一电厂结合水轮发电机组B级检修工作，对1～4号机组的励磁控制系统进行全新的改造。本次改造的励磁控制系统采用广东擎天实业有限公司设计的EXC9200型励磁系统。改造后的励磁系统配置7面柜体，分别为1面EXC9200励磁调节器柜、1面电气制动柜、3面智能化功率整流柜、1面智能化灭磁开关柜、1面灭磁电阻柜。

励磁系统经过升级改造后共有两种起励方式，分别为外部电源起励和利用机组剩余残磁起励。正常情况下，机组应采用残压起励方式，利用机组剩磁产生的残压供给初始励磁。当机组同步电压超过10%的额定电压时,励磁调节器将控制的脉冲电路出发将可控硅导通,然后整个励磁回路转为自并励方式。当机组长时间停机，剩余残磁不足以维持建压能量，此时采用外部电源起励方式进行建压。为提高外部起励电源的可靠性，天一电厂励磁系统配置了交直流双路电源，互为冗余装置。交流电源取自机组400 V自用电系统，直流起励电源取自天一电厂220 V直流系统。

3 起励原理

EXC9200型励磁装置的起励单元原理图如图1所示。SA61为交直流起励方式切换开关，R69为直流电阻，TC62为起励变压器。V61～V65为二极管模块。Q61为接触器。

图1 EXC9200型励磁装置的起励单元原理图

当机组的残压起励方式设置为投入时，励磁系统有起励命令时，会直接进行残压起励，10 s内如果机组成功建压10%额定电压时后退出残压起励；如果10 s建压10%额定电压不成功，则励磁系统会自动投入外部辅助起励电源进行起励，之后建压10%时或5 s时限到，自动切除辅助起励电源回路。若机组未成功建压到10%额定电压，会向监控系统报“起励失败”信号。

当机组的残压起励方式设置为退出时，励磁系统收到起励命令，会即刻投入外部电源进行起励。10 s内会将机组的机端电压建压至10%额定电压，然后退出起励过程；如果10 s建压10%不成功，则励磁装置会自动切除起励电源回路，并向监控发出“起励失败”信号。在进行起励操作时，为保证建压的时间，残压起励退出情况下，起励令维持时间10 s以上。

当机组机端电压达到10%额定电压成功后，发电机机端电压会继续升高，达到30%额定电压以上时，励磁调节器会自动转为软起励过程，按预置的调节速度把发电机电压升至额定电压值。所以机组能否成功的升至额定电压，起励操作尤为重要。

4 事件简介

2021年3月22日，2号水轮发电机组的励磁系统改造完成，励磁改造厂家及检修班组对改造后的设备先进行了静态试验，试验过程及试验结果一切正常。随后操作运行人员准备对2号机组进行首次零起升压操作，配合完成2号机组励磁系统改造后的模型参数实测试验。

15：24 2号机组成功由“停机”态开至“空转”态后，运行人员准备对2号机组进行零起升压操作。因为此次为2号机组首次建压，故本次机组建压的起励方式采用外部电源起励，其起励电源取至2号机组400 V自用电。15：34运行操作人员首先将励磁调节器的“残压起励”功能退出，“零起升压”功能投入，然后在2号机组励磁室内进行现地操作。操作人员按照操作票步骤，首先将机组的电压预设值设置为20%额定电压，设置成功后按下“起励”按钮，励磁系统机端电压升至约1.5 kV后，机端电压又迅速降至为0，上位机同时报有“2号机组起励失败”信号。同时运行操作人员发现灭磁电阻柜内交流接触器Q61产生拉弧现象，冒出电火花，有烧焦气味。

5 事故排查处理及原因分析

当运行人员及试验人员发现起励失败后，立即将2号机组就地灭磁并停机，随后对2号机组的励磁装置及灭磁电阻柜内的交流接触器Q61进行检查。通过检查后发现，交流接触器Q61有灼伤损坏现象，其他元器件未发现损伤。

通过现场技术人员的分析，起励失败的原因可能包含有起励驱动电源故障，转子回路绝缘性能降低，励磁调节器系统故障等[2]。因考虑2号机组励磁改造期间，涉及电缆的重新布置及接线，故先对励磁系统的电缆回路进行检查。

通过检修人员及厂家调试人员对励磁系统的仔细核对，发现励磁系统内部及外部二次部分接线均和图纸对应，未发现问题。随后用1 000 V摇表对转子回路进行绝缘测量，绝缘电阻正常。说明励磁系统的内外部接线无误。

然后检修人员检查接触器Q61型号及接线，Q61接触器型号为GMC-100，型号满足要求，且接线无误，所以装置的本身也没有问题。

当励磁系统外部接线及装置本身未发现问题后，试验人员仔细的观察该次试验起励波形曲线，如图2所示。当2号机组现地起励时，外部交流起励电源正常投入后，机端电压并未按照试验说明书的内容达到10%的额定电压值，而是到达8.6%的额定电压后迅速降至为0。随后调试人员仔细核对调节器内部参数，发现在调节器内部测试过程中，起励电源的投入时间设定值为5 s，不满足励磁装置的说明书注明的起励时间10 s。故初步判断该次起励失败事件的原因为起励时间设定过短，励磁系统的外部起励电源存在时间不足，造成机组的机端电压值未能达到励磁起励的门槛值10%Ue（1.8 kV）。由于在起励回路中，发电机转子类似于一个大型电感元件，其两端的电流不能产生突变。故在励磁回路切除起励电源过程中交流起励接触器Q61突然断开，使得整个整流桥回路没有能够进行完整的续流。在断开的瞬间，由于励磁反冲电压约为-275 V，产生弧光造成了交流起励接触器的损伤。

在经过现场人员讨论并更换新的交流接触器后，试验人员决定将交流起励时间改为10 s，使得交流接触器Q61退出前确保整流桥能进行完好的续流，不至于产生弧光。随后操作人员再次进行开机零起升压试验，此次起励过程一切正常，起励后机端电压达到10%额定电压（1.8 kV）,故障现象未再次出现，说明之前的分析判断正确。更改起励时间后的试验波形如图3所示。

6 结语

励磁系统是水电厂的发电机组正常运行的主要设备，励磁系统维修和保养的重要性不言而喻[3]。从上述中可知通过优化延长起励电源的起励时间，虽然可以从时间上解决不能续流导致的问题，但使用起励电源起励失败必然会导致起励接触器损伤。励磁系统外部设备、回路接线及内部参数设置与励磁系统的安全稳定运行息息相关，应注意励磁调节器内部参数设置是否满足实际要求，避免励磁系统异常现象的发生。