大型蓄能机组灭磁开关合闸异常分析及处理

董俊杰，窦博文，余 涛，李 青，俞家良，陈创佳，李重阳

（1.南方电网调峰调频发电有限公司检修试验分公司，广东省广州市 511442；2.深圳蓄能发电有限公司，广东省深圳市 518116）

0 引言

作为抽水蓄能机组励磁系统的重要组成部分，灭磁开关（又称磁场断路器）对机组安全稳定运行的重要性毋庸置疑[1]。灭磁开关在机组正常行动中，是励磁系统功率单元与转子绕组导通和关断的唯一通道[2]；其在励磁系统灭磁过程中也起着非常重要的作用，作为一种移能型开关，灭磁开关本身并不消耗能量，而是将磁场能量转移到灭磁电阻中衰耗掉[3,4]。因此，灭磁开关能否在机组运行或故障时灵敏可靠地动作，对于保证机组安全和区域电网稳定意义重大。

此外，对于日调节型抽水蓄能电站机组而言，运行工况复杂多样[5]，机组启停一次灭磁开关合分两次，且日启停频繁，灭磁开关动作次数亦相应增加[6,7]，因此，其灭磁开关性能面临的考验较常规机组而言也更加严峻。本文结合某大型抽水蓄能电站机组在启停过程中，发生灭磁开关合闸异常导致机组正常启停失败的情况进行原因分析和查找，最终提出解决方法并验证其有效性。

1 故障介绍

1.1 励磁设备

某大型抽水蓄能电站发电电动机型号为：SFD300-14/6630，主要参数如表1所示，其励磁设备采用ABB公司UNITROL 6800静态励磁系统，由调节控制单元、整流单元、灭磁及过压保护回路、交流侧断路器和励磁变压器等组成。其中，灭磁开关采用瑞士赛雪龙公司型号为HPB 45M-82S高速单断口直流断路器，额定电压2000V，额定电流4500 A，合闸线圈额定电压DC 220V，具有快速分闸、恒定弧压、双分闸线圈可靠分闸等特点，其结构如图1所示[8]。

图1 HPB 45M-82S开关结构Figure 1 The structure of HPB 45M-82S

表1 发电电动机主要参数Table 1 Main parameters of generator motor

1.2 故障情况

励磁开关合闸异常情况在机组不同运行工况均有发生，虽频次不多，但仍给电站生产造成一定影响。因该类故障现象基本一致，以某次机组泵工况停机投电制动过程中灭磁开关合闸失败，引发励磁系统故障，进而导致机组电气事故停机为例说明。

某日08：01，3号机停泵过程中励磁系统故障导致机组电气事故停机。经检查发现在停机过程中，电气制动、励磁投入后，灭磁开关合闸约150ms后分开，触发机组电气事故停机。截取事故时部分监控记录的事件日志情况如表2所示，从表中可以看出灭磁开关在合闸时，出现了合位信号抖动的情况。

表2 事故时的事件日志Table 2 The eventlog of the accident

2 故障排查

2.1 回路检查

事故后，检查灭磁开关本体及二次合闸控制回路各元器件，开关本体航空插头内的插针及接线均良好，二次回路绝缘正常，各端子亦无松动迹象，各元器件检查均未发现明显异常。对开关本体合闸线圈电阻进行测量，其阻值为40.8Ω（标准值：39 ± 8%，环境温度20℃），满足要求。回路及开关本体检查并未确定故障原因，考虑复现故障，通过录波器录取故障关键信息加以分析判断。

2.2 故障录波

根据上述故障现象，选择将接入监控的开关本体合位信号（即常开触点，回路电压24V DC）及合闸线圈电压信号接入录波仪，如图2所示。图中Q02为灭磁开关编号，其分合闸线圈正向得电合闸，反向得电分闸。通过程序控制灭磁开关合分闸，并录取上述信号波形。通过多次分合试验，最终复现一次故障并录取波形，正常合闸时的录波情况如图3所示，合闸异常录波情况如图4所示。

图2 录波信号选取Figure 2 Recording signal selected

图3 正常合闸录波Figure 3 Normal closing recorded wave

图4 异常合闸录波Figure 4 Abnormal closing recorded wave

从合闸成功波形可以看出，合闸线圈得电持续时间184.0ms，合位信号在线圈得电150.0ms后出现，即在合位信号出现后34.0ms撤掉合闸线圈电压，多次合闸成功的波形类似，合闸线圈得电持续时间均在180.0 ～ 190.0ms。而合闸失败的情况，合闸线圈得电持续时间167.2ms，合位信号也在线圈得电149.2ms后出现，即在合位信号出现后18.0ms撤掉合闸线圈电压，但撤掉合闸线圈电压146.0ms后合位信号消失，开关未合上。此外，从两次试验录波还可看出，在合位信号第一次出现后的约5ms内均存在抖动情况，与监控事件日志基本一致。

综合查阅的相关技术资料和开关动作原理分析，灭磁开关在合闸时的抖动，是由于开关在合闸过程中作用力较大，推杆在推动动触头及辅助触点的运动行程中产生的正常现象，并不影响开关的正常使用。此外，关于在正常、异常合闸情况下，合闸线圈加压时间差异的问题，经核查励磁系统相关程序后发现，合闸信号返回的条件是合位信号出现，出于保护线圈，延长线圈使用寿命之目的，在合位信号出现后将合闸线圈电压撤掉；如合位信号不出现，励磁系统将在达到设定的时间保护定值（1.4s）后，发令撤掉合闸线圈电压（图2中继电器K10失磁）。

3 原因分析

根据上述故障录波情况分析，不排除如下可能的情况：在灭磁开关合闸过程的最后一段行程时，开关虽未合闸到位，但合位信号已经出现，励磁程序在收到合位信号后撤掉合闸线圈电压，动触头在最后一段行程时因合闸线圈失电而失去动力，导致合闸失败。

据此，查阅灭磁开关手册，其合闸特性曲线（环境温度25℃）如图5所示[8]，图中A为合闸线圈电流，B为主触头，C为常开辅助触点，D为常闭辅助触点。从合闸特性曲线图可明显看出，在开关合闸过程中，其常开辅助触点先于主触头合上（ta

图5 合闸特性曲线Figure 5 Closing characteristic curve

综合上述分析及多次合闸试验结果，基本可得出如下结论：本次灭磁开关合闸异常，主要是由于合闸线圈带电时间过短，存在一定概率会出现，在主触头尚未达到合闸稳定状态而合位信号已出现的情况下，励磁系统收到合位信号后跳开合闸线圈，主触头在即将接近合闸稳态时因合闸线圈失电而失去合闸动力返回，致使合闸失败。

4 处理措施及验证

4.1 处理措施

根据灭磁开关手册建议，合闸脉冲持续时间宜设置在0.5～1s[8]；而励磁程序通过合位信号来关闭合闸脉冲的逻辑，使得合闸线圈带电时间最长也不足0.2s，这与灭磁开关厂家的要求不符。经反复研究并征得设备厂家许可后，最终提出通过增加励磁程序延时予以解决——在合闸过程中，励磁系统在收到灭磁开关合位信号后延迟400ms再撤去合闸脉冲，即将合闸脉冲宽度在原逻辑基础上增加400ms。

4.2 验证

在对一台机组的励磁系统相关程序修改后，进行了150余次的合闸试验，均未出现合闸失败的情况，每次的录波结果差异不大，如图6所示。合闸线圈在带电152ms时，励磁系统在收到合位信号，然后延时408ms撤掉合闸线圈电压，合闸线圈在整个合闸过程中带电约560ms，满足灭磁开关使用要求。

图6 程序修改后正常合闸录波Figure 6 Normal closing recorded wave after program modified

经上述处理后的机组在随后的一段时间运行效果理想，合闸异常现象再未出现，鉴于此，对剩下的三台机组做了同样处理。全厂四台机组的励磁程序修改至今，已累计启停两千余台次，四台灭磁开关累计动作近五千台次，但同类型的合闸失败情况未再复发。

试验及实践均证明，增加合闸脉冲宽度的解决方法是行之有效的，既保证了灭磁开关合闸的可靠性，又在一定程度上避免了合闸线圈带电时间过长影响使用寿命的问题，同时也提高了电站机组运行的稳定性。

5 结束语

文章针对一起灭磁开关合闸异常现象，从多个角度入手排查故障原因，最终找到问题的症结所在，提出有针对性的解决办法，并经试验和实践证明是切实可行的。本文从侧面反映出主设备厂家对所引入的设备了解不深，对设备特性把握不足，易导致设备间协同工作时出现不畅的现象；此外，对于使用赛雪龙公司该类型开关的用户而言，本文经验教训亦具有一定的借鉴和参考意义。