磁场断路器偷跳引起的发电机开机不成功事件分析

吴 杰，邓 耀

（1.五凌电力有限公司洪江水电厂，湖南 怀化 418200；2.湖南省水电智慧化工程技术研究中心，湖南 长沙 410004）

1 引言

某电厂位于湖南省怀化市境内，沅江中上游，发电机采用灯泡贯流式水轮发电机组，共装机6台，总容量为27万kW，单机容量为45 MW，电厂主接线为单母线结构，两机一变接线单元，两条出线送出，电压等级为220 kV。电厂1～2号机组励磁调节器为广州擎天有限公司生产的EXC9200型微机励磁调节器，而3～6号机组调节器为ABB生产的UNITROL5000型励磁调节器。UNITROL5000型励磁系统至今已投运近20年，部分元器件老化严重，程序逻辑未得到有效更新，自投产以来，UNITROL5000励磁系统先后出现过数次因磁场断路器跳闸引起的开机不成功事件，但现场励磁调节器及监控系统均无任何报警信息，保护装置也未有任何异常信息，磁场断路器跳闸原因难以判断，这给机组的安全稳定运行带来了较大的安全隐患。

本文结合UNITROL5000型励磁系统软件原理图及设备二次回路控制图，采用排除法对磁场断路器偶然性跳闸的原因进行详细的分析，找出根源所在，并提出有效的解决方案及防范措施，使问题得到彻底解决，保证机组安全稳定运行。

2 事件经过

（1）2020年12月30日，灭磁开关跳闸后专业人员到现场检查，现场励磁系统无任何告警信号，对灭磁开关跳闸继电器端子进行了紧固，继电器线圈阻值正常。联系调度再次开机至空载正常。

（2）2021年01月09日，集控下令开机至并网。上位机开机至空载后，灭磁开关分闸动作,开机过程中励磁系统建压失败。专业人员立即对机组励磁系统进行检查，发现5号机灭磁开关已分闸，励磁系统未起励，励磁柜人机面板无起励失败信号及历史告警记录。联系集控第二次发开机至空载令后，励磁建压成功，机组并网运行正常。

2次均是空载令下达成功后，灭磁开关合闸，约45 ms，灭磁开关分闸动作，机组开机过程中励磁系统建压失败。现场检查励磁系统、保护系统及监控系统无任何告警信息。根据励磁系统逻辑原理图及二次回路控制图，对现场相关设备进行检查，初步判断为磁场断路器偷跳导致励磁系统建压失败，更换磁场断路器后，多次开机至空载，建压成功。

3 故障原因分析

因为故障是由磁场断路器异常跳闸造成发电机开机不成功，所以首先分析引起磁场断路器异常跳闸的可能原因有哪几种，分析每种原因的可能性，采用排除法定位磁场断路器异常跳闸唯一原因，最后通过试验验证唯一原因的正确性。

3.1 磁场断路器异常跳闸原因分析

通过对磁场断路器分合闸控制图1分析可得引起磁场断路器分闸原因有7种可能，具体如下：

图1 磁场断路器分合闸控制

（1）励磁调节器内部故障1，使励磁调节器开入开出板U70中接点闭合，内部跳闸继电器K01励磁动作；K01常开辅助触点闭合，磁场断路器Q02两组分闸线圈带电动作，最终磁场断路器Q02分闸。

（2）励磁调节器内部故障2，使励磁调节器开入开出板U71中接点闭合，内部跳闸继电器K02励磁动作；K02常开辅助触点闭合，磁场断路器Q02两组分闸线圈带电动作，最终磁场断路器Q02分闸。

（3）发电机保护Ⅰ跳闸或监控系统下达磁场断路器分闸命令时，X21：1/X21：51接点闭合，外部跳闸继电器K03励磁动作；K03常开辅助触点闭合，磁场断路器Q02两组分闸线圈带电动作，最终磁场断路器Q02分闸。

（4）发电机保护Ⅱ跳闸或水机保护跳闸，X22：1/X22：51接点闭合，外部跳闸继电器K04励磁动作；K04常开辅助触点闭合，磁场断路器Q02两组分闸线圈带电动作，最终磁场断路器Q02分闸。

（5）通过励磁调节器操作面板或手持机等下达磁场断路器分闸命令，励磁调节器开入开出板U70中接点闭合，继电器K05励磁动作，K05常开辅助触点闭合，磁场断路器Q02两组分闸线圈带电动作，最终磁场断路器Q02分闸。

（6）K01、K02、K03、K04、K05继电器本身故障，造成继电器常开接点闭合，使得磁场断路器Q02分闸。

（7）磁场断路器由于本体合闸机械机构存在缺陷，造成磁场断路器异常偷跳。

3.2 内部跳闸继电器K01和K02动作可能性分析

内部跳闸继电器K01和K02励磁动作条件：励磁调节器通道需运行，且励磁系统内部发生故障。动作现象：监控系统会有FCB事故跳闸告警信号，励磁调节器会有内部故障信号（如二级管短路、转子过电压、整流桥温度过高等）。而近期二次磁场断路器异常跳闸都处于起励过程，调节器通道未运行，且励磁调节器及监控系统均无任何告警信号，所以排除由于励磁调节器内部故障，引起K01及K02励磁动作的可能性。

3.3 外部跳闸继电器K03和K04动作可能性分析

（1）发电机保护Ⅰ、Ⅱ跳、监控系统发跳闸命令及水机保护动作，造成外部跳闸继电器K03、K04励磁动作，查看发电机保护装置及监控系统，无发电机保护动作或水机保护动等报警信息，也未发任何跳闸命令。

（2）对保护装置、监控系统、励磁调节器磁场断路器外部跳闸接点X22：1/X22：51两侧接线进行检查，未发现任何松动或短路现象。

（3）查看励磁调节器外部跳闸逻辑原理图2，外部跳闸继电器K03和K04动作后，U70第9点输入10709（EXTL TRIP）动作，通过SR触发器保持动作令，同时满足FCB OPEN（已分闸），将出口FCB TRIP跳闸信号至监控系统报警。现场检查励磁调节器及监控系统无FCB跳闸信号，FCB已分接点（U70,11/Q02 31：32）动作正常，而且开机至空载前，上位机会下发所有事故复归令，所以存在外部跳闸令保持的情况概率非常小，几乎排除。

图2 励磁调节器外部跳闸逻辑

通过以上分析，排除外部跳闸继电器K03和K04励磁动作可能性。

3.4 继电器K05动作可能性分析

继电器K05励磁动作，必须由U70板，4号接点（FCB OFF）开出，对应逻辑图为10309（FCB OFF）。从励磁投退控制逻辑图可知灭磁开关分闸命令（FCB OFF）开出有以下几种方式：

（1）励磁跳闸（TRIP CMD），造成灭磁开关分闸；而励磁跳闸置1原因有失励跳闸、跨接器失败、转子过电压、励磁电流瞬时过流、整流桥失效、励磁变压器过温等故障，但这些故障发生必然有告警信号或必须在运行情况下才会发生，所以排除励磁故障，励磁跳闸置1造成灭磁开关分闸可能性。

（2）面 板 分(LCP FB OFF)或 退 励 磁 令(EXC OFF)分FCB，但这种情况必须在有分闸命令而且需要在通道运行的情况下才能分FCB，所以排除面板或退励磁分FCB可能性。

（3）跨接器故障（FCB OFF MON）分FCB，这种情况必须在运行情况下，跨接器动作或故障下才会执行分FCB令，现场励磁系统未运行，且无跨接器任何异常信号，所以排除跨接器分FCB可能性。

（4）外部跳闸（10709）分FCB，这种情况与外部跳闸K03与K04分析一致。

3.5 跳闸继电器本身故障可能性

（1）对5个跳闸继电器外观完好度、电源及接点接线进行检查，未发现任何短接或破损现象。

（2）单独对5个跳闸继电器进行校验，继电器校验数据均合格，即可排除跳闸继电器本身故障原因，具体试验数据如下：

表1 跳闸继电器具体试验数据

3.6 磁场断路器检查

通过排除法，已经排除了前面6种磁场断路器跳闸的可能性，几乎可以锁定磁场断路器异常跳闸的原因为磁场断路器异常偷跳。对磁场断路器进行详细的检查，检查结果见表2。

表2 磁场断路器检查情况

通过对磁场断路器的详细检查，发现合闸操作机构部分构成存在磨损现象，这可能导致合闸机构稳定性不够，使得磁场断路器合闸后，又发生触头垂直滑位，造成磁场断路器异常跳闸。

3.7 磁场断路器合闸机构稳定性不够分析

经过调查发现磁场断路器合闸机构稳定性不够故障较为常见，即磁场断路器合闸，主触头闭合到位，又发生主触头垂直滑位，接触电阻增大的现象，造成机组在开机时起励建压失败，严重时使运行机组失磁。因此，必须调整机构的稳定度。机构的工作稳定性与机构过死点距离a有关。造成机构过死点距离a不符合要求原因有：多次跳合闸使得采用环氧板制作的连杆连接孔磨损增大。

4 故障处理

本次对机械机构故障的磁场断路器进行了更换。用于更换的磁场断路器相关试验数据均合格。磁场断路器更换后，重新开机并网，励磁系统无任何异常。至今设备运行一直良好，故障再未出现，证明该隐患得到彻底解决。

5 防范措施

（1）将磁场断路器日常巡查工作列入防非停措施，日常对磁场断路器状态及信号进行巡查。

（2）利用机组停机机会，每季度定期对磁场断路器进行详查：储能电机及机构是否破损、手动储能是否正常、分合闸是否正常、操作机构是否正常等。

（3）检修期间，对磁场断路器开展电气试验、触头及灭弧罩等检查、分合闸线圈检查、储能弹簧检查、合闸机构稳定度调整等。

（4）磁场断路器电气试验主要包括：断路器绝缘电阻、断路器直流电阻、分合闸线圈电阻、断路器动作特性试验、分合闸最小电压试验（最小电压均不得大于80%Ue（176 V））。

（5）触头检查：检查灭弧室的状态，灭弧室本体必须没有损伤，灭弧片既没有受腐蚀也没有受损；使用压缩气吹掉灰尘，然后使用刷子清除所有烟熏和熔渣的痕迹；检查触点状态良好；肉眼检查主板和灭弧板都在原位；若发现灭弧片发黑或卷边现象及时更换断路器。

（6）合闸机构稳定度调整：机构的工作稳定性与机构过死点距离a有关，a一般应在3～4 mm。但这个数据不容易测量，可以制作一块专用的检查死点机构距离的样板，用来检查α的数据。专用的检查样板可采用一块70 mm×20 mm的透明有机玻璃。在上刻化一条基线和与机线相距3 mm和4 mm的检查线各一条。检查时基线对准连杆的上下孔心连线，观察连杆左孔心是否在3 mm、4 mm检查线之间。当a不符合要求时，可调整合闸电磁铁下的垫片，使a数据符合技术要求，若是环氧板连杆磨损较多，可另加工原尺寸大小的环氧板替换。

6 结论

综上所述，磁场断路器是励磁系统内的重要设备，对机组的安全稳定运行非常重要，在检修期间，应对其进行全面检查及试验，试验内容除断路器回路电阻试验、断路器直流耐压试验、断路器动作特性试验外，重点应检查断路器本体的操作机构及储能电机、灭弧室、手动储能操作机构及合闸机构稳定度等，确保断路器操作机构的可靠性。同时对已投运十多年的磁场断路器需考虑进行整体更换，以确保励磁系统能够安全稳定的运行。