一起典型励磁机内部故障分析及建议

喻亮亮 苏家财 吴金涛 吴成忠 李阳

摘 要：针对一起发电机组启动升压失败的案例，根据升压失败、过压保护动作及元器件损坏的现象，分析和反推过电压产生的原因，通过工程经验、理论分析及排除法，最终定位为励磁机内部持续性短路故障导致机组升压失败，同时针对无刷励磁机的发电机组提出了运行维护的建议。

关键词：过压保护动作；主励磁机；旋转二极管；快熔

中图分类号：TM341    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2023）16-0070-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.16.018

0    引言

配置有旋转二极管的三机无刷励磁系统在中大型机组上应用广泛[1-2]，由于旋转二极管集成于主励磁机中，随着转子和主励磁电枢同步旋转，一般发生持续性故障的可能性较小。但是，随着运行时间的积累，元器件和保护元件逐步老化，一旦发生持续性故障，将会对旋转二极管本体、主励磁机磁场绕组、主励磁机励磁系统造成严重损坏，从而影响机组的正常启动和运行。

本文介绍了一起典型三机无刷励磁系统机组升压失败的异常事件，通过分析和排查，最终定位事件原因为主励磁机内旋转二极管故障，并提出了相关的工程建议。

1    事故发生过程

1.1    机组励磁系统结构

机组采用高起始响应的他励式三机无刷励磁系统，即由永磁交流副励磁机、交流主励磁机、旋转二极管整流装置组成，配有高起始快速响应自动励磁调节器。永磁机定子产生400 Hz电源，经两组三相全控整流桥整流后供给主励磁机磁场绕组，主励磁机电枢输出200 Hz电源供给同轴旋转的二极管整流装置，整流输出直流电流为发电机提供励磁电流。其结构如图1所示。

其中集成于主励磁机内的旋转二极管整流装置采用的是典型的三相不可控整流电路，其电气原理如图2所示。

主励磁机励磁系统中配置的过压保护装置采用击穿电压为900 V的ZnO非线性电阻，灭磁装置采用跨接器串接灭磁电阻的模式，跨接器触发电压约700 V，击穿电压为1 600 V，其电气原理如图3所示。

1.2    事故发生过程

机组冲转至额定转速后，励磁系统按照正常流程起励，以此为时间起点，记为0 s，此时发电机电压几乎不变，但励磁电压已远超正常启机值（正常启机励磁电压约5 V，此次励磁电压采样已超过量程20 V），一段时间内发电机机端电压基本不变，仅缓慢升高至约200 V（正常启机时机端电压会快速上升），励磁电流在3～417 A之间变化（此电流已远超正常空载额定励磁电流的70 A），约1 s后，主励磁机励磁绕组转子过电压保护动作并发出告警信号。由于发电机机端电压始终没有升高，导致励磁调节器切手动环方式运行，此时励磁电流在4～500 A之间变化。6 s后，主励磁机磁场一点接地保护动作并发出报警信号。7 s后，发电机机端电压上升至2 kV，励磁调节器切回自动环运行方式。9 s后，发电机机端电压恢复正常升压速率，此时励磁电流维持在132～188 A之间。17 s后发电机机端电压升至接近额定电压19.5 kV。由于升压过程中发生异常，现场逆变灭磁并拉开灭磁开关，励磁系统退出运行。异常发生的过程中，励磁系统录波波形如图4所示。

从异常发生的过程和励磁系统录波可见，异常发生初始阶段，机组内发生了某种故障，导致发电机始终无法升压；但在故障持续7 s后，机组及励磁系统恢复相对正常，机组成功建压。

1.3    现场对励磁系统及主励磁机磁场绕组的检查情况

现场查看励磁系统灭磁柜，发现灭磁柜报过压动作，过压回路熔丝熔断。

查看过压回路非线性电阻，周围有放电烧黑痕迹，拆开检查，发现非线性电阻被烧坏。

用万用表测量灭磁回路跨接器中的晶闸管，其正反向电阻都为0，判断晶闸管被击穿。

现场检查主励磁机，其上半励磁绕组未发现明显故障点，绝缘电阻正常；下半励磁绕组绝缘降到0，下半励磁绕组炉侧顶部绕组有一明显的烧损点，还有多处过热痕迹。检查励磁系统其他元器件和回路，未发现明显的损坏迹象。

检查副励磁机电枢回路，未发现明显的损坏迹象。

2    異常分析与排查

2.1    总体判断

在起励初期，励磁系统已投入运行并向主励磁机输出了励磁电压和励磁电流，但是发电机始终未能建立起机端电压，说明发电机磁场绕组未能流入励磁电流，未能建立起磁场，故无法建压，说明故障可能存在于主励磁机内部，即图1所示的虚框范围内。

主励磁机磁场绕组过压击穿且有过流痕迹，与主励磁机磁场绕组连接的励磁系统灭磁和过压保护装置击穿，说明主励磁机磁场绕组回路产生过大于1 600 V的过压。

机组的故障发展存在一个大约7 s的过渡过程，由此判断当故障消除或故障点由短路发展为开路后，机组恢复正常。

2.2    主励磁机磁场回路过电压来源分析

过压产生的原因可能有3种：1）浪涌过电压；2）由励磁电源及励磁系统传导产生；3）由主励磁机电枢绕组感应传导产生。

1）浪涌过电压产生的可能性分析：机组启动当天天气正常，没有雷雨发生；发电机及励磁系统区域接地网正常，现场屏蔽和抗干扰措施和功能正常；现场其他设备均无过电压现象。由此判断，基本可以排除浪涌过电压产生的可能性。

2）励磁电源及励磁系统传导产生的可能性分析：励磁系统的电源由副励磁机的电枢提供，其额定电压为270 V，在机组启动和异常发生的全程，副励磁机输出电压的最大值为300 V。根据三相全控桥原理[3]，通过励磁系统输出的最大电压Ud可由式（1）估算：

Ud=1.35Uscos α                 （1）

式中：Us为副励磁机输出电压；α为励磁触发角度。

从录波可以看出，励磁调节器触发角度α的范围为50°～130°，所以励磁系统输出励磁电压正向最大值估算为1.35×300×cos 50°≈260 V，负向最大值估算为1.35×300×cos 130°≈-260 V。另，励磁系统可能输出的最高电压为副励磁机电压的峰值300×1.414≈424 V，而过压保护击穿值为900 V，灭磁回路跨接器内晶闸管击穿电压为1 600 V，说明合闸后磁场回路电压达1 600 V以上，从整流原理上分析，该过压值由励磁系统传导输出的可能性基本可以排除。

3）主励磁机电枢绕组感应传导产生的可能性分析：根据电磁感应原理，假设励磁机电枢绕组及其连接回路存在相间短路或其他非对称性故障，会在电枢绕组回路中产生脉振磁动势，从而在磁场绕组感生2倍基频的交流电动势和电流，同时，在电枢绕组脉振磁动势和磁场绕组脉振磁动势的相互作用下，还会感生出一些高次谐波[4]，从而产生危害较大的过电压。由此分析，异常过压通过主励磁机电枢绕组感应传导产生的可能性较大。

2.3    实际检查验证

待机组冷却后，现场对主励磁机进行解体查看，发现旋转二极管装置中有一只二极管正反向直通，即处于短路状态，但与其串联的快熔没有熔断，而是连接快熔和二极管的铜母线烧断，电气示意图如图5所示。

在B相VT6桥臂有一只二极管直通短路后，当VT4导通时，会形成AB相间短路；当VT2导通时，会形成BC相间短路；由于旋转二极管装置与主励磁机电枢绕组直接相连，故相当于发生了主励磁机电枢绕组的相间短路。

一般地，当某桥臂只有一只二极管故障时，由于有短路电流产生，快熔会快速熔断，形成开路，将短路故障点快速切除，不影响机组正常运行。但如果快熔失效，无法将故障点切除，则会在主励磁机电枢绕组中形成持续的不对称电流，从而在主励磁机磁场绕组感生出极高的电压和电流，其幅值可高达额定运行值的几倍甚至十几倍[4]。结合前述过程分析，可推断出故障发生过程为：

1）初始阶段，励磁起励运行，输出励磁电流，但旋转二极管故障，导致主励磁机输出的电流全部流入故障点，而未流入发电机磁场绕组，故无法建压。

2）二极管故障导致主励磁机电枢绕组相间故障，且由于故障未切除，持续的不对称故障在主励磁机磁场绕组感生出过压，导致过压保护动作、灭磁回路击穿、磁场绕组损坏。

3）故障二极管的连接铜母线熔断后，故障被隔离，机组重新建压正常。

3    结束语

本次故障的根源为旋转二极管故障导致相间短路，且未被及时切除，形成持续性不对称故障，引起主励磁机磁场绕组过压。旋转二極管及快熔为三机无刷机组的核心设备，随着运行时间的积累，存在老化的可能，为确保机组运行安全和故障及时切除，建议机组大修期间，将二极管和快熔全部更换，且更换为参数、性能一致的同批次产品，确保整体功能的可靠性。

[参考文献]

[1] 都兴有.火电大机组励磁系统的回顾与展望[J].中国电力，2003，36（1）：16-18.

[2] 侯亚敏.无刷励磁同步发电机励磁控制系统的研究[D].广州：华南理工大学，2013.

[3] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2000.

[4] 张鹏鹏.大型半速汽轮发电机不对称短路及其负序分量的研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2015.

收稿日期：2023-04-18

作者简介：喻亮亮（1987—），男，江苏人，工程师，研究方向：发电厂控制保护、电力系统继电保护及自动化。