水轮发电机组励磁变副边三相电流不平衡分析和处理

李 卫

（长沙市湘江综合枢纽工程办公室，湖南 长沙 410200）

1 工程概况

湘江长沙枢纽是湘江流域第九级梯级开发综合枢纽，目前属于湘江流域最后梯级，工程有船闸、泄水闸、电站、坝顶公路桥、库区、鱼类增殖站等，投运以来发挥了重要社会效益和经济效益。电站6台单机容量为9.5 MW，转轮直径6.75 m的灯泡贯流式机组，总装机容量57 MW，多年平均发电量2.315亿kW·h，年利用小时4 061 h，机组额定电压10.5 kV，3台发电机组带1台主变，主变容量40 000 kVA，经110 kV单出线方式送至变电站。机组采用自并励静止励磁系统，有1台接在发电机出口母线励磁变压器作为电源，经过两组经可控硅整流器供给发电机转子绕组励磁，主要包括励磁变压器、调节单元、功率整流单元、灭磁和过压吸收保护单元等。

励磁系统由励磁变压器、调节单元、功率整流单元、灭磁和过压吸收单元等组成。

①励磁变压器是一种专门为发电机励磁系统提供三相交流励磁电源的装置，励磁系统通过可控硅将三相电源转化为发电机转子直流电源，形成发电机励磁磁场，通过励磁系统调节可控硅触发角，达到调节电机端电压和无功的目的，是机组安全、稳定运行的重要保障。②调节单元采用武汉洪山电工科技有限公司HWJT-09C励磁调节器，配置两个独立的自动通道，双通道间采用并联方式或主从方式运行，核心控制环节采用模块化结构，模块间的连接采用了高速数据交换技术，采用单一模块功能，电路板面积小，保证了模块间的互连线最少，从而大大提高设备可靠性，同时具备完善的数据保护和自诊断功能，完善的限制及保护环节，多种抗干扰措施等。③功率整流单元就是把交流电能转换为直流电能的电路，采用硅整流二极管和晶闸管。④灭磁和过压吸收保护单元，灭磁是把转子励磁绕组中的磁场能量尽快地衰减，以便发电机组发生内部故障时，发电机与电网断开，但磁场电流产生的感应电势将维持故障电流，对发电机定、转子绝缘造成损坏，甚至烧坏铁心，为了尽可能地缩短故障点电弧燃烧时间，防止事故扩大，要求在转子绝缘允许的情况下，尽快地将转子磁能衰灭到零，正常停机逆变灭磁，可控硅导通角成130°，将直流反向整流成交流，让励磁变消耗掉，非正常情况采用非线性电阻的灭磁方式，跳开灭磁开关，通过灭磁电阻来耗能进行灭磁[1]。

2 故障现象

机组并网运行时，励磁系统励磁变压器运行“嗡嗡”声比相邻机组大，副边绕组三相电流不平衡，其中两相电流高于另外一相30%，副边两相绕组温度高于20 ℃左右，SCR触发角比正常运行时偏小15°左右。

3 故障分析和处理

针对故障现象，对励磁系统逐一排查，机组停机后对励磁变压器、转子绝缘进行测试，励磁变压器低对高地、高对低地和转子绝缘情况良好，同时排除励磁变压器高压侧和励磁PT熔断器情况，调节单元和功率整流单元通过励磁系统静态试验、励磁系统动态试验、励磁系统测试试验等方法进行检验。

励磁系统静态试验是在励磁调节器已经带电而主回路还未带电的情况下，对励磁调节器和功率整流单元进行的现场试验。先用静态试验再用动态试验进行故障排查，优先采用励磁小电流试验，模拟运行工况，观察输出波形，检验调节单元、功率整流单元是否正常，准备三相接触调压器、示波器、万用表、负载电阻、连接线等试验仪器，解开主回路励磁功率柜交流侧进线和灭磁柜直流侧出线电缆，三相接触调压器副边接功率柜三相进线铜排，负载电阻接直流侧出线铜排，示波器接在负载侧观察波形，通过万用表观察电压变化情况。将副边电压调至50 V左右，合上灭磁开关，投入脉冲功率桥，观察示波器波形， 发现一个周期20 ms内只有5个脉冲波头（图1），分别切换A、B通道，切换 1号、2号功率桥，还只有5 个脉冲波头，进一步锁定可控硅或触发可控硅的脉冲回路是故障范围，用万用表电阻档测量每个可控硅KG极的电阻值，12个可控硅的电阻值基本一致，用示波器分别观察功率桥每个可控硅KG处的波形，发现功率桥的+C的KG没有双波头，其它处均有双波头，且用万用表测量其电压值，+C的KG电压为0 V，此时已说明脉冲回路是有问题，用示波器顺着脉冲回路往上查，发现脉冲综合板的脉冲输入回路脉冲正常， 由此可判断是脉冲综合板的+C处脉冲有问题，更换脉冲综合板后，小电流负载侧波形正常（图2），实验记录见表1。

表1 小电流试验控制角与电压值数据

图1 缺一个脉冲时录波图

图2 一个周期内完整录波图

在SCR触发角60°时，功率桥和调节器通道切换实验数据见表2：

表2 SCR 触发角 60°时电压输出数据

SCR触发角分别为90°和60°时的负载波形见图3、图4：

图3 SCR 触发角90°录波图

图4 SCR 触发角60°录波图

试验数据均在正常范围内，恢复机组安全措施，机组空载建压至额定电压，励磁变压器运行声音及副边绕组三相电流恢复平衡。

4 结语

励磁系统是发电系统不可或缺的部分，与发电机转子连接，为发电机组提供旋转磁场，通过故障的分析和处理过程，逐步从励磁系统重要组成部分，用动态和静态试验测试出来的试验数据和录波图，分析出故障点脉冲综合板内部电路老化是导致+C脉冲回路异常，使励磁变压器C相电源、温度值比A、B相偏低的原因，A、B通道脉冲综合板+C回路同时出现故障为排查故障提高了难度，极具有迷惑性，本文为运维工作提供分析故障和处理问题方法，缩短排查故障时间，进一步提高设备的安全可靠性。