灭磁开关故障导致转子过电压保护动作

李 博，何忠华，钱晓忠，刘淑妍

（国网新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南 长沙410213）

0 引言

黑麋峰抽水蓄能电站位于湖南省长沙市望城区，装有4台单机300 MW的可逆式抽水蓄能机组，2010年10月份全部机组投产，主要承担湖南地区电网调峰、调频及事故备用。电站投产以来，充分利用抽水蓄能机组工况转换灵活、启动迅速的特点，为湖南电网减少常规水电弃水、晚间填谷发挥了巨大作用，因此保证机组水泵工况启动成功率是电站运维工作的重点，黑麋峰电站水泵工况启动方式以静止变频器（SFC）启动为主，背靠背启动为辅。

1 故障过程

监控系统执行抽水调相开机命令，机组充气压水成功后，监控系统向励磁系统发出投入励磁命令（脉冲信号，脉宽2.5 s），励磁调节器在检测到监控系统所发出脉冲信号的上升沿时，置“EXC ON”信号为1，持续时间2 s，在此信号持续期间，检测直流开关分闸位置触点为1时，即发出直流开关合闸命令，使直流开关合闸。直流开关合闸1498.904 ms后跳闸，由于此时“EXC ON”信号仍为1，直流开关分闸位置触点亦为1，调节器再次发出合闸命令，致使直流开关在跳开284.909 ms后第2次合闸。合闸后由于转子剩磁产生的冲击电压与整流桥输出电压叠加作用，致使过电压保护跨接器（-U40）导通（跨接器的触发导通时间约为2 μs），转子绕组的剩余磁场通过非线性电阻器（-F31）进行灭磁，灭磁过程中检流计（-F50）测得灭磁电流超过定值，励磁调节器报“Rotor Overvoltage-crowbar”故障后发出跳闸信号，监控系统及机组保护正常收到跳闸信号，监控系统正常执行事故停机流程。根据故障录波图查询故障时刻数值为：直流开关第2次合闸时间为1217.74 ms；根据监控系统查询数据曲线可知：转子绕组最大电压为476.55 V。

在机组进入停机稳态后，On-call人员现场检查并复归监控系统及励磁系统报警，机组进入备用状态。

图1 故障录波图形

2 原因分析

根据故障录波图形显示转子过电压产生时刻为01：23：54.517，监控系统显示过电压幅值为476.550 V。根据现场检查情况分析：故障时直流开关在合闸1498.904 ms后跳闸，借鉴4号励磁开关问题经验，对号3励磁开关合闸锁定装置上方压紧弹簧进行检查发现：弹簧靠下侧位置断裂，且上、下两部分出现明显的偏移，根据胡克定律F=kΔx，弹簧总长度变短，在固定的行程（在直流开关合闸时该弹簧作用于锁定装置与合闸衔铁可靠接合所需要的距离）下，弹簧的变形量Δx变小，故压紧弹簧作用于合闸锁定装置上的弹力F变小，使得锁定装置不能与合闸衔铁及时接合，或接合后搭接深度不足，造成直流开关合闸后跳开。

图2 从合闸锁定装置两侧观察压紧弹簧

图3 拆卸后的压紧弹簧

直流开关跳闸后：一方面转子绕组剩磁通过其弧触头与非线性灭磁电阻串联开始灭磁，由于直流开关分闸时间仅为284.909 ms，故灭磁过程不能完全消耗转子剩余磁场能量，转子绕组中仍存在剩余磁场；另一方面根据楞次定律，直流开关分闸后流入与流出转子绕组的直流电流仍与跳开前相同，而转子绕组产生电势的方向与原励磁电压相反；当直流开关在合闸脉冲的继续作用下再次合闸时，励磁系统整流桥产生的励磁电压与转子绕组产生的反方向电势相叠加，致使励磁回路电压急剧升高，电压超过定值（1800 V）时跨接器在短时间（2 μs）内迅速动作导通，转子绕组通过跨接回路与非线性电阻相串联进行再次灭磁，检流计（-F50）输出开关量跳闸信号至励磁调节器，最终使得调节器报“励磁系统二级故障跳闸”，机组开机失败。

为了保证励磁控制回路无异常，进行以下检查：

（1）检查励磁系统直流开关分闸控制回路中，分闸线圈D1、D2直流电阻阻值为178.1 Ω、179.5 Ω，线圈无故障；合闸线圈直流电阻阻值25.1 Ω，线圈无故障。

（2）检查励磁系统直流开关分闸控制回路中，机组紧急停机跳闸用继电器-K3、-K4本体无异常，接点动作正常，常开触点间绝缘电阻＞50 MΩ，继电器接线端子紧固。

（3）检查励磁系统直流开关分闸控制回路中，AVR跳闸继电器-K2本体无异常，接点动作正常，端子紧固。

（4）检查转子过电压保护装置（NLR非线性电阻，-U40过电压跨接器，-F50检流计），各元件外观无异常，绝缘测试符合要求，接线端子紧固无松动。

（5）检查转子绕组绝缘电阻为84 MΩ，符合运行要求。

3 处理过程

更换断裂的弹簧，试验正常。

4 暴露问题

此前4号励磁直流开关合闸失败原因为锁定装置上方的压紧弹簧存在机械疲劳，而本次3号励磁直流开关合闸失败原因为该弹簧机械断裂，暴露出励磁系统直流开关锁定装置上方的压紧弹簧存在设计缺陷，如弹簧选型、硬度、弹力等问题。

5 防范措施

（1）对厂内1号、2号、4号励磁直流开关合闸锁定装置上方的压紧弹簧进行检查。

（2）购置弹簧备品。

（3）与开关厂家进行沟通，探讨选择优质弹簧。