现代励磁系统典型事故案例分析及整改措施

史振利,崔宇翔,刘 冲,何信林,雷 阳

(1.西安热工研究院有限公司,陕西 西安 710032;2.国网陕西省电力有限公司超高压公司,陕西 西安 710299)

0 引言

励磁系统在发电机运行过程中维持调节机端电压的作用,合理进行无功分配以及提高电力系统稳定性,保证励磁系统正常运转至关重要。国内各电厂在发电机启机前需要对励磁系统的设计、制造、安装、检修等进行检验,以保证励磁系统安全稳定运行［1］。但是因为参数漏改、接线不合理、设计存在部分缺陷以及装置不可靠等问题,造成励磁系统起励失败,从而导致发电机启机失败;在发电机停机逆变、转子回路进行灭磁操作时,由于灭磁系统故障以及各设备配合不到位而导致灭磁失败事故时有发生［2］;甚至由于保护定值计算错误以及设备发生严重可靠性问题导致在运行过程中励磁系统保护动作,从而造成跳闸停机等严重事故,对机组以及电厂的安全造成极大威胁。随着国产化励磁故障诊断系统深入研究,对于励磁系统各类故障进行分析十分必要［3］。

本文通过对近年来励磁系统设计及运行中的事故进行分析并提出整改措施,一方面为解决励磁系统事故提供一种有效的思路,另一方面为国产化励磁系统事故诊断技术的发展提供参考。

1 概述

发电机系统中供给同步发电机励磁电流的电源及附属设备统一被称为励磁系统。现阶段国内大多数发电机均为同步发电机,且以自并激励磁系统为应用主流。同步发电机励磁系统主要分为功率调节单元和励磁调节器。功率调节单元主要作为发电机转子绕组的励磁电源,作用是向其提供直流励磁电流,根据转子物理旋转建立转子磁场。励磁调节器依据实时采集的输入信号和设定的调控准则调节励磁功率单元输出,提高电力系统并联机组的可靠性和稳定性［4］。

随着电力自动化普及及新技术涌现,自动调节励磁装置(automatic voltage regulator,AVR)逐渐得以应用,AVR由测量单元、同步单元、放大单元、调差单元、稳定单元、限制单元及一些辅助单元构成。在对发电机励磁电流进行调整时,由于转子回路中电流较大,一般不采用直接在转子回路中调整的方法,而是通过对励磁电流进行调整完成对发电机转子电流的控制。改变励磁电流的方法有多种,国内大部分通过改变可控硅的导通角实现励磁电流变化。

励磁系统如图1所示,主要由励磁变压器、励磁整流装置、励磁调节装置、灭磁装置以及监测、保护、报警辅助装置组成。自并激励磁系统是利用励磁变压器对发电机出口22 kV电压进行降压处理,通过励磁整流装置进行三相全波整流操作［5］。若为有刷电机,则将整流直流电经灭磁开关、励磁碳刷通至转子绕组;若为无刷电机则采用旋转整流的方式为转子提供励磁电流,2种方式均可为发电机转子建立磁场。同时,AVR励磁调节器根据反馈输入的发电机出口电压、电流以及励磁参数的实时变化调节可控硅的导通角,根据发电机运行工况以及定值偏差改变励磁输出电流大小,达到维持发电机出口电压稳定的目的［6］。

图1 同步发电机励磁系统

2 典型事故案例分析

由于发电机励磁系统由多个装置相互配合构成,任意装置或关联过程出现问题都会引起发电机励磁系统事故,因此发电机励磁系统事故类型具有多样化的特点。对励磁系统常见故障进行分析,可以加快励磁事故诊断系统国产化进程［7-10］。本文针对典型事故案例,依次从解列逻辑死区导致低频过励磁故障、信号测试采集回路故障、功率单元电路故障以及AVR电源故障等进行分析。

2.1 解列逻辑死区导致低频过励磁故障

励磁系统作为发电机转子的直流供电源,在机组解列时,采用逆变灭磁方式进行停机灭磁。常见的非正常解列灭磁事故原因有继电器损坏、AVR模件故障、解列逻辑设置存在故障死区等。若解列过程中不能可靠灭磁,会极大损坏发电机及励磁系统装置,例如:①产生过激磁现象导致转子铁芯发热加快绝缘性能老化;②转子过电压使转子磁极损坏;③励磁回路绝缘击穿,严重损坏灭磁开关［11］。

2.1.1 事故经过

某电厂1台105 MW发电机采取正常停机解列灭磁操作,在发电机机端断路器跳闸后,励磁系统进行自动停机灭磁。在此过程中励磁并联变压器继电保护动作,造成非正常停机灭磁开关跳闸,集控室报出“灭磁开关分闸”、“转子电流越限动作”、“励磁变保护总出口动作”、“非线性电阻灭磁”等信号。导致正常停机过程变为非正常停机跳灭磁开关。检查机组发电机机端断路器正常分闸,同时励磁调节单元和功率单元均发出故障信号,常规检查外观也未发现短路点,检查转子及并联变压器绝缘无异常。

事故后检查故障录波,发现转子转速(频率)下降的同时励磁电流却同步提升,两者呈现反比现象,从而判断这是一起典型的低频过励磁引起的非正常停机事故。进一步检查工控机故障记录,发现并没有“逆变失败”及其他故障信号,但是有发出停机指令信号的记录。对断路器位置及信号进行检查,发现“机端断路器位置”位于合闸位置,但此时断路器实际已经分闸。检查并网断路器辅助触点位于分闸位置,但重动继电器失磁,发电机的并网断路器继电器引线断线［12］。

2.1.2 原因分析

正常停机时,发电机就地控制单元(local control unit,LCU)发出自动解列停机指令,并网断路器跳闸后机组由并网变为空载运行,判断出口断路器分闸后同时开始执行关闭导水叶和励磁逆变灭磁的命令(2个命令由同一继电器发出)。正常运行的调速器在接收到停机指令后进行停机程序,导水叶关闭导致转子转速不断降低,同时励磁调节器在接收到逆变灭磁指令后进行逆变程序灭磁,将功率单元的工作状态由整流转为逆变,定子电压迅速降低进行灭磁操作。然而检查发现,转子转速正常降低但未发现“逆变失败”信号,说明调速器正常停机,而励磁调节器并未进行逆变操作。

分析此次事故的直接原因为并网断路器继电器的引线断线,重动继电器采用机端断路器分闸位置触点重动,若断路器处于合闸位置则该继电器失磁,表示发电机为并网状态。由于并网断路器继电器引线断线,所以当断路器跳闸后机组处于空载状态,励磁调节器却因重动继电器失磁而认为机组处于并网状态,此时接收逆变命令也未如期进入逆变状态。同时,调速器正常进行停机程序,转子转速下降导致机端电压下降,而励磁调节器还在按照恒定电压原则运行,为了维持机端电压为额定值而持续增大励磁电流,最终出现低频过励磁现象,导致机组非正常解列停机。事故的根本原因是解列逻辑设置存在故障死区,由于调速器和励磁调节器的停机指令是同一继电器发出且同时执行,若正常解列运行没有问题,但是当逆变环节发生故障就会出现低频过励磁现象从而导致非正常停机解列。

2.1.3 整改措施

a.仔细观察继电器发现,线圈引线因为舌片分合而被拉动,在继电器频繁动作过程中,最终导致引线动作疲劳而断线。因此对该继电器进行选型更换,采用防止继电器动作导致引线被拉动的措施。

b.原解列逻辑设置存在故障死区,故将机组停机指令由同一继电器发出且同时执行,改为由2台继电器分别执行命令,若机端电压降低至额定电压60%说明逆变程序正常执行,逻辑设置为当机端电压小于60%额定电压后,调速器再执行停机指令。若逆变程序故障,系统报警,调速器不会接收到停机指令,可有效避免非正常停机对机组的危害。

2.2 信号测试采集回路故障

发电机组励磁系统的励磁调节单元在正常运行时需要采集多种数据信号,由定转子TA及定子TV完成数据采集,所以信号测试采集回路故障一般由这些信号采集器件问题引起的调节单元调节紊乱,从而发生励磁事故。典型励磁调节单元采样故障原因有以下几点:①定子TV高压侧熔断器保险丝发生缓慢熔断现象,常被称为TV慢熔;②模拟量信号板故障,信号板上嵌入的传感器及接线端子发生接触不良现象或设备损坏而导致故障发生;③交流采样数字信号处理板(digital signal processing,DSP)故障,导致励磁调节单元接收到的各类测量数据出现较大误差或数据不准确的现象。最终由于励磁调节单元故障引起调节信号非正常运行,导致机组停机［13］。

2.2.1 事故经过

某电厂1号发电机AVR装置对转子进行增磁过程中,转子电压、电流发生大幅下降,无功输出降低,发电机转为进相运行状态;约2 s后励磁状态转为强励;约5 s后保护动作跳闸,机组解列停机。机组显示主变压器、高厂用变压器、励磁变差动保护同时动作,低励限制动作信号报出。

事故后开展设备检查,依次进行定子电压及转子电流回路检查、TV断线功能检查、干扰试验、调节器静态动态试验等。试验分析结果表明:①电压回路插口存在松动现象导致电压信号时有中断;②转子电流较大时调节器信号显示值存在失真现象;③当TV电压测量回路出现不完全断线或测量异常情况时,系统不能可靠闭锁强励功能;④低励限制回路动作正常［14］。

2.2.2 原因分析

发电机在增磁过程中出现故障,转子电流迅速减小致使机组转为进相运行状态。在发电机空载运行和静态假负荷运行时进行TV断线试验。分析可知,当定子TV高压侧发生慢熔或接线端子插口发生接触不良等现象时,调节器TV断线逻辑不能可靠闭锁,AVR输出波形为先强励再减磁,从而导致机组进相运行。机组正常运行有功功率为110 MW,低励限制定值为17 Mvar,而事故发生后进相无功没有受到低励限制而达到72 Mvar。由于机组报出低励限制动作但未能限制机组进相深度,低励限制回路动作正常,结合定子电压回路检查结果,分析是AVR电压测量回路因插口松动导致无功测量数据不准确,从而未能限制进相深度。

机组在迅速失磁的情况下,发电机出口电压降低为13.52 kV,AVR判断机组回路故障而突转为强励运行,致使机端电压不断上升,但由于AVR电压测量回路数据不准确,返回值为13.37 kV,导致机组一直处于强励状态而不会停止。机组AVR强励限制的定值设为2倍额定励磁电流,由于机组一直错误处于强励状态,导致励磁系统励磁电流过大超过强励限制定值,但事故显示强励限制未动作导致机组保护跳闸。由转子电流回路试验结果可知,电流采样失真,实际励磁电流远超强励限制定值,但测量返回值却低于动作定值。分析表明,强励限制未动作的原因是AVR电流采样偏差。

2.2.3 整改措施

a.定期全面展开定转子电流测量回路检查试验,排除绝缘破坏、接触不良、设备损坏等情况,确保电流回传数据和励磁限制正常。

b.从TV端部至AVR屏内板端口对电压测量回路进行定期检查,无插口接线松动、损坏、接触不良等情况,确保TV二次侧回传的电压波及幅值准确、平滑。

c.对TV断线功能进行完善,确保电压测量回路出现不完全断线、接触不良或其他异常情况时能够有效避免误强励动作。

2.3 功率单元电路故障

功率单元在发电机励磁系统中提供励磁电流,稳定可靠的功率单元不但可以提高励磁系统运行可靠性,还确保电力系统运行稳定性。对近年功率单元事故及现场数据进行分析,功率单元典型事故是由于功率单元电路中的晶闸管出现故障,可分为晶闸管击穿短路和开路2种故障。开路故障一般是全桥整流回路中任意整流桥臂晶闸管故障导致桥臂开路,整流回路虽然能够继续工作但是其输出的励磁波形出现明显畸变和波动现象;击穿短路故障一般是由于任意晶闸管被击穿导致该相桥臂直通短路,电流突然急剧上升,从而引起保护动作［15］。

2.3.1 事故经过

某电厂励磁系统采用常规自并励系统,功率单元采用静止可控硅三相全桥整流励磁,事故发生前发电机组处于并网运行状态,有功出力为150 MW,无功出力为67.2 Mvar。事故发生时,系统报出“励磁内部故障”跳闸、灭磁开关动作、励磁进线隔离开关动作,调速器发出急停信号,最终机组故障停机解列。检查发现,励磁调节柜的一次侧故障报警灯亮,励磁功率柜出现浓烟,三相整流桥已经损毁,熔断器及部分二次装置损坏,其余元器件出现不明显损伤。对整流柜进行解体,并对可控硅展开检查,发现除正A相桥臂外,其余桥臂晶闸管全被击穿,且负C相的触发极、线均有明显烧痕,触发脉冲线存在绝缘破损状况,同时测量其脉冲触发段二次侧发生短路现象［16］。

2.3.2 原因分析

对可控硅解体检查,结合故障录波图及整流桥接线原理图进行分析,事故经过如表1所示,整流桥接线原理如图2所示。

图2 整流桥接线原理

由表1及图2可知,事故直接原因是三相全桥整流电路负C相桥臂V2被击穿,引发短路过流击穿其余晶闸管,最终导致事故发生。由于超温报警及阻容保护回路均正常,由此排除可控硅在工作过程中由于温度超过80 ℃而被击穿的可能。结合事故现场脉冲线上的绝缘破损状况,排查发现其走线排布于散热片上,T2-T3时段晶闸管V2在CA-CB的换相过程中,由于换相过电压造成脉冲线与A极击穿,散热片的高压冲入脉冲线导致脉冲电路短路,使触发极过电压击穿可控硅V2,同时过电流也损坏了脉冲线圈。虽然快速熔断器均可靠动作并报警,但是由于柜内长期积灰导致绝缘降低以及缩短了爬电距离,致使事故由晶闸管击穿短路变为功率柜烧毁。

2.3.3 整改措施

a.由于脉冲线布线不合理,导致过电压击穿晶闸管而引发功率柜烧毁。故此定期检查整理脉冲线的布线并提升其绝缘防护水平,消除高压入侵可能性,提高励磁系统稳定性。

b.此次事故扩大的直接原因是由于灰尘堆积导致的,积尘会增加晶闸管、脉冲元件发生内部短路和局部放电的可能性,同时也容易造成散热堵塞,产生高温现象,不利于电子器件的稳定运行。因此需进行定期除尘、更换滤网、通风吹扫等操作,以保持功率柜良好运行环境。

2.4 AVR电源故障

励磁调节器电源一般采用厂用电交直流双供电模式,常见的励磁系统调节单元电源故障分为电源越限和电源消失。电源越限一般是供电电源过剩导致实际工作电压超出额定电压,当AVR实际工作电压超出额定值10%后,就会对AVR正常运行造成不良影响,此类故障次数占AVR电源故障的70%以上;电源消失是指运行过程中AVR突然停止供电,而AVR是励磁系统正常运作的保证,一旦失电便会造成失磁失步等一系列严重事故,此类故障虽然少见,但由于其重要性使其成为典型的励磁事故［17］。

2.4.1 事故经过

某电厂装有4台额定容量为75 MW的自并励水轮发电机组,均采用发电机-变压器组合的接线方式,且励磁调节单元采用厂用电交直流双供电方式。事故发生前1号机组有功出力为5 MW、无功出力为25 Mvar;2号机组有功出力为75 MW、无功出力为25 Mvar。由于厂用电系统交流供电中断,备用直流系统供电一段时间后蓄电池电源也停止向其供电,导致励磁调节器工作电源失电约1 min。当交流电源重新恢复供电后,线路对侧断路器报出后备过流保护信号,导致保护动作跳闸,1号、2号机组剧烈振动后自动停机解列。事故导致2号机组灭磁柜内大部分装置高温损毁,导冷油装置水管接头损毁,1号、2号机组均出现基础螺栓松脱现象［18］。

2.4.2 原因分析

励磁调节器为厂用电交流供电和蓄电池直流双供电方式,由于厂用电失电以及蓄电池停止供电,造成了AVR工作电源消失,1号、2号机组失磁、失步;同时由于失去工作电源导致各类保护以及励磁限制功能无法正常运转,事故进一步扩大。

在AVR同时失去交直流供电的1 min内,机组原动力未改变,由于AVR无法进行励磁调节和脉冲供给,导致1号、2号机组转子失去励磁电流,发电机组失步导致同步发电机异步发电运行。在系统无功供给不足的情况下,发电机由发出无功转变为吸收无功,发电机转速急剧上升,定子电流不断增大出现过流现象。

在电源重新恢复供电后,因机组定子电流远超额定负载,使线路对侧断路器过流保护动作,出口断路器跳闸,1号、2号机组出口断路器跳闸与主网系统解列,2台机组成为“局部电网”。在恢复供电后,1号、2号机组出现剧烈振动现象有2方面原因,一方面是因为“局部电网”内的1号、2号机组异步运行的初始参数相差较大,此时形成“局部电网”而被迫同步,导致机组间出现强振荡现象;另一方面,由于同步发电机由同步状态被迫转为异步运行,机组定子侧出现脉动电流,从而具有交变机械力矩,使发电机组振动。上述2方面原因导致2号机组导冷油装置水管接头损毁,1号、2号机组均出现基础螺栓松脱现象。由于2号机原始有功出力参数较大以及保护失电故障,失磁失步问题进一步造成2号机转子回路产生较为严重的过电压,造成2号机灭磁柜部分装置烧毁。

2.4.3 整改措施

a.由于现有发电机组励磁调节单元多采用外部交直流双供电方式,均未采用机组自身励磁变作为后备电源,极大降低了AVR工作电源的可靠性和安全性。故增设励磁变作为AVR工作电源后备。

b.此次事故是在厂用交流电发生中断的情况下,蓄电池电源出现故障并未维持AVR运行至机组恢复正常供电。可加强对直流供电系统的维护及检测,提高AVR直流电源的稳定性和可靠性。

3 结语

本文总结了近年来励磁系统典型事故,依次从解列逻辑死区导致低频过励磁故障、信号测试采集回路故障、功率单元电路故障以及AVR电源故障等进行深度剖析,通过实例分析提出整改措施。由于发电机励磁系统故障类型多样化的特点以及大背景下励磁故障诊断系统的国产化需求,本文一方面为解决励磁系统事故提供一种有效的思路,另一方面为励磁系统事故诊断技术国产化发展提供参考。