水津水電站勵磁系統(tǒng)滅磁開關燒損事故原因分析及處理

王益民

(中國葛洲壩集團國際工程有限公司，北京 100022)

1 概述

水津水電站位于緬甸距仰光市東北約183 km處的白果省水津鎮(zhèn)附近的水津河上，安裝4臺單機容量20 MW的混流式水輪發(fā)電機組，發(fā)電機額定電壓11 kV，額定勵磁電壓148 V，額定勵磁電流654 A，空載勵磁電壓55 V，空載勵磁電流357 A，勵磁變壓器副邊電壓280 V。在該電站首臺機(4號機)勵磁系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試過程中，跳滅磁開關快速滅磁時發(fā)生了滅磁開關觸頭和滅弧罩燒損事故。

2 勵磁系統(tǒng)滅磁原理

水津水電站勵磁系統(tǒng)按照國內(nèi)常規(guī)設計方案進行設計，滅磁回路如圖1所示。

圖1 滅磁回路原理圖

圖1中的UZ為整流橋輸出電壓;UL為滅磁電阻的導通電壓;UK為滅磁開關的弧電壓。

正常情況下的滅磁不跳滅磁開關，而是利用可控硅的續(xù)流特性，將轉子中的能量逆變?nèi)胂到y(tǒng)，從而達到滅磁的目的。這種滅磁方式轉子的能量釋放的比較慢，需要的時間相對較長，一般需要0.5 Tdo’(發(fā)電機定子開路轉子時間常數(shù))。

當電站系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，為了保護設備，需要通過跳滅磁開關進行快速滅磁。跳滅磁開關進行滅磁的工作條件是UK＞UL+UZ，這樣跳滅磁開關快速滅磁時，滅磁電阻導通，轉子能量將消耗在滅磁電阻中。如果UK＜UL+UZ，則滅磁開關動作后，滅磁電阻不會導通，轉子能量不能轉移至滅磁電阻，而是消耗在滅磁開關斷口處，從而有可能造成滅磁開關觸頭和滅弧罩燒損。

3 我國勵磁系統(tǒng)滅磁設計原理的發(fā)展

我國對勵磁系統(tǒng)設計原理的認識經(jīng)歷了比較長的過程。在上世紀葛洲壩水利樞紐工程中，勵磁系統(tǒng)在快速滅磁時靠滅磁開關燃弧來消耗轉子能量達到滅磁的目的，其結果是經(jīng)常燒損滅磁開關觸頭。后來，我國技術人員進行技術攻關，在滅磁回路中增加了如圖1所示的滅磁電阻RV。滅磁電阻實際上是一個壓敏電阻，當加在其兩端的電壓沒有達到其導通電壓時，電阻很大，幾乎不導通。跳滅磁開關進行快速滅磁時，如果在滅磁開關斷口上建立起的弧壓足夠高，就會使滅磁電阻導通，在發(fā)電機轉子與滅磁電阻之間建立起電流回路，將轉子能量消耗在滅磁電阻中，從而減少了滅磁開關的燃弧時間，保護了滅磁開關;再后來，為了進一步降低滅磁開關的燃弧電壓，采用了在滅磁回路中引入交流電源，通過一定延時，使得交流電源的電壓負半波與滅磁回路中的直流電壓相疊加，從而降低了滅磁開關斷口電壓，盡快熄滅了滅磁開關斷口電弧，達到保護滅磁開關的目的。

4 此次勵磁系統(tǒng)事故原因分析

緬甸水津水電站勵磁系統(tǒng)滅磁電阻選取的導通電壓為840 V，沒有采用引入交流電源的滅磁方案。設計時，滅磁開關斷口承受的弧壓為:

(1)空載時跳滅磁開關，滅磁開關斷口承受的弧壓為895 V;

(2)額定運行時跳滅磁開關，滅磁開關斷口承受的弧壓為988 V。

水津水電站勵磁系統(tǒng)滅磁開關選取的是由ABB公司生產(chǎn)的ABB SACE E1系列的E1B/EMS 1250型交流開關，銘牌上標明的額定電壓為1 000 V，電流1 250 A。在現(xiàn)場調(diào)試時發(fā)生了滅磁開關觸頭和滅弧罩燒損的事故后，經(jīng)過分析，認為造成此次滅磁開關觸頭和滅弧罩燒損的原因應當是在設計選型時對ABB生產(chǎn)的E1B/EMS 1250型交流斷路器的直流滅弧能力認識不足。

ABB SACE E1/E2/E3/E4系列斷路器本為三相交流系統(tǒng)所用，三斷口或四斷口，三極或四極，標稱額定電壓750～1 000 V，后經(jīng)小幅結構改造作為直流開關使用。由于其外觀精巧、價格相對低廉，常被推薦到中小型水電機組勵磁系統(tǒng)作為磁場斷路器使用。用作直流磁場斷路器的斷口接法一般為3～4斷口串聯(lián)使用，標稱額定電壓750 V(三斷口)或1 000 V(四斷口)。此處所說的標稱額定電壓僅指斷口額定電壓絕緣水平，而ABB官方說明書樣本資料對斷口弧壓或遮斷電壓并無說明。按照SACE系列開關單斷口弧壓為250 V推算，多斷口串聯(lián)實際有效弧壓或遮斷電壓低于1 000 V?？紤]到串聯(lián)斷口分斷時的固有時差(ms級)和不同步性，斷口串聯(lián)有效弧壓實際上應低于750 V，根 本不足1 000 V，不具備1 000 V的建壓能力，實際弧壓應不高于750 V。而低于上述滅磁電阻導通須由滅磁開關斷口提供895 V和988 V弧壓的要求，因此滅磁電阻并未導通，轉子能量不能順利地轉移到滅磁電阻中消耗掉，大部分還是由開關斷口燃弧進行消耗，從而造成了開關的滅弧柵及觸頭損傷。

有些電力設計院的電氣設計人員和使用單位對勵磁系統(tǒng)磁場斷路器性能的關鍵指標認識不清晰，認為只要額定電壓或絕緣電壓大于額定磁場電壓或強勵頂值電壓即為可用。而實際則不然，依據(jù)ANSI/IEEE C37.18《旋轉電機用封閉型磁場放電斷路器標準》，磁場斷路器的電壓參數(shù)中更為關鍵的是弧壓/遮斷電壓指標。

5 問題的解決

由于水津水電站遠在國外，從國內(nèi)重新采購能夠承受更高弧壓的開關需要的時間較長，不能滿足現(xiàn)場工期要求，因此，經(jīng)分析、研究，決定采用不更換現(xiàn)有滅磁開關，而在滅磁回路中引入交流電源，重新選用導通電壓(700 V)較低的滅磁電阻，在滅磁控制回路中加上延時繼電器(約延時20～30 ms)，跳滅磁開關前切除功率柜脈沖，延時20～30 ms后再跳滅磁開關，進而達到使交流電壓負半波與滅磁開關弧壓疊加，降低滅磁開關兩端的電壓，又使得滅磁電阻能夠在較低電壓(700 V)下導通，達到消耗轉子能量、快速滅磁的目的。

采用交流滅磁方案，在滅磁開關動作時，觸頭上承受的電壓為Uk=UL－。緬甸水津水電站勵磁系統(tǒng)采用交流滅磁方案后，幾種狀態(tài)下跳滅磁開關時，忽略滅磁電阻在不同電流時的電壓變化值(單組ZnO10A至100 A大致有70 V的差異)，滅磁開關斷口承受的弧壓分別為:

(1)空載跳滅磁開關時承受的最低弧壓:

(2)額定狀態(tài)下跳滅磁開關時承受的最低弧壓:

(3)空載誤強勵時跳滅磁開關承受的弧壓:

(4)強勵時跳滅磁開關承受的弧壓:

(5)發(fā)電機三相短路時跳滅磁開關承受的弧壓:

通過以上計算可以看出，采用交流滅磁技術后，在以上五種情況下，滅磁開關斷口所承受的弧壓在106～700 V之間，低于750 V，處于安全范圍內(nèi)。

6 結 語

緬甸水津水電站勵磁系統(tǒng)滅磁開關在現(xiàn)場調(diào)試過程中發(fā)生滅磁開關嚴重拉弧、燒損滅磁開關觸頭和滅弧罩的根本原因是設計選用的滅磁開關建壓能力不足(弧壓偏低)所致。在勵磁系統(tǒng)滅磁開關選型時，不論是否采用交流滅磁技術，確保滅磁開關有足夠的弧壓、正確選擇滅磁電阻的導通電壓才是保證滅磁開關安全滅磁的可靠方法。