小浪底4號(hào)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)故障原因分析與啟示

高凱陽，李銀鐺，陳 嶺，丁 凱

（水利部小浪底水利樞紐管理中心，河南 鄭州 450000）

0 小浪底水電廠概況

小浪底水電廠是河南電網(wǎng)最大的水力發(fā)電廠，裝機(jī)容量6×300 MW，主要發(fā)揮調(diào)峰作用，當(dāng)河南電網(wǎng)與華中電網(wǎng)解列運(yùn)行時(shí)，擔(dān)任主調(diào)頻電廠，由于河南電網(wǎng)火電比例占90%以上，因此，小浪底水電廠對(duì)于維持河南電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮了不可替代的作用。

1 勵(lì)磁系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)概況

小浪底水電站水輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量為300 MW，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置采用瑞典ABB公司 (型號(hào)為FMTB822)雙微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，發(fā)電機(jī)組起勵(lì)采用交流起勵(lì)，雙微機(jī)冗余的自并激晶閘管靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)。勵(lì)磁電源取自發(fā)電機(jī)出口開關(guān)內(nèi)側(cè)的勵(lì)磁變壓器，經(jīng)三相橋式整流獲得。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)有兩套互為備用的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器(AVR)及勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)器(FCR)。正常停機(jī)和事故時(shí)的滅磁方式采用跳開FMK(滅磁開關(guān))串入滅磁電阻(SIC)。發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)組成包括勵(lì)磁變壓器、整流裝置及雙通道冗余勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、單斷口磁場(chǎng)斷路器及滅磁電阻等。

1.2 工作方式

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)采用三相全控橋式整流，2個(gè)功率柜互為備用。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升至90%額定轉(zhuǎn)速，磁場(chǎng)斷路器合上，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器先檢測(cè)備用功率柜橋的狀況，再切換到主用功率柜橋運(yùn)行。當(dāng)主用橋退出運(yùn)行時(shí)，可無擾切換到備用橋運(yùn)行，確保不同運(yùn)行方式全部連續(xù)運(yùn)行；當(dāng)主用和備用功率柜均發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)跳發(fā)電機(jī)滅磁開關(guān)，切斷勵(lì)磁回路；當(dāng)單柜風(fēng)機(jī)電源消失、任一風(fēng)機(jī)故障或風(fēng)機(jī)電源過流時(shí)設(shè)置自動(dòng)退柜并報(bào)警。

2 故障現(xiàn)象

某日19:43，4號(hào)機(jī)組出力283 MW，上位機(jī)報(bào)：4號(hào)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)事故，4號(hào)機(jī)組事故停機(jī)執(zhí)行。同時(shí)上位機(jī)執(zhí)行4號(hào)機(jī)組出口開關(guān)黃4開關(guān)斷開，4號(hào)機(jī)組執(zhí)行事故停機(jī)流程。

事件造成4號(hào)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)一套整流橋中可控硅元件V1損壞，并被省調(diào)記為非計(jì)劃停運(yùn)。

3 原因分析

3.1 現(xiàn)象初步分析

“勵(lì)磁系統(tǒng)直流側(cè)短路”信號(hào)和“一套整流橋不導(dǎo)通”信號(hào)都是由勵(lì)磁系統(tǒng)DSTS102板判斷并觸發(fā)的。DSTS102板是一塊脈沖觸發(fā)板，用于觸發(fā)晶閘管啟動(dòng)整流回路。DSTS102板接收由陽極側(cè)CT測(cè)量的轉(zhuǎn)子電流值，并檢測(cè)其中存在何種交流分量。

當(dāng)直流側(cè)出現(xiàn)短路時(shí)，轉(zhuǎn)子電流中會(huì)出現(xiàn)與轉(zhuǎn)子電壓同頻率的300 Hz的交流分量。DSTS102板檢測(cè)到此交流分量，向勵(lì)磁系統(tǒng)PLC發(fā)出“直流短路”信號(hào)，勵(lì)磁系統(tǒng)跳閘。

當(dāng)勵(lì)磁電源發(fā)生缺相或者一個(gè)或幾個(gè)可控硅故障不導(dǎo)通，轉(zhuǎn)子電流會(huì)產(chǎn)生100 Hz交流分量。DSTS102板檢測(cè)到此交流分量，向勵(lì)磁系統(tǒng)PLC發(fā)出“整流橋不導(dǎo)通”信號(hào)，切換至第2套整流橋，如果還有“整流橋不導(dǎo)通”信號(hào)，則勵(lì)磁系統(tǒng)跳閘。

小浪底電廠可控硅觸發(fā)極與陰極間的正常阻值應(yīng)為15 Ω左右?？煽毓璞粨舸┗蛘甙l(fā)生軟故障等多種原因，都有可能導(dǎo)致可控硅觸發(fā)極與陰極間阻值為零。不同的是，可控硅被擊穿時(shí)，陰極和陽極同時(shí)被擊穿，阻值為零，可控硅完全損壞?？煽毓璋l(fā)生軟故障時(shí)，經(jīng)過一段時(shí)間，其各項(xiàng)參數(shù)會(huì)向正常值回復(fù)，但已屬于病態(tài)，也不能夠繼續(xù)使用。

3.2 報(bào)警原因分析

勵(lì)磁系統(tǒng)如果直流側(cè)發(fā)生短路，短時(shí)間內(nèi)會(huì)將整流橋及二次回路各種元器件燒毀，危及勵(lì)磁系統(tǒng)安全，因此必須立即跳閘，保護(hù)元器件安全。

通過事后對(duì)可控硅V1進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)其觸發(fā)極與陰極間阻值又恢復(fù)正常，但是，將可控硅晃動(dòng)時(shí)，其阻值亦隨之變化，這種現(xiàn)象可以排除可控硅被擊穿的可能。

結(jié)合這些現(xiàn)象，分析存在兩種原因可能導(dǎo)致以上問題發(fā)生:

（1）由于可控硅元件V1的觸發(fā)極與陰極被擊穿，則V1的觸發(fā)脈沖被引入主回路，觸發(fā)脈沖信號(hào)是高頻信號(hào)，DSTS102板檢測(cè)到此信號(hào)，認(rèn)為勵(lì)磁系統(tǒng)出現(xiàn)直流側(cè)短路故障，立即跳閘。

（2）整流橋回路中有兩個(gè)可控硅發(fā)生軟故障，導(dǎo)致勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)生直流側(cè)短路報(bào)警。當(dāng)所有報(bào)警信號(hào)被復(fù)歸后重新試驗(yàn)時(shí)，有一個(gè)可控硅參數(shù)恢復(fù)，因此只檢測(cè)到有“一套整流橋不導(dǎo)通故障”，而不再出現(xiàn)“勵(lì)磁系統(tǒng)直流側(cè)短路”報(bào)警。

3.3 現(xiàn)地檢查及試驗(yàn)

維護(hù)人員到現(xiàn)地進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)除上位機(jī)所報(bào)報(bào)警外，4號(hào)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)PLC上還有“直流短路”跳閘信號(hào)。經(jīng)分析確定，這次跳閘是由勵(lì)磁系統(tǒng)直流側(cè)短路信號(hào)引起的。

將所有故障報(bào)警信號(hào)復(fù)歸，機(jī)組開至水輪機(jī)狀態(tài)，合滅磁開關(guān)建壓，發(fā)現(xiàn)無法從二套整流橋切換至一套，PLC上有“一套整流橋故障”報(bào)警信號(hào)。經(jīng)分析確定，“一套整流橋故障”報(bào)警是由于“一套整流橋不導(dǎo)通”信號(hào)引起的。

檢查一套整流橋可控硅，發(fā)現(xiàn)可控硅元件V1的觸發(fā)極與陰極之間阻值近似為零，其他可控硅的阻值為15.3 Ω，將V1更換后，4號(hào)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行正常。

4 結(jié)語

電廠設(shè)備紛繁眾多，每一個(gè)設(shè)備都關(guān)乎電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行，運(yùn)行值班員應(yīng)該充分調(diào)動(dòng)主觀因素，同時(shí)，進(jìn)一步加強(qiáng)和完善監(jiān)測(cè)手段，強(qiáng)化設(shè)備全生命周期管理，細(xì)化控制設(shè)備，注重冗余設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)備控制和切換邏輯，同時(shí)做到以下幾個(gè)方面：

（1）經(jīng)常性的檢查設(shè)備健康狀況，發(fā)現(xiàn)異常進(jìn)行更換；

（2）完善監(jiān)控手段，加強(qiáng)對(duì)設(shè)施設(shè)備的監(jiān)控，及時(shí)掌握設(shè)備狀況，遇到問題及時(shí)切換；

（3）完善設(shè)備切換邏輯，檢測(cè)到故障后應(yīng)及時(shí)切換至備用系統(tǒng)，防止設(shè)備帶病運(yùn)行，從而將事故擴(kuò)大；

（4）定期對(duì)可控硅等關(guān)鍵元件參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)；

（5）加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的生命周期進(jìn)行分析，在壽命達(dá)到極限前及時(shí)進(jìn)行更換。