水電廠自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)逆變失敗故障處理

楊 航，梁 杰

（吉林松江河水力發(fā)電有限責(zé)任公司，吉林白山 134500）

0 引言

勵(lì)磁系統(tǒng)是電機(jī)的核心，對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)都有著極為重要的影響。發(fā)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，為能夠讓其順利停止運(yùn)轉(zhuǎn)，必須進(jìn)行消磁，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的自動(dòng)消磁部件可以在最大程度上減少因故障造成的損失。發(fā)電機(jī)滅磁一般分成2 類：①利用逆變滅磁法使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常停止；②發(fā)生故障時(shí)滅磁方法可調(diào)整為保護(hù)動(dòng)作跳閘滅磁開(kāi)關(guān)[1-2]。當(dāng)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)停止時(shí)，滅磁是非常重要的操作。發(fā)電機(jī)發(fā)生滅磁故障，會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成嚴(yán)重威脅。自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)具有接線操作簡(jiǎn)易、運(yùn)行速度快、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。本文以某水電廠為例，分析自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)逆變失敗故障的影響因素以及發(fā)生原因，提出針對(duì)性解決措施。

1 自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)逆變失敗故障的發(fā)生狀況分析

2019 年3 月19 日18 時(shí)，某水力發(fā)電廠進(jìn)行緊急低油壓試驗(yàn)。緊急低油壓停機(jī)過(guò)程：監(jiān)視和檢測(cè)緊急低油壓信號(hào)，無(wú)緊急門落下標(biāo)記，濾波3000 ms。判斷緊急低油壓信號(hào)正確，打開(kāi)緊急壓力分配閥，打開(kāi)調(diào)速器緊急停機(jī)電磁閥閥門，切斷機(jī)組出口斷路器，打開(kāi)勵(lì)磁停機(jī)命令。在該項(xiàng)試驗(yàn)過(guò)程中，上位機(jī)報(bào)告變頻器故障信號(hào)和滅磁開(kāi)關(guān)子信號(hào)，就地勵(lì)磁系統(tǒng)盤柜檢測(cè)后，勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)出逆變器故障信號(hào)和滅磁開(kāi)關(guān)子信號(hào)，同上位機(jī)所發(fā)出信號(hào)呈現(xiàn)同一情況，勵(lì)磁系統(tǒng)通過(guò)電壓保護(hù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，機(jī)組依舊正常運(yùn)轉(zhuǎn)，逆變器滅磁失敗，滅磁開(kāi)關(guān)最終跳閘[3-5]。

2 自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)逆變失敗故障的原因與檢查

按照事故發(fā)生演練情況看，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的流程中模仿機(jī)組顯示低油壓事故操作后，閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)重現(xiàn)機(jī)組模仿事故的全部過(guò)程。機(jī)組的狀態(tài)從電力負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)變?yōu)闊o(wú)負(fù)荷狀態(tài)，隨后跳轉(zhuǎn)至正常停止運(yùn)行的環(huán)節(jié)中。當(dāng)機(jī)組從電力負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)變?yōu)闊o(wú)負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)在收到正常勵(lì)磁停機(jī)指令10 s后，發(fā)射逆變器故障信號(hào)，并使滅磁開(kāi)關(guān)跳閘[6]。

18 時(shí)47 分38 秒，機(jī)組跳閘，在跳閘之前，勵(lì)磁電流是2380 A。經(jīng)過(guò)跳閘環(huán)節(jié)后，機(jī)組平均功率迅速下降直至0，勵(lì)磁電流下降至2000 A。當(dāng)勵(lì)磁電流調(diào)整至1639 A 時(shí)，終端頻率為51.98 Hz。此時(shí)，若勵(lì)磁系統(tǒng)收到正常停止機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)的指令，控制器應(yīng)及時(shí)發(fā)出逆變器指令，指令整流柜控制角度調(diào)整至140°，勵(lì)磁系統(tǒng)啟動(dòng)逆變器滅磁。2.8 s 后，勵(lì)磁電流95 A，頻率至64 Hz，勵(lì)磁系統(tǒng)啟動(dòng)逆變滅磁，轉(zhuǎn)換過(guò)程不正常。由于逆變器故障，勵(lì)磁電流上升至138 A，端子頻率先上漲后降低，最大頻率可達(dá)以69 Hz。勵(lì)磁電流可保持在100 A 左右，逆變器滅磁10 s 后，端電壓不小于5%，發(fā)射出逆變器故障信號(hào)，滅磁系統(tǒng)（De-excitation System）開(kāi)啟機(jī)械開(kāi)關(guān)并聯(lián)移能滅磁。由此可以確定，在逆變器滅磁環(huán)節(jié)中，勵(lì)磁系統(tǒng)電流轉(zhuǎn)換裝置會(huì)發(fā)生傾覆，最終直接影響逆變器滅磁失敗。收到正常停止機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，逆變器故障主要有4 類原因。

（1）交流電源短缺或驟然消失。

（2）晶體閘流管道間斷，不連接[7]。

（3）觸發(fā)電路（trigger circuit）不穩(wěn)定，無(wú)法及時(shí)、精準(zhǔn)向各個(gè)晶體閘流管配置脈沖信號(hào)，如脈沖傳輸損耗、脈沖延時(shí)電路等，最終造成晶體閘流管無(wú)法正常換相。

（4）換相裕量角不足，導(dǎo)致?lián)Q相失敗。

使用以下故障排除方式能夠探查到變頻器故障的準(zhǔn)確原因。自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)交流電源失相或突然消失，這種情況發(fā)生概率較低，經(jīng)詳細(xì)檢驗(yàn)，勵(lì)磁變壓器和非節(jié)點(diǎn)刀門的高壓側(cè)和低壓側(cè)的連接螺栓沒(méi)有松動(dòng)，可以排除逆變器故障原因（1）[8]。

斷開(kāi)整流器可控硅交直流側(cè)的一次接線和吸收換向過(guò)電壓、電阻、電容二次回路接線。用萬(wàn)用表測(cè)量每個(gè)晶閘管正負(fù)極之間的電阻為450～750 kΩ，進(jìn)行上述接線操作之后，陽(yáng)極與控制電極之間的電阻為12～17 Ω。進(jìn)行勵(lì)磁靜態(tài)小電流開(kāi)環(huán)試驗(yàn)，應(yīng)用三相電壓調(diào)節(jié)器提供勵(lì)磁控制器的同步電壓信號(hào)，應(yīng)用數(shù)字示波器實(shí)時(shí)監(jiān)控波形[9]。進(jìn)行空載逆變器試驗(yàn)，手動(dòng)發(fā)射逆變器指令后，控制角α 從80°（空載角）變?yōu)?40°（給定逆變器角），勵(lì)磁電流與機(jī)端電壓顯示出正常降低走向，空載逆變顯示正常，表明精確計(jì)算控制器變頻器的給定角度。并且，整流器晶體管沒(méi)有故障，脈沖觸發(fā)電路正常運(yùn)轉(zhuǎn)，然后，可及時(shí)且準(zhǔn)確地調(diào)用發(fā)晶閘管。因此，基本排除逆變器故障原因（2）和（3），預(yù)先決定由轉(zhuǎn)流從容角發(fā)生變頻器故障。為再現(xiàn)此時(shí)故障現(xiàn)象，模擬故障發(fā)生條件，頻率40～70 Hz，變頻器正常時(shí)，向勵(lì)磁系統(tǒng)供給頻率變換功率，頻率接近68 Hz 時(shí)變頻器發(fā)生故障[10-13]。因此，逆變器故障原因是換相的裕量角不足，產(chǎn)生一系列觸發(fā)脈沖的延遲，導(dǎo)致反相器故障。

3 自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)逆變失敗故障處理策略

當(dāng)整流器處于逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)形態(tài)時(shí)，如果出現(xiàn)換相失控，外部電動(dòng)勢(shì)經(jīng)過(guò)晶閘管導(dǎo)致短路或輸送平均電壓與外部電動(dòng)勢(shì)串聯(lián)造成短路，又叫逆變器故障。當(dāng)π/2＜α＜π 時(shí)，整流器運(yùn)轉(zhuǎn)在逆變形態(tài)。從α=π 為測(cè)量初始點(diǎn)，從左側(cè)測(cè)量到觸發(fā)脈沖前沿的電角稱為反轉(zhuǎn)角，應(yīng)用β 示意，此時(shí)β=π-α。當(dāng)β＞γ 時(shí)，換相流程后C 相電壓依舊低于A 相電壓，因此當(dāng)換相終止時(shí)，VT3 可承受反向電壓而關(guān)斷。若β＜γ，換相未完成，電路運(yùn)轉(zhuǎn)形態(tài)至自然換相點(diǎn)P 時(shí)，A相電壓低于C 相電壓，繼續(xù)運(yùn)行的晶閘管VT1 由于承受反向電壓而再次關(guān)斷，使得應(yīng)關(guān)斷的晶體管VT3 不關(guān)閉，C 相電壓隨著時(shí)間推移而變高，起電的串聯(lián)連接導(dǎo)致變頻器故障[14]。

因此，為防止逆變器故障，逆變器的角度既不能設(shè)為零，也不能太低，需要限制最小允許角度?？刂破鬈浖捎媚孀兤骺刂平嵌鹊恼{(diào)整方法。如果頻率在65 Hz 以上，采用單位頻率的跟蹤方法，以防止因電容而相對(duì)的標(biāo)記角變大。在頻率大于65 Hz的情況下，將反相器控制角度調(diào)整為120°，在65 Hz 以下時(shí)，將反相器角度返回到140°。程序改良后，為了試驗(yàn)具備50～85 Hz的頻率變換電源，逆變器成功。由此，可以解決因端子高頻引起的逆變器故障問(wèn)題。整流器功率柜的選擇如下。

（1）正常整流器模式是三相半控制橋或全控橋。一般來(lái)說(shuō)，大多選擇全控件整流器橋接模式。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，大容量高參數(shù)的激勵(lì)功率柜也越來(lái)越完善。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，耐壓、規(guī)格電流、晶體管的穩(wěn)定性大幅提高，逆泄漏電流大幅降低。

（2）整流器橋梁的結(jié)構(gòu)越來(lái)越簡(jiǎn)化。整流器橋梁采用實(shí)現(xiàn)通常過(guò)電壓保護(hù)的RC 吸收電路，作為過(guò)大電流保護(hù)使用了高速熔絲。冷卻模式通常是空冷，水冷模式在電流非常大的時(shí)候被使用[15]。在相同同步、幅度和脈沖寬度的條件下，觸發(fā)脈沖可確保并行整流器的電流分配系數(shù)以達(dá)到理想狀態(tài)。

全控橋的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)全控整流器橋接器實(shí)現(xiàn)逆脫激勵(lì)，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和激勵(lì)整流器輸出電路之間設(shè)置脫勵(lì)磁開(kāi)關(guān)。并且，安裝脫激起電路的對(duì)應(yīng)線性或非線性的消磁耐性。作為事故觸發(fā)脫勵(lì)磁電路，可以使用脫勵(lì)磁開(kāi)關(guān)和脫勵(lì)磁電阻。利用電阻（非線性電阻）可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的過(guò)電壓保護(hù)。也可以采用其他過(guò)電壓保護(hù)方法。根據(jù)單位實(shí)際情況選擇保護(hù)方法更科學(xué)。

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁監(jiān)控器選擇：數(shù)字勵(lì)磁監(jiān)控器、半空氣橋激勵(lì)監(jiān)控器、單微控制器全控橋激勵(lì)監(jiān)控器和雙微控制器全控橋激勵(lì)監(jiān)控器分開(kāi)。單一微機(jī)全控橋勵(lì)磁監(jiān)控器具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)和高成本性能。然而，當(dāng)觸發(fā)脈沖之一發(fā)生故障時(shí)，可容易寫(xiě)入晶體管。由于半空中橋穩(wěn)壓器不存在這種現(xiàn)象，容易使可控硅變得無(wú)法控制。雙微計(jì)算機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是解決觸發(fā)脈沖問(wèn)題而不失去控制的最佳選擇。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著科技不斷發(fā)展，勵(lì)磁技術(shù)已然由直流電機(jī)勵(lì)磁發(fā)展至可控硅勵(lì)磁，在微機(jī)自并勵(lì)靜止可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流經(jīng)可控硅整流裝置整流后，由發(fā)電機(jī)端部的勵(lì)磁變壓器提供。自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器直接調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)端電壓或無(wú)功功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)。