大型蓄能機組滅磁開關合閘異常分析及處理

董俊杰，竇博文，余 濤，李 青，俞家良，陳創(chuàng)佳，李重陽

（1.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司檢修試驗分公司，廣東省廣州市 511442；2.深圳蓄能發(fā)電有限公司，廣東省深圳市 518116）

0 引言

作為抽水蓄能機組勵磁系統(tǒng)的重要組成部分，滅磁開關（又稱磁場斷路器）對機組安全穩(wěn)定運行的重要性毋庸置疑[1]。滅磁開關在機組正常行動中，是勵磁系統(tǒng)功率單元與轉(zhuǎn)子繞組導通和關斷的唯一通道[2]；其在勵磁系統(tǒng)滅磁過程中也起著非常重要的作用，作為一種移能型開關，滅磁開關本身并不消耗能量，而是將磁場能量轉(zhuǎn)移到滅磁電阻中衰耗掉[3,4]。因此，滅磁開關能否在機組運行或故障時靈敏可靠地動作，對于保證機組安全和區(qū)域電網(wǎng)穩(wěn)定意義重大。

此外，對于日調(diào)節(jié)型抽水蓄能電站機組而言，運行工況復雜多樣[5]，機組啟停一次滅磁開關合分兩次，且日啟停頻繁，滅磁開關動作次數(shù)亦相應增加[6,7]，因此，其滅磁開關性能面臨的考驗較常規(guī)機組而言也更加嚴峻。本文結(jié)合某大型抽水蓄能電站機組在啟停過程中，發(fā)生滅磁開關合閘異常導致機組正常啟停失敗的情況進行原因分析和查找，最終提出解決方法并驗證其有效性。

1 故障介紹

1.1 勵磁設備

某大型抽水蓄能電站發(fā)電電動機型號為：SFD300-14/6630，主要參數(shù)如表1所示，其勵磁設備采用ABB公司UNITROL 6800靜態(tài)勵磁系統(tǒng)，由調(diào)節(jié)控制單元、整流單元、滅磁及過壓保護回路、交流側(cè)斷路器和勵磁變壓器等組成。其中，滅磁開關采用瑞士賽雪龍公司型號為HPB 45M-82S高速單斷口直流斷路器，額定電壓2000V，額定電流4500 A，合閘線圈額定電壓DC 220V，具有快速分閘、恒定弧壓、雙分閘線圈可靠分閘等特點，其結(jié)構如圖1所示[8]。

圖1 HPB 45M-82S開關結(jié)構Figure 1 The structure of HPB 45M-82S

表1 發(fā)電電動機主要參數(shù)Table 1 Main parameters of generator motor

1.2 故障情況

勵磁開關合閘異常情況在機組不同運行工況均有發(fā)生，雖頻次不多，但仍給電站生產(chǎn)造成一定影響。因該類故障現(xiàn)象基本一致，以某次機組泵工況停機投電制動過程中滅磁開關合閘失敗，引發(fā)勵磁系統(tǒng)故障，進而導致機組電氣事故停機為例說明。

某日08：01，3號機停泵過程中勵磁系統(tǒng)故障導致機組電氣事故停機。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)在停機過程中，電氣制動、勵磁投入后，滅磁開關合閘約150ms后分開，觸發(fā)機組電氣事故停機。截取事故時部分監(jiān)控記錄的事件日志情況如表2所示，從表中可以看出滅磁開關在合閘時，出現(xiàn)了合位信號抖動的情況。

表2 事故時的事件日志Table 2 The eventlog of the accident

2 故障排查

2.1 回路檢查

事故后，檢查滅磁開關本體及二次合閘控制回路各元器件，開關本體航空插頭內(nèi)的插針及接線均良好，二次回路絕緣正常，各端子亦無松動跡象，各元器件檢查均未發(fā)現(xiàn)明顯異常。對開關本體合閘線圈電阻進行測量，其阻值為40.8Ω（標準值：39 ± 8%，環(huán)境溫度20℃），滿足要求。回路及開關本體檢查并未確定故障原因，考慮復現(xiàn)故障，通過錄波器錄取故障關鍵信息加以分析判斷。

2.2 故障錄波

根據(jù)上述故障現(xiàn)象，選擇將接入監(jiān)控的開關本體合位信號（即常開觸點，回路電壓24V DC）及合閘線圈電壓信號接入錄波儀，如圖2所示。圖中Q02為滅磁開關編號，其分合閘線圈正向得電合閘，反向得電分閘。通過程序控制滅磁開關合分閘，并錄取上述信號波形。通過多次分合試驗，最終復現(xiàn)一次故障并錄取波形，正常合閘時的錄波情況如圖3所示，合閘異常錄波情況如圖4所示。

圖2 錄波信號選取Figure 2 Recording signal selected

圖3 正常合閘錄波Figure 3 Normal closing recorded wave

圖4 異常合閘錄波Figure 4 Abnormal closing recorded wave

從合閘成功波形可以看出，合閘線圈得電持續(xù)時間184.0ms，合位信號在線圈得電150.0ms后出現(xiàn)，即在合位信號出現(xiàn)后34.0ms撤掉合閘線圈電壓，多次合閘成功的波形類似，合閘線圈得電持續(xù)時間均在180.0 ～ 190.0ms。而合閘失敗的情況，合閘線圈得電持續(xù)時間167.2ms，合位信號也在線圈得電149.2ms后出現(xiàn)，即在合位信號出現(xiàn)后18.0ms撤掉合閘線圈電壓，但撤掉合閘線圈電壓146.0ms后合位信號消失，開關未合上。此外，從兩次試驗錄波還可看出，在合位信號第一次出現(xiàn)后的約5ms內(nèi)均存在抖動情況，與監(jiān)控事件日志基本一致。

綜合查閱的相關技術資料和開關動作原理分析，滅磁開關在合閘時的抖動，是由于開關在合閘過程中作用力較大，推桿在推動動觸頭及輔助觸點的運動行程中產(chǎn)生的正常現(xiàn)象，并不影響開關的正常使用。此外，關于在正常、異常合閘情況下，合閘線圈加壓時間差異的問題，經(jīng)核查勵磁系統(tǒng)相關程序后發(fā)現(xiàn)，合閘信號返回的條件是合位信號出現(xiàn)，出于保護線圈，延長線圈使用壽命之目的，在合位信號出現(xiàn)后將合閘線圈電壓撤掉；如合位信號不出現(xiàn)，勵磁系統(tǒng)將在達到設定的時間保護定值（1.4s）后，發(fā)令撤掉合閘線圈電壓（圖2中繼電器K10失磁）。

3 原因分析

根據(jù)上述故障錄波情況分析，不排除如下可能的情況：在滅磁開關合閘過程的最后一段行程時，開關雖未合閘到位，但合位信號已經(jīng)出現(xiàn)，勵磁程序在收到合位信號后撤掉合閘線圈電壓，動觸頭在最后一段行程時因合閘線圈失電而失去動力，導致合閘失敗。

據(jù)此，查閱滅磁開關手冊，其合閘特性曲線（環(huán)境溫度25℃）如圖5所示[8]，圖中A為合閘線圈電流，B為主觸頭，C為常開輔助觸點，D為常閉輔助觸點。從合閘特性曲線圖可明顯看出，在開關合閘過程中，其常開輔助觸點先于主觸頭合上（ta

圖5 合閘特性曲線Figure 5 Closing characteristic curve

綜合上述分析及多次合閘試驗結(jié)果，基本可得出如下結(jié)論：本次滅磁開關合閘異常，主要是由于合閘線圈帶電時間過短，存在一定概率會出現(xiàn)，在主觸頭尚未達到合閘穩(wěn)定狀態(tài)而合位信號已出現(xiàn)的情況下，勵磁系統(tǒng)收到合位信號后跳開合閘線圈，主觸頭在即將接近合閘穩(wěn)態(tài)時因合閘線圈失電而失去合閘動力返回，致使合閘失敗。

4 處理措施及驗證

4.1 處理措施

根據(jù)滅磁開關手冊建議，合閘脈沖持續(xù)時間宜設置在0.5～1s[8]；而勵磁程序通過合位信號來關閉合閘脈沖的邏輯，使得合閘線圈帶電時間最長也不足0.2s，這與滅磁開關廠家的要求不符。經(jīng)反復研究并征得設備廠家許可后，最終提出通過增加勵磁程序延時予以解決——在合閘過程中，勵磁系統(tǒng)在收到滅磁開關合位信號后延遲400ms再撤去合閘脈沖，即將合閘脈沖寬度在原邏輯基礎上增加400ms。

4.2 驗證

在對一臺機組的勵磁系統(tǒng)相關程序修改后，進行了150余次的合閘試驗，均未出現(xiàn)合閘失敗的情況，每次的錄波結(jié)果差異不大，如圖6所示。合閘線圈在帶電152ms時，勵磁系統(tǒng)在收到合位信號，然后延時408ms撤掉合閘線圈電壓，合閘線圈在整個合閘過程中帶電約560ms，滿足滅磁開關使用要求。

圖6 程序修改后正常合閘錄波Figure 6 Normal closing recorded wave after program modified

經(jīng)上述處理后的機組在隨后的一段時間運行效果理想，合閘異?，F(xiàn)象再未出現(xiàn)，鑒于此，對剩下的三臺機組做了同樣處理。全廠四臺機組的勵磁程序修改至今，已累計啟停兩千余臺次，四臺滅磁開關累計動作近五千臺次，但同類型的合閘失敗情況未再復發(fā)。

試驗及實踐均證明，增加合閘脈沖寬度的解決方法是行之有效的，既保證了滅磁開關合閘的可靠性，又在一定程度上避免了合閘線圈帶電時間過長影響使用壽命的問題，同時也提高了電站機組運行的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

文章針對一起滅磁開關合閘異常現(xiàn)象，從多個角度入手排查故障原因，最終找到問題的癥結(jié)所在，提出有針對性的解決辦法，并經(jīng)試驗和實踐證明是切實可行的。本文從側(cè)面反映出主設備廠家對所引入的設備了解不深，對設備特性把握不足，易導致設備間協(xié)同工作時出現(xiàn)不暢的現(xiàn)象；此外，對于使用賽雪龍公司該類型開關的用戶而言，本文經(jīng)驗教訓亦具有一定的借鑒和參考意義。