水津水电站励磁系统灭磁开关烧损事故原因分析及处理

王益民

(中国葛洲坝集团国际工程有限公司，北京 100022)

1 概述

水津水电站位于缅甸距仰光市东北约183 km处的白果省水津镇附近的水津河上，安装4台单机容量20 MW的混流式水轮发电机组，发电机额定电压11 kV，额定励磁电压148 V，额定励磁电流654 A，空载励磁电压55 V，空载励磁电流357 A，励磁变压器副边电压280 V。在该电站首台机(4号机)励磁系统现场调试过程中，跳灭磁开关快速灭磁时发生了灭磁开关触头和灭弧罩烧损事故。

2 励磁系统灭磁原理

水津水电站励磁系统按照国内常规设计方案进行设计，灭磁回路如图1所示。

图1 灭磁回路原理图

图1中的UZ为整流桥输出电压;UL为灭磁电阻的导通电压;UK为灭磁开关的弧电压。

正常情况下的灭磁不跳灭磁开关，而是利用可控硅的续流特性，将转子中的能量逆变入系统，从而达到灭磁的目的。这种灭磁方式转子的能量释放的比较慢，需要的时间相对较长，一般需要0.5 Tdo’(发电机定子开路转子时间常数)。

当电站系统出现故障时，为了保护设备，需要通过跳灭磁开关进行快速灭磁。跳灭磁开关进行灭磁的工作条件是UK＞UL+UZ，这样跳灭磁开关快速灭磁时，灭磁电阻导通，转子能量将消耗在灭磁电阻中。如果UK＜UL+UZ，则灭磁开关动作后，灭磁电阻不会导通，转子能量不能转移至灭磁电阻，而是消耗在灭磁开关断口处，从而有可能造成灭磁开关触头和灭弧罩烧损。

3 我国励磁系统灭磁设计原理的发展

我国对励磁系统设计原理的认识经历了比较长的过程。在上世纪葛洲坝水利枢纽工程中，励磁系统在快速灭磁时靠灭磁开关燃弧来消耗转子能量达到灭磁的目的，其结果是经常烧损灭磁开关触头。后来，我国技术人员进行技术攻关，在灭磁回路中增加了如图1所示的灭磁电阻RV。灭磁电阻实际上是一个压敏电阻，当加在其两端的电压没有达到其导通电压时，电阻很大，几乎不导通。跳灭磁开关进行快速灭磁时，如果在灭磁开关断口上建立起的弧压足够高，就会使灭磁电阻导通，在发电机转子与灭磁电阻之间建立起电流回路，将转子能量消耗在灭磁电阻中，从而减少了灭磁开关的燃弧时间，保护了灭磁开关;再后来，为了进一步降低灭磁开关的燃弧电压，采用了在灭磁回路中引入交流电源，通过一定延时，使得交流电源的电压负半波与灭磁回路中的直流电压相叠加，从而降低了灭磁开关断口电压，尽快熄灭了灭磁开关断口电弧，达到保护灭磁开关的目的。

4 此次励磁系统事故原因分析

缅甸水津水电站励磁系统灭磁电阻选取的导通电压为840 V，没有采用引入交流电源的灭磁方案。设计时，灭磁开关断口承受的弧压为:

(1)空载时跳灭磁开关，灭磁开关断口承受的弧压为895 V;

(2)额定运行时跳灭磁开关，灭磁开关断口承受的弧压为988 V。

水津水电站励磁系统灭磁开关选取的是由ABB公司生产的ABB SACE E1系列的E1B/EMS 1250型交流开关，铭牌上标明的额定电压为1 000 V，电流1 250 A。在现场调试时发生了灭磁开关触头和灭弧罩烧损的事故后，经过分析，认为造成此次灭磁开关触头和灭弧罩烧损的原因应当是在设计选型时对ABB生产的E1B/EMS 1250型交流断路器的直流灭弧能力认识不足。

ABB SACE E1/E2/E3/E4系列断路器本为三相交流系统所用，三断口或四断口，三极或四极，标称额定电压750～1 000 V，后经小幅结构改造作为直流开关使用。由于其外观精巧、价格相对低廉，常被推荐到中小型水电机组励磁系统作为磁场断路器使用。用作直流磁场断路器的断口接法一般为3～4断口串联使用，标称额定电压750 V(三断口)或1 000 V(四断口)。此处所说的标称额定电压仅指断口额定电压绝缘水平，而ABB官方说明书样本资料对断口弧压或遮断电压并无说明。按照SACE系列开关单断口弧压为250 V推算，多断口串联实际有效弧压或遮断电压低于1 000 V。考虑到串联断口分断时的固有时差(ms级)和不同步性，断口串联有效弧压实际上应低于750 V，根 本不足1 000 V，不具备1 000 V的建压能力，实际弧压应不高于750 V。而低于上述灭磁电阻导通须由灭磁开关断口提供895 V和988 V弧压的要求，因此灭磁电阻并未导通，转子能量不能顺利地转移到灭磁电阻中消耗掉，大部分还是由开关断口燃弧进行消耗，从而造成了开关的灭弧栅及触头损伤。

有些电力设计院的电气设计人员和使用单位对励磁系统磁场断路器性能的关键指标认识不清晰，认为只要额定电压或绝缘电压大于额定磁场电压或强励顶值电压即为可用。而实际则不然，依据ANSI/IEEE C37.18《旋转电机用封闭型磁场放电断路器标准》，磁场断路器的电压参数中更为关键的是弧压/遮断电压指标。

5 问题的解决

由于水津水电站远在国外，从国内重新采购能够承受更高弧压的开关需要的时间较长，不能满足现场工期要求，因此，经分析、研究，决定采用不更换现有灭磁开关，而在灭磁回路中引入交流电源，重新选用导通电压(700 V)较低的灭磁电阻，在灭磁控制回路中加上延时继电器(约延时20～30 ms)，跳灭磁开关前切除功率柜脉冲，延时20～30 ms后再跳灭磁开关，进而达到使交流电压负半波与灭磁开关弧压叠加，降低灭磁开关两端的电压，又使得灭磁电阻能够在较低电压(700 V)下导通，达到消耗转子能量、快速灭磁的目的。

采用交流灭磁方案，在灭磁开关动作时，触头上承受的电压为Uk=UL－。缅甸水津水电站励磁系统采用交流灭磁方案后，几种状态下跳灭磁开关时，忽略灭磁电阻在不同电流时的电压变化值(单组ZnO10A至100 A大致有70 V的差异)，灭磁开关断口承受的弧压分别为:

(1)空载跳灭磁开关时承受的最低弧压:

(2)额定状态下跳灭磁开关时承受的最低弧压:

(3)空载误强励时跳灭磁开关承受的弧压:

(4)强励时跳灭磁开关承受的弧压:

(5)发电机三相短路时跳灭磁开关承受的弧压:

通过以上计算可以看出，采用交流灭磁技术后，在以上五种情况下，灭磁开关断口所承受的弧压在106～700 V之间，低于750 V，处于安全范围内。

6 结 语

缅甸水津水电站励磁系统灭磁开关在现场调试过程中发生灭磁开关严重拉弧、烧损灭磁开关触头和灭弧罩的根本原因是设计选用的灭磁开关建压能力不足(弧压偏低)所致。在励磁系统灭磁开关选型时，不论是否采用交流灭磁技术，确保灭磁开关有足够的弧压、正确选择灭磁电阻的导通电压才是保证灭磁开关安全灭磁的可靠方法。