小浪底4号机励磁系统故障原因分析与启示

高凯阳，李银铛，陈 岭，丁 凯

（水利部小浪底水利枢纽管理中心，河南 郑州 450000）

0 小浪底水电厂概况

小浪底水电厂是河南电网最大的水力发电厂，装机容量6×300 MW，主要发挥调峰作用，当河南电网与华中电网解列运行时，担任主调频电厂，由于河南电网火电比例占90%以上，因此，小浪底水电厂对于维持河南电网稳定运行发挥了不可替代的作用。

1 励磁系统介绍

1.1 系统概况

小浪底水电站水轮发电机组单机容量为300 MW，发电机励磁装置采用瑞典ABB公司 (型号为FMTB822)双微机励磁调节器，发电机组起励采用交流起励，双微机冗余的自并激晶闸管静态励磁系统。励磁电源取自发电机出口开关内侧的励磁变压器，经三相桥式整流获得。发电机励磁系统设有两套互为备用的自动电压调节器(AVR)及励磁电流调节器(FCR)。正常停机和事故时的灭磁方式采用跳开FMK(灭磁开关)串入灭磁电阻(SIC)。发电机组的励磁系统组成包括励磁变压器、整流装置及双通道冗余励磁调节器、单断口磁场断路器及灭磁电阻等。

1.2 工作方式

发电机励磁系统采用三相全控桥式整流，2个功率柜互为备用。当发电机转速升至90%额定转速，磁场断路器合上，励磁调节器先检测备用功率柜桥的状况，再切换到主用功率柜桥运行。当主用桥退出运行时，可无扰切换到备用桥运行，确保不同运行方式全部连续运行；当主用和备用功率柜均发生故障时，自动跳发电机灭磁开关，切断励磁回路；当单柜风机电源消失、任一风机故障或风机电源过流时设置自动退柜并报警。

2 故障现象

某日19:43，4号机组出力283 MW，上位机报：4号机组励磁系统事故，4号机组事故停机执行。同时上位机执行4号机组出口开关黄4开关断开，4号机组执行事故停机流程。

事件造成4号机励磁系统一套整流桥中可控硅元件V1损坏，并被省调记为非计划停运。

3 原因分析

3.1 现象初步分析

“励磁系统直流侧短路”信号和“一套整流桥不导通”信号都是由励磁系统DSTS102板判断并触发的。DSTS102板是一块脉冲触发板，用于触发晶闸管启动整流回路。DSTS102板接收由阳极侧CT测量的转子电流值，并检测其中存在何种交流分量。

当直流侧出现短路时，转子电流中会出现与转子电压同频率的300 Hz的交流分量。DSTS102板检测到此交流分量，向励磁系统PLC发出“直流短路”信号，励磁系统跳闸。

当励磁电源发生缺相或者一个或几个可控硅故障不导通，转子电流会产生100 Hz交流分量。DSTS102板检测到此交流分量，向励磁系统PLC发出“整流桥不导通”信号，切换至第2套整流桥，如果还有“整流桥不导通”信号，则励磁系统跳闸。

小浪底电厂可控硅触发极与阴极间的正常阻值应为15 Ω左右。可控硅被击穿或者发生软故障等多种原因，都有可能导致可控硅触发极与阴极间阻值为零。不同的是，可控硅被击穿时，阴极和阳极同时被击穿，阻值为零，可控硅完全损坏。可控硅发生软故障时，经过一段时间，其各项参数会向正常值回复，但已属于病态，也不能够继续使用。

3.2 报警原因分析

励磁系统如果直流侧发生短路，短时间内会将整流桥及二次回路各种元器件烧毁，危及励磁系统安全，因此必须立即跳闸，保护元器件安全。

通过事后对可控硅V1进行测量，发现其触发极与阴极间阻值又恢复正常，但是，将可控硅晃动时，其阻值亦随之变化，这种现象可以排除可控硅被击穿的可能。

结合这些现象，分析存在两种原因可能导致以上问题发生:

（1）由于可控硅元件V1的触发极与阴极被击穿，则V1的触发脉冲被引入主回路，触发脉冲信号是高频信号，DSTS102板检测到此信号，认为励磁系统出现直流侧短路故障，立即跳闸。

（2）整流桥回路中有两个可控硅发生软故障，导致励磁系统发生直流侧短路报警。当所有报警信号被复归后重新试验时，有一个可控硅参数恢复，因此只检测到有“一套整流桥不导通故障”，而不再出现“励磁系统直流侧短路”报警。

3.3 现地检查及试验

维护人员到现地进行检查，发现除上位机所报报警外，4号机组励磁系统PLC上还有“直流短路”跳闸信号。经分析确定，这次跳闸是由励磁系统直流侧短路信号引起的。

将所有故障报警信号复归，机组开至水轮机状态，合灭磁开关建压，发现无法从二套整流桥切换至一套，PLC上有“一套整流桥故障”报警信号。经分析确定，“一套整流桥故障”报警是由于“一套整流桥不导通”信号引起的。

检查一套整流桥可控硅，发现可控硅元件V1的触发极与阴极之间阻值近似为零，其他可控硅的阻值为15.3 Ω，将V1更换后，4号机组励磁系统运行正常。

4 结语

电厂设备纷繁众多，每一个设备都关乎电厂的安全稳定运行，运行值班员应该充分调动主观因素，同时，进一步加强和完善监测手段，强化设备全生命周期管理，细化控制设备，注重冗余设计，优化设备控制和切换逻辑，同时做到以下几个方面：

（1）经常性的检查设备健康状况，发现异常进行更换；

（2）完善监控手段，加强对设施设备的监控，及时掌握设备状况，遇到问题及时切换；

（3）完善设备切换逻辑，检测到故障后应及时切换至备用系统，防止设备带病运行，从而将事故扩大；

（4）定期对可控硅等关键元件参数进行检测；

（5）加强对设备的生命周期进行分析，在寿命达到极限前及时进行更换。