数字式励磁系统接线故障判断及处理方法

(中船重工电机科技股份有限公司，山西太原 030027)

0 引言

随着发电机单台容量的增加，电压等级的升高，对发电机的控制部分尤其是励磁系统的要求也越来越高，数字式励磁调节器(目前大多选用Basler和ABB公司的产品)和相应的励磁器件合称为数字式励磁系统，以其具有的多种可选择的控制模式及相互间的无扰动切换(AVR、FCR、VAR、PF四种模式)、调节快速、灵活、准确，可通过通信总线串行接口(RS232、RS485、以太网)实现计算机和励磁调节器的通讯、在线更改设定程序、实时监测运行参数等多种优势赢得了市场和用户的认可，试验结果也表明，其性能指标完全满足产品规范及各大船级社的要求，是当下发电机励磁系统的首选。所以掌握其操作方法、常见故障判断及处理方法也是势在必行，根据多年调试及应用经验，总结了最典型、也是最易发生的电压互感器PT相序、电流互感器CT极性接线错误问题，通过理论和相位分析，得出对应工况的数值，方便操作者准确判断故障接线所在，及时处理，避免问题的进一步扩大。

1 典型接线错误故障判断及处理方法

现以一功率1500kW、电压6300V发电机为例，定义标准负载为：有功功率205kW(无功功率157kvar)、电流24A、功率因数0.8(滞后，相位角36.9°)；测量输入接线定义为：电压互感器PT二次侧U、V、W对应数字式励磁调节器(以下简称AVR)电压测量输入的A、B、C，电流互感器CT二次侧S1、S2对应AVR电流测量输入的I+、I-(根据AVR配置要求，电流互感器CT必须在发电机V相，功率因数角为B相电压与电流的夹角)；定义发电机及AVR测量正序为ABC，逆序为ACB。AVR的电参数测量界面见图1，发电机运行过程中，可实时监测发电机在各个状态下的电压、有功功率、无功功率、功率因数等数据。

图1 AVR电参数测量界面

1.1 工况一：发电机出线正序，发电机带前述定义的标准负载运行，AVR测量界面见图2，主要电参数计算过程见式(1)、式(2)、式(3)。

图2 AVR测量界面

图3 AVR测量界面

功率因数

PF=cos36.9°=0.7997

(1)

有功功率

(2)

无功功率

(3)

通过计算得出，AVR测量界面下各个电参数测量值与理论计算值、标准负载一致，励磁器件与AVR测量接线准确，AVR测量向量图见图3。

2.2 工况二：发电机出线正序，发电机带前述定义的标准负载运行，AVR测量界面见图4，主要电参数计算过程见式(4)、式(5)、式(6)。

图4 AVR测量界面

图5 AVR测量向量图

因为所有工况下发电机的励磁器件安装位置没有变化，即IB位置不变(图中α角仍为36.9°)，所以此时只能是B、C相倒了相序，即UB和IB的夹角β(为276.9°，但发电机运行时，真正的相位角只能是-90°～+90°之间，而此工况下产生的角度只有在接错线的情况下才会出现，实际上这种角度是永远不会存在的，下文如有跟这种情况类似，不再重复说明)即为AVR实测的电压和电流的相位角。

功率因数

PF=cos276.9°=0.1201

(4)

有功功率

(5)

无功功率

(6)

注：当AVR电压测量为负相序时，对有功功率无影响，对无功功率数值的正负有影响，影响系数为-1。

通过计算得出，AVR测量界面下各个电参数测量值与理论计算值一致(因为测量精度问题，测量数值略有差异)，但与标准负载差异大，原因为：电压互感器PT与AVR测量B、C相相序颠倒，导致AVR数据采集和计算出错，具体的AVR测量向量图见图5。

2.3 工况三：发电机出线正序，发电机带前述定义的标准负载运行，AVR测量界面见图6，主要电参数计算过程见式(7)、式(8)、式(9)。

图6 AVR测量界面

图7 AVR测量向量图

该工况下测量值全为负值(根据AVR设置要求，在测量功率因数PF时有underexcited和overexcited两种状态，underexcited定义为欠励即PF值为负，overexcited定义为过励即PF值为正)。只能是电流互感器CT极性改变，B相电流位置由IB+变为IB-，UB和IB的夹角β(216.9°)即为AVR实测的电压和电流的相位角。

功率因数

PF=cos216.9°=-0.7997

(7)

有功功率

(8)

无功功率

=×6300×24×sin216.9°=-157kvar

(9)

通过计算得出，AVR测量界面下各个电参数测量值与理论计算值、标准负载数值一致，但AVR测量均为负值，故障原因为：电流互感器CT极性与AVR电流测量极性相反，导致AVR数据采集和计算出错，具体的AVR测量向量图见图7。

2.4 工况四：发电机出线正序，发电机带前述定义的标准负载运行，AVR测量界面见图8，主要电参数计算过程见式(10)、式(11)、式(12)。

图8 AVR测量界面

图9 AVR测量向量图

该工况为上述2.3和2.4同时接错的问题

功率因数

PF=cos96.9°=-0.1201

(10)

有功功率

(11)

无功功率

(12)

通过计算得出，AVR测量界面下各个电参数测量值与理论计算值一致，但AVR测量均为负值且数值差异大，数值差异大的原因为：电压互感器PT与AVR测量B、C相相序颠倒，负值故障原因为：电流互感器CT极性与AVR电流测量极性相反，导致AVR数据采集和计算出错，具体的AVR测量向量图见图9。

2.5 工况五：发电机出线逆序，发电机带前述定义的标准负载运行，AVR测量界面见图10，主要电参数计算过程见式(13)、式(14)、式(15)。

图10 AVR测量界面

图11 AVR测量向量图功率因数

PF=cos157.1°=-0.9122

(13)

有功功率

(14)

无功功率

(15)

通过计算得出，AVR测量界面下各个电参数测量值与理论计算值一致，但与标准负载差异大，数值差异大的原因为：发电机逆序、电压互感器PT与AVR测量B、C相相序颠倒，导致AVR数据采集和计算出错，具体的AVR测量向量图见图13。

2.7 各工况数据总结见表1

表1 各项工况数据总结

从表中可以总结得出以下结论

(1)但凡有功功率、无功功率中的任一为负值、功率因数为欠励时励磁器件与AVR测量输入间肯定存在接线错误；且无功功率为负值时，肯定是功率因数超前及欠励；

(2)改变电压互感器PT的相序对有功功率的正负无影响，对无功功率的正负有影响且影响系数为-1；

(3)电流互感器CT的极性(或极性改变后造成相位角的改变)决定有功功率的正负；

(4)因励磁器件接线错误引起的AVR测量错误都可以通过确实相位角的方法来确定。

3 解决措施及实施效果

3.1 解决措施

针对接线问题引发的数字式励磁故障现象，建议按下述方法排查和解决

(1)发电机组动车前，按照接线图仔细检查各励磁器件和AVR的接线是否准确；

(2)动车后连接通讯软件，在空载状态下检查各电气参数是否与控制柜显示的参数一致；

(3)机组轻载运行，查看电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等主要电参数是否与 控制柜显示的参数一致；尤其是AVR测量界面下各功率值出现负值、功率因数欠励时，肯定有接线错误，需停机检查；可借助相序仪测量AVR进线的电压相序；

(4)对于并机或并网的多台发电机组，可通过施加同样负载的方法对比每台的测量数据，找出故障产品逐一排除；

(5)对出现的故障现象多总结，多分析。

数字式励磁系统造价高周期长，且大都采用国外进口部件，因接线错误引发的问题轻者发电机不能正常运行，重者烧毁励磁器件和AVR，给用户带来极大的经济损失，所以找出最佳的解决措施，方便操作者准确判断故障接线所在，及时处理，避免问题的进一步扩大。

3.2 实施效果

数字式励磁系统因接线错误引起的故障现象最为常见，针对具体的故障现象，借助本文列举的理论计算、测量界面和实际负载相比较、画具体的AVR测量向量图方法及时、准确定位励磁器件与AVR间错误接线的所在，及时更换和调整错误的接线端子，排除故障。