那降水电站励磁系统故障的检查与处理

杨鸿锋，陈炳森，唐正权，严欣婷

（广西水利电力职业技术学院，南宁 530023）

1 工程概况

那降水库位于广西南宁市隆安县右江支流那降河上，距离县城6 km，建于1960 年，库容1880 万m3，集雨面积63 km2，主要负责县城供水和下游农田灌溉。那降水电站厂房位于水库主坝之后，始建于1978 年，2015 年12 月完成增效扩容改造，共安装3台单机容量200 kW 的混流式低压水轮发电机组，总装机容量600 kW，电站额定水头17.7 m，额定流量4.41 m3/s，尾水排至灌渠和下游。

电站改造后的电气主接线如图1 所示，3 台机组出口电压均为400 V，经出口断路器、隔离开关后并接至1#主变压器低压侧，经主变升压至10 kV，再经熔断器、负荷刀闸后“T”接至电站附近的10 kV那降线并入隆安县农网。2#站用变负责电站厂房及水库管理所用电。

图1 那降水电站电气主接线

那降水电站采用控制、保护、励磁、开关一体化屏外加调速装置实现机组控制功能[1]，发电机采用自并励的晶闸管励磁调节控制方式，励磁用的励磁变、晶闸管及二极管模块、励磁调节器以及相应开关仪表均集中在一体化屏内，属于单机容量800 kW以下农村小型水电站低压机组常用的励磁方式。

那降水电站新发电机并网运行后，多次出现无法起励建压，发电机励磁电流、励磁电压以及输出电流大幅度摆动，发电机集电环的滑环与碳刷接触处出现较大火花等典型励磁故障现象，直接影响到机组的发电运行和电站的生产安全，现结合上述故障的处理，总结并介绍小型水轮发电机励磁故障的检查与处理办法。

2 发电机励磁回路工作原理

那降水电站发电机励磁回路如图2 所示，由励磁主电路、起励回路、励磁自动调节控制单元等组成。

2.1 励磁主电路

由空气开关QF1、励磁变压器LB、主熔断器FU5～7、三相半控桥式整流电路（二极管D1～3、晶闸管VT1～3及相应的过压RC保护组成）、整流电源输入端过压保护（熔断路FU1～3、压敏电压RF1～3 组成）、整流电源输出端过压保护（熔断器FU4、压敏电阻RF4组成）、灭磁二极管D4组成。

2.2 起励电路

由开关QF2、起励控制开关SA、中间继电器ZJ、整流二极管D5 等组成，开机时可通过此回路实现发电机起励升压，一旦发电机建压成功，ZJ动作，其常闭触点将起励回路切断，由励磁调节器实现发电机的自动励磁调节控制。

2.3 励磁自动调节控制单元

励磁自动调节控制单元包括电压互感器TV1、励磁调节器、发电机电流反馈用电流互感器TA 和电阻Rf 等组成。发电机出口端A、B、C 三相电压经熔断器FU8～10 输入到三相测量电压互感器TV1，其Y形接法输出A1、B1、C1、N1（线电压41.6V）接至DKL-11 型励磁调节器端子，一是为励磁调节器提供工作电源；二是为晶闸管提供同步控制基准信号，以实现晶闸管导通角的精准控制。另一组△接法输出A2、B2、C2（线电压17V）接至发电机励磁测量端子，其中，发电机C相电流经电流互感器TA1、TA2两次转换后并至Rf 两端，所形成的电压叠加在B2电压回路中，从而形成发电机电流反馈，让励磁调节器在发电机负荷增减时自动增减发电机励磁电流。

图2 那降水电站发电机励磁原理图

励磁调节数字电位器用于调节发电机的励磁电流，从而实现并网前发电机电压调节和发电机并网后无功功率调节，也可通过安装在一体化屏上的按钮SB1、SB2实现励磁电流调节。

励磁调节器根据所测量到的发电机电压（B 相含电流反馈值）和给定值计算出励磁电流调节值，结合同步控制基准信号自动生成三相晶闸管的触发控制信号G1～3 输出至VT1～3 的触发端子，实现对三相半控桥式整流电路输出电流的控制。

整流电路输出的直流电经分流器FL 和励磁电缆接至发电机集电环的碳刷处，再由滑环引至发电机转子的励磁线圈，一体化屏上安装的电流表A和电压表V用于显示励磁电流值和电压值。

3 那降水电站发电机故障的原因

那降水电站自并网运行后，多次在长时间停机后集电环与碳刷的接触面生锈（集电环材料存在质量问题），导致发电机工作时集电环与碳刷接触不良，在集电环处出现火花、励磁电流和空载电压不稳定等现象，需要进行除锈处理才能正常工作；两次出现无法起励建压情况，一次是运行人员在拆除集电环励磁电缆处理集电环锈蚀问题后，回装时将正负极电缆装反，发电机转子剩磁消失而无法建压，一次是长时间停机后，发电机开机时残压过低而无法建压；出现过一次C相晶闸管控制极导线在端子处接触不良，导致发电机并网后励磁电流及发电机输出电流大幅度摆动、发电机内部出现异常尖叫声的严重事故，直接影响到机组的安全。

那降水电站发电机上述故障，在小型水电站中较为普遍，如何在故障发生后，更快更准地找出故障原因和故障部位，需要掌握故障排查及试验方法，下面结合图2的励磁原理图，介绍那降水电站发电机励磁故障排查及试验的方法。

4 发电机典型励磁故障排查及试验方法

小型水轮发电机常见的励磁故障包括发电机无法起励建压、发电机集电环出现火花、发电机工作声音异常、空载励磁不稳定、空载电压不稳定或无法调至额定电压、并网后励磁电流不稳定等，可从以下几个方面进行排查。

4.1 发电机绝缘电阻的检测与处理

发电机一旦出现上述故障，应先检查并测量发电机定子及转子线圈的绝缘电阻。对于400 V的低压发电机，先拆除其对外连接电缆，再使用500 V兆欧表测量发电机定子线圈相间及对地、转子线圈对地的绝缘电阻，所测绝缘电阻均不小于0.5 MΩ，如果绝缘电阻为零或过低，说明发电机线圈及其引线绝缘有破损，甚至出现了短路或接地，必须进行维修才能使用；如果仅是绝缘电阻偏低，说明发电机受潮，应先进行烘干处理，待绝缘电阻恢复正常后再使用。

4.2 发电机集电环出现火花故障的检查与处理

发电机集电环出现火花故障的原因大多是因为机组长时间停机后，滑环与碳刷的接触面生锈，或者机组长时间运行后，造成滑环表面磨损不均匀，与碳刷接触面出现沟痕，导致滑环与碳刷接触不良，在发电机工作时产生火花，同时励磁回路电阻不断变化，造成励磁电流波动，影响到机组的安全和稳定运行。

因此，在日常运行维护工作中，要注意检查集电环部位，及时清扫日常运行产生并累积在集电环处的碳粉，以免因空气潮湿导致转子励磁回路绝缘电阻下降甚至短路；定期或不定期采用120 目粗砂纸打磨滑环表面，一是去锈，二是修复滑环表面损伤，确保滑环与碳刷接触良好。

4.3 发电机无法起励故障的排查及处理

自并励发电机励磁电压需要以发电机转子磁极剩磁为基础来建立[2]，并通过起励回路来实现，因此，发电机无法起励故障排查应先按上述方法排除发电机定转子内部、励磁主电缆连接以及集电环处的问题，如属正常，则应是发电机起励回路故障或发电机剩磁不足的问题。

根据图1接线，正常开机空转时，发电机定子线圈会切割转子磁极剩磁形成的旋转磁场，感应出三相交流电动势，简称“残压”，当发电机转速达到额定转速时，残压一般达到7 V（线电压）以上，此时合上QF2，把SA转至“起励”位，发电机出口的残压UBC经D5进行半波整流后直接送至发电机转子励磁绕组，从而形成励磁电流，迅速增强转子磁极的磁场强度，发电机的出口电压也就迅速上升并给励磁主回路、励磁调节器提供了工作电源，最后由励磁调节器调节控制发电机出口电压在额定电压附近，实现发电机的自并励建压。

正常开机空转时，使用万用表检测发电机出口的残压，如达到7 V 以上也无法建压，则重点按图2排查起励回路各元件的完好性和起励回路内部接线的可靠性；如果残压偏低无法建压，可能是发电机长时间停机，发电机转子磁极剩磁不足，此时在发电机空转情况下，临时采用12 V 蓄电池，将其正负端短时接至励磁电缆的正负端（图3 中的L+、L-处，不能采用固定连接方式，以免发电机起励成功，过高的励磁电压接至蓄电池导致设备损坏），使用外部直流电源来起励，发电机正常工作后，发电机转子磁极的剩磁会恢复起来。

在实际故障处理中，也碰到维护人员将励磁电缆正负端在集电环处回装时接错了极性，导致发电机起励时，起励电流对转子磁极剩磁产生了去磁作用，残压会越来越低直至为零，此时只能采用上述方式，外接蓄电池辅助发电机起励实现建压。

4.4 发电机空载励磁不稳定故障排查及处理

发电机在空转状态下能起励，但起励后励磁电流、励磁电压不稳定，常伴随着发电机电磁声音异常，发电机出口电压不稳定或电压过低、无法调至额定电压等现象。为了更好地缩小故障排查范围，找出故障原因，可采用模拟发电机工作的试验方式进行，接线如图3，方法步骤如下:

（1）在一体化屏内拆除发电机出口电缆A、B、C三相接线以及励磁电缆L+、L-两根接线，确保发电机定子、转子与外部连接断开；采用3根导线旁路短接发电机出口断路器QF；在励磁出口端并接一个2 kW电炉丝用作发电机励磁的模拟负载R，见图3。

（2）合上QS，将电网的电倒送至发电机出口断路器下方，发电机励磁调节控制回路获得工作电源并处于励磁自动调节控制状态，其控制的三相桥式整流电路输出的励磁电流经模拟负载R构成闭合回路，让励磁调节控制回路工作于发电机工作的模拟状态，并可通过增/减磁操作实现励磁电流的调节。

（3）使用万用表检测熔断器前后电压、励磁变LB 低压侧电压、整流桥输入三相电压、3 个晶闸管触发电压、电压互感器TV1 输出电压、励磁输出电压与正常工作电压进行比对和判断。

（4）如果在模拟状态下，励磁电流稳定可调，那说明故障原因不在一体化屏内，而是发电机内部故障或集电环处接触不良等原因引起的；如励磁电流也不稳定，则可能是熔断器熔断、某一晶闸管或二极管损坏、励磁调节器内部故障导致某一相没有触发脉冲信号、励磁调节电位器故障导致其输出给励磁调节器的控制信号不稳定等原因引起，此时可通过模拟工作状态下各处电压信号的检测和比对找到故障元件，特别是能快速判断出是否励磁调节器的内部故障，提高检修的效率。

4.4 发电机带负载励磁不稳定故障排查及处理

如果发电机在空载下起励及建压正常，工作稳定，在并网带负载运行时出现励磁电流不稳定、发电机无功功率不断变化、发电机电磁声音异常的现象，此时应重点考虑与带负载运行有关的设备或元件出现了故障，根据图2和发电机工作原理，可能的原因有:

（1）反馈电阻Rf 接触不良或电流互感器TA 故障，引起励磁调节器检测到的B相电压不稳定，影响到B相晶闸管的控制，最后导致励磁电流不稳定故障的出现。

（2）发电机内部存在故障，空载和并网时，发电机工作声音均与平常有较大差别，甚至会有火花出现。

（3）发电机外部故障，包括三相负载电流不平衡、中性点电流过大等原因。

图3 那降水电站发电机励磁故障排查试验接线图

5 结语

小型水电站发电机励磁系统是水电站机组故障率较高的设备，本文结合那降水电站发电机励磁系统故障的维修，介绍了水电站低压发电机励磁系统的结构及组成，总结了典型故障的排查及分析处理方法，在难以快速甄别发电机内部及其引出线故障还是励磁调节控制部分故障的情况下，提出了发电机励磁系统模拟试验方法，使用模拟负载和电网电压来对励磁调节控制部分进行试验，为故障判断提供良好的检测条件，可帮助维修人员快速判断发电机励磁系统故障的部位或元件，可在小型水电站中推广使用。