600 MW发电机组励磁系统故障分析

李虎城

（浙江华业电力工程股份有限公司，浙江宁波 315800）

我国电力建设事业不断发展，目前国家电力系统已正式步入大电网、高压、大机组阶段。现阶段，大容量、高参数热点机组发电机主要以同步发电机为例，励磁系统则是以同步发电机为重要构成部分。大容量机组自身操作稳定性对安全运行有直接影响，励磁系统是发电机稳定性主要影响因素，不仅能够对发电机组实施无功率电压调节，同时也能够为电网安全性提供有力保障。

1 600 MW机组励磁变故障诊断

1.1 故障现象

（1）发电机转子过电压故障。

此故障主要表现在合闸过程中，按下合闸按钮后，出现转子过电压报警现象。根据显示的报警码，检查转子回路故障后，根据检查波形，判断励磁开关桥式整流器输入、输出回路正常，检查转子回路及绕组，接线及绝缘电阻无异常现象。经过检查、更换和测试电路板之间的导线，上述故障仍然存在[1]。

（2）励磁电压突变。

针对励磁电压突变，在相对较慢的限制函数下，对发电机的无效电力发生器没有起到限制性作用，为了有效减少上述故障的保护和损失，应对低激励限制采用调整措施。增加值，实现对无功功率降低问题的限制，具有较好的稳定性，但是效果慢；利用无功功率闭环的方式调整低激励限制动作开关，在上述调整过程中，需要参照无功功率将上述数值调整为正常。

（3）瞬时过电流激发故障。

瞬时过电流激发故障原因主要为电弧现象导致短路，表现为机械的末端接地而逐渐消耗故障的能量。通过高速短路保护功能，可以保护内部短路、整流输出短路、发电机三相或单相短路的瞬变过程。由于脉冲丢失，整流柜发生异常，保险丝和冷却系统正常工作，主要是因为发生脉冲损失接口板整流桥整流柜和纠错板断面等现象，导致通信故障[2]。

1.2 励磁系统故障原因分析

（1）设备质量问题。

发电机励磁碳刷由于生产厂家不同，质量差别较大，表现为碳刷杂质和颗粒不均匀，增加了运转过程摩擦产生火花的概率。如果碳刷与滑环间存在缝隙，造成碳刷接触不良等问题，影响励磁碳刷电流均匀性，甚至可能导致电流较大的碳刷高温烧损。

（2）维护检查工作。

在检查过程中，转子和电缆输出的扭转出现问题，产生转子电位和激励电源方向相反的情况，励磁失败概率变高。上述问题影响励磁装置的电源和发电机的励磁电压和变压器整流等稳定运行，降低发电机的运行效率。主要是因为励磁绕组过载保护根据逆时间动作基准响应励磁绕组的平均加热状态，调整发电机转子过载能力缺陷[3]。设置在高压或低压侧的励磁变压器，主电路发生故障时，长时间的延迟导致发电机转子的绝缘电阻，降低了转子对接地保护的响应速度，转子的接地电阻判定接地条件时，主电路的短路故障无法起到保护作用。主要表现为发出警报信号、切换频道、跳过励磁开关等故障现象，需要维护人员到现场记录故障代码[4]。

2 实例概述

某发电企业拥有600 MW国产超临界机组2台，发电机为上海汽轮机有限公司所生产，型号为QFSN-600-2，配备ABB公司生产的自并励静态励磁系统，型号为Unitro5000，励磁变为特变电工公司所生产，型号为DB98H，以强制风冷为主要冷却方式，温度达到130 ℃时自动报警，当电流为191/4 430 A时，额定电压为2 000/880 V，短路阻抗为5.8%，最高温度为80 ℃，绝缘等级为F级。

故障前，2号机组正常运行，500 kV系统主变开关5021、二系联络开关5022处于合闸位置，机组有功负荷423 MW，无功负荷为28 MW，机端电流为12 157/12 241/12 268 A，机端电压20/19.98/19.98 kV，励磁电流为2 470 A。

事故发生当天11:00，集控室事故喇叭轰鸣，500 kV系统主变开关5021、二联联络开关5022跳闸，汽机跳闸，锅炉MFT保护动作，ETS第一信号为“发变组主保护”，励磁开关跳闸，发变组差动保护动作，机组励磁变保护装置有“差动保护动作”出口，6 kV厂用电三段开关切换成功。立即确认#2机高中压主气门、调节门、抽气逆止门关闭，机组转速下降。检查#2机主机辅助油泵、盘车顶轴油泵启动成功，润滑油压正常。同时，现场检查人员报告2号励磁变区域浓烟弥漫，励磁变外罩、高压侧密封母线、高压侧CT严重损坏，2号发电机液体检测装置无积水、积油，发电机、主变及两台厂用高压变压器外观无明显异常。检查电子室各保护动作信号，#2励磁变A、B、C相比例差动动作、差动速断动作，#2主变A、B、C相比例差动动作、差动速断动作。变压器外护罩几乎全部损毁，变压器本体熏黑严重，高压进线封母和变压器之间的膨胀节及连接铜绞线基本烧毁，高压侧的三相CT崩裂，高压侧CT与高压绕组的连接软铜线全部烧断。但是#2励磁变低压侧外观基本完好，高压侧CT的二次接线连接牢固，除表面有熏黑外基本完好。本次事故没有导致人员受伤，也未发现异物造成故障发生的迹象。

3 实例励磁系统故障原因

经过调查发现，造成励磁系统故障的原因较多，主要有设备质量、运行维护不当、励磁变压器保护误动以及设备质量工艺等问题。部分工作设备不是常规制造商制造，导致励磁碳刷的质量不同，例如碳刷中的杂质和不均匀颗粒。发电机滑环与某些刷子接触不良，导致励磁碳刷电流分布不均，碳刷电流分布高的容易烧损维护操作。

在发电机励磁电压作用下，励磁变压器整流器由励磁装置的电源供电，必须正确连接励磁变压器电路，保证发电机转速和同步发电机储存在残余压力下通用。已修复装置以扭转转子和电缆进入，转子电位的方向与励磁电源的方向相反，通过改变电缆方向或继续对转子进行磁化，可以有效提高发电机的运行效率。交感保护元件由于励磁变压器通常安装在高压侧或低压侧，主电路故障可能是一个反应，但延迟一般较长。转子接地保护对发电机转子绝缘电阻降低有反应，转子接地条件可以通过相应方法确定测量转子接地，该转子不能保护主电路不受短路。

在AVR调节器装置出现故障的情况下，将发出一个总的警报信号、换频道或切断磁开关等。在励磁系统检测中，经常出现“E02”（励磁瞬态过电流）故障，励磁瞬时过流是一种快速的短路保持功能，用于保持内部短路、整流输出短路和同步电机（三相或单相电气短路）的瞬态过程。励磁电流高于预设值且延时超过预设值，出现此类故障应检查整流柜是否有负载波动，未发现整流柜故障，检查PSI板（主电路信号转接板）、PSI板、COB板的压力信号（主控芯片）信号连接。故障发生在控制器插电自检过程，检查各整流管断路器，无异常；检查电磁场电路，未发现短路情况；检查PSI板压力信号以及PSI板与COB板的连接，压力信号正常，但PSI板和COB板的连接不稳定，取出COB板，重新插入控制器，清除故障。

4 励磁系统故障处理措施与运行维护建议

励磁系统包括一系列常规的电气设备组成，如励磁变、断路器、接触器、风机等，在运行过程中，自诊断功能不断检测电控功能，并尽可能监控双通道系统中备用通道等冗余部件，但保护装置只能在故障时动作，不能自动监测[5]应定期检查设备的功能，将冗余部件投入运行，测试其性能。

除定期检查外，还应进行全面检查：电子电路和整流桥中空气循环引起的灰尘积聚；振动导致端子螺丝松动，有高压大电流在励磁电路中；绝缘污垢会引起电压闪络和严重的设备损坏。

定期维护系统可以大幅度降低风险，在运行维护中，在发电机保护配置下励磁主回路短路，励磁机保护切除时，励磁变压器发生短路故障，可能导致励磁设备长期大电流损坏，扩大事故范围。在现有两级励磁变压器过载保护的基础上，增加一段电流保护，在适当的电流整定和延时条件下，可以快速实现励磁系统的故障保护，相关部门应当制定统一的内部规章制度和计划。例如，在电厂实施防止碳刷失效的评估方法，电厂相关人员必须严格遵守规章制度开展自身工作。电气运维人员应当及时检查励磁系统的各个设备，发现问题及时采取相应措施[6]。此外，所有面板都属于集成面板，现场无法进行维修，为保证出现面板高发故障时能够及时解决，应充足备件。励磁调节器的板片都是静电敏感元件，出现板材异常、损坏的原因通常为干扰信号，为了降低影响，应开发磁屏蔽材料。操作环境中的灰尘也是导致电路板损坏的原因之一，干燥环境中带有大量静电，对电子元件的运行产生威胁，因此应保证环境清洁，维持适宜的温度和湿度，维护电子产品安全。

5 结语

综上所述，励磁系统对600 MW机组的可靠稳定运行具有重要作用。因此，应对实际运行中容易发生的故障进行诊断和分析，并根据故障表现和原因进行处理和预防，避免类似故障的再次发生，保证发电机励磁系统的稳定和发电机组的安全稳定运行设置，并我国电力事业可持续健康发展奠定坚实基础。