IACE6000型励磁系统故障分析及应对措施

解志 张志强 薛锋 罗天贵

（乌东德水力发电厂）

0 引言

励磁系统是水电站发电机组的核心组成部分，在发电机运行时承担着调节发电机的机端电压和机组无功的任务，满足机组正常运行和发电要求。当电网因事故电压降低时能通过快速强行励磁来提高系统电压，从而提高电力系统稳定性，因此提高励磁系统安全稳定性意义重大。但励磁系统较容易发生故障，因此对励磁系统故障进行分析并找到应对策略极其重要。本文针对IACE6000励磁系统故障问题进行分析，提出相应的处置措施，达到提高增强励磁系统安全稳定运行的目标。

1 IACE6000型励磁系统的组成

IACE6000型励磁系统主要由励磁变压器、励磁调节器、三相全控桥式晶闸管整流装置、交直流灭磁开关、灭磁电阻、保护、测量和信号设备等组成。

励磁调节器采用两套相同配置但完全独立的数字式调节器，两套调节器采用热备用运行，工作调节器故障则备用调节器自动投入，完全实现无扰动切换。当两套调节器均故障时可以转功率柜独立运行。功率柜4柜并联并按（N-1）原则冗余设计，当其中一个或两个功率柜故障时，可自动闭锁脉冲，并将电流平分到其他功率柜上，当一个功率柜故障退出运行时，可自动闭锁脉冲，并将电流平分到其他功率柜上，可保证发电机所有运行工况下（包括强励）均能正常运行。两个功率柜故障退出运行时，可自动闭锁脉冲，并将电流平分到其他功率柜上，能满足除强励以外的所有功能。采用4柜并联的三相全控桥式晶闸管整流装置。功率柜冷切采用热管自冷为主，风机自动启动为辅，同时风机还可手动合上风机电源空开投入运行。

机组起励方式为残压起励配合交流起励，残压起励优先。正常停机时直流灭磁开关不分闸，灭磁采用交直流双灭磁开关配合机械跨接器投入SiC非线性电阻放电灭磁方式。当转子电压达到过电压动作值时，转子过电压保护回路的跨接器被触发导通，投入SiC非线性电阻消耗转子磁场能量。

2 IACE6000型励磁系统常见故障分析及应对措施

2.1 失磁故障

失磁是励磁系统较为常见的一种故障，当励磁系统出现失磁故障时，发电机的无功功率突然降到零，机端电压和电站主母线电压会大幅波动并持续下降，最终发电机机端可能出现负电压的情况，同时发电机定子电流将会剧烈波动，严重时可能导致发电机失步，危及电网安全运行。造成失磁的原因较多，但主要原因有以下几方面：一是励磁变故障跳闸引起发电机失磁，由于励磁变压器存在绝缘制造缺陷，或运行中绝缘缺陷逐步恶化，产生放电或者爆炸现象，导致励磁变压器保护动作跳闸，例如某水电厂就曾因励磁变绝缘材料不合格导致励磁变爆炸失磁。二是灭磁开关误跳闸导致失磁，灭磁开关误跳闸的原因主要来源于励磁调节器误发跳闸指令和跳闸出口继电器故障误发出灭磁开关跳闸指令。三是整流装置误关闭导致发电机失磁，整流装置误关闭的原因主要是励磁调节器发出错误的脉冲信号导致励磁电流在极端时间内进行强减磁后不能强励或者整流装置故障3个及以上支路。

对于发电机失磁故障，运行人员应快速检查机组是否已经和电网解列，出口开关是否已断开，汇报调度并及时做好手动紧急停机和灭磁的准备；维护人员要全面检查励磁系统交直流灭磁开关、励磁变压器及灭磁电阻的状态，并对开关本体及开关相连接的部位仔细检查。在检修过程中要严格按照检修要求对励磁变绝缘、交直流灭磁开关及其辅助接点、发电机转子回路和励磁调节器程序等重点部位进行检查。日常巡检中对交直流灭磁开关辅助节点及励磁电缆进行定期检查也是防止失磁故障发生的有效措施[1]。

2.2 励磁交直流输入回路故障

励磁交直流输入回路故障后将无法再提供励磁电流，将迫使机组停运，造成电量和弃水的损失。

（1）交流输入回路故障

IACE6000型励磁系统容量大，阳极电缆最大承载电流高到3000A，除使用满足耐压能力阳极电缆外，对敷设水平和电缆桥架要求都较高，在敷设和整理过程中要尽量避免形成金属环路和涡流，如果处理不当可能导致阳极电缆因涡流过热烧毁。例如某大型电厂维护人员在励磁阳极电缆敷设中将金属环路导磁材料更换为非导磁材料、电缆严格按照品字形布置，并尽量使三相电缆导线轴心间距相等措施避免形成金属环路和涡流，从而使励磁阳极电缆的温度降低了近20℃[2]。若因交流灭磁开关故障导致交流输入回路故障，应对开关本体、控制回路及开关两端连接的螺栓进行严格检查，处理完成后开关需做分合闸试验，试验结果达标后才能再次投入运行。

此外IACE6000型励磁系统阳极电缆与交流灭磁开关前端交流母线铜排采用螺栓连接，由于电缆承载电流的电流过大，在调试过程中曾出现因施工人员使用的螺栓尺寸不合格和材质不满足标准而使连接处过热烧毁，导致励磁系统无法正常工作。因此在检修过程中应检查阳极电缆与交流母线铜排连接螺栓的质量，如需更换必须保证螺栓质量符合国家标准。在汛期长周期大负荷运行过程中应采用红外成像仪加强对连接处的温度的检测，异常时应尽快停机处理，防止因电缆大面积烧毁导致发电机失磁。

（2）直流输入回路故障

IACE6000型励磁系统直流输入回路电流大，机组汛期长周期大负荷运行可能导致碳刷温度过高打火和磨损严重，导致滑环上积碳过多，如不及时处理会增加转子接地故障的发生率。因此汛期要增加采用红外测温成像仪对碳刷进行测温的频次，对磨损严重的碳刷及时更换，积碳及时清理，并注意检查碳粉吸收装置运行正常，必要时开机并网前可摇测发电机转子绝缘是否合格。此外碳刷压簧压力不均可能造成部分碳刷电流分布不均，致使个别碳刷电流过大，引起发热，在日常的检修和巡检中需要重点地检查碳刷压簧是否正常、励磁引线与转子绕组、直流灭磁开关与直流母线铜排之间的连接点，若连接部位出现松动必须立即对其进行加固处理，避免造成转子回路断线故障。其次在对发电机转子回路进行检验时，若发现数据差异较大，则很可能是转子绕组某些接点存在短路故障或者开焊，要对发电机的转子绕组进行详细检查并处理，保证处理后检测部位数据的误差在规定的范围内[2]。

2.3 功率柜故障

IACE6000型励磁系统采用三相全控桥式晶闸管整流装置，整流功率大，冷切采用热管自冷为主，风机辅助。可能会出现功率柜无输出、整流装置故障及功率柜温度过高等故障。

功率柜无输出可能导致其他功率柜过负荷，甚至导致机组降负荷运行。功率柜退出可能原因为控制逻辑和整流装置故障。IACE6000型励磁系统在调试过程中曾出现功率柜因控制逻辑的问题导致触发角度漂移，单个功率柜退出和均流系数低等问题，具体如图1所示。经过检查原因是功率柜脉冲时钟不一致导致，采用在各个控制器加入一个10ns分辨率的绝对时钟脉冲后，触发角度漂移现象消失，在升流、升压、自并励空载、负载等各种工况下的实际均流系数在均流系数达到了0.97，后续运行过程中未出现功率柜退出问题。

图1 均流系数不达标

在长期高负荷工况下，功率柜整流桥发热严重，整流桥臂上整流晶闸管，以及整流桥出口部位都是整流装置故障的常发点，这也会导致功率柜退出，严重时还会烧毁整流桥装置。针对IACE6000型励磁系统功率柜温度过高时应立即检查热管自冷装置外观是否完好及其介质有无泄露，若热管自冷装置故障且辅助风机未启动应立即手动投入风机，并现场监视功率柜温度，必要时降低机组负荷运行。当整流桥元件等故障时应立即根据监控信号及现场检查结果迅速找出故障元件，并对故障元件更换。

2.4 机端PT慢熔

发电机机端PT慢熔在实际运行中发生概率较高，在国内诸多水电站均有发生，特别是对巨型机组因其机端电压高发生概率较高。PT慢熔过程中其二次侧电压可能会缓慢下降且慢熔点温度远超过正常PT，从而导致错误强励、机端电压显著升高、过激磁保护频繁动作、系统电压波动等一系列连锁反应。IACE6000型励磁系统所用信号采集于机端1PT和3PT，设置PT慢熔报警和PT断线自动切换至备用通道运行，报警值逻辑为两套采集装置电压差值大于5%且持续100s。但在运行中若PT出现慢熔而电压差值未达到报警值或者持续时间小于100s，此时调节器不会自动切换至备用通道运行，发电机存在因PT慢熔而导致误强励的风险。因此运维人员在日常巡检中要加强对采集电压值的检查和分析，定期采用红外成像仪测量PT保险温度并做好记录，此外查阅取自同一PT送保护、故录等设备的电压值做对比也是一种判断机端PT是否慢熔的有效方法。

2.5 起励失败

起励失败是励磁系统的常见故障之一，原因多为起励时间设置不合理、辅助起励回路故障和交流灭磁开关合闸失败。IACE6000型励磁系统初期运行时曾因残压起励时间设置不合理发生多次建压失败，甚至起励至空载过程中出现机端电压大于1.1倍额定机端电压，发电机保护A、B套定子过压保护动作出口跳开励磁系统直流灭磁开关，导致机组开机至空载态不成功并退出开机流程，如图2所示。在随后的改进中将起励时间由12s设置为14s，残压起励时间由4s改为1s后电压未达到0.08%机端额定电压自动投入初励减少起励超调量，同时提高保护空载过电压定值至1.2倍额定电压（原为1.1倍），从而解决起励过程中定子过压跳闸的问题，改进后从未出现空载过压，运行工况良好。

图2 残压起励时间设置不合理导致起励失败

IACE6000型励磁系统正常停机过程不断开直流灭磁开关，仅断开交流灭磁开关。因此起励过程中交流灭磁开关合闸失败将导致起励不成功。在运行过程中IACE6000励磁系统曾出现两起交流灭磁开关合闸不成功导致建压失败。当出现交流灭磁开关合闸失败时应对开关本体、二次回路接线和继电器等进行全面检查。若合闸失败是开关本体限位装置调校不到位导致，将限位装置调校到位后，要在停机时多次分合闸来检验限位装置调校效果，同时调校完成投入运行应加强监视。

2.6 灭磁回路故障

灭磁是发电机停机过程中防止转子严重过压的最有效措施，转子过压可能损害转子绝缘，特别是事故停机。IACE6000型励磁系统事故灭磁采用逆变加跳开直流灭磁开关，联动投入灭磁电阻和断开交流灭磁开关的方式，待转子电流小于2%或电压小于5%的额定励磁电压时，延时封脉冲。灭磁电阻可由直流灭磁开关分闸辅助常闭接点和机械跨接器投入。因此在检修过程中要加强对灭磁回路重要元器件的维护，要注重对交直流灭磁开关本体及辅助节点、跨接器可控硅、转折二极管和灭磁电阻性能的测定，性能不满足要求必须更换，更换后需进行试验合格后方可投入运行。此外事故灭磁后要重点检查跨接器及灭磁电阻的状态，有异常要及时处理。

3 结束语

本文介绍了IACE6000型励磁系统某大型水电站实际应用中出现的一些问题，并结合其他类型励磁系统的问题详细列举IACE6000型励磁系统一些常见故障，提出了相应的解决方法和处理策略，能够为水电站机组处理同类问题提供参考和借鉴。励磁系统对发电机的正常运行举足轻重，电站运维人员必须加强对励磁系统故障的分析并掌握应对措施才能确保电站的安全可靠运行。