二次起励时励磁风机启动失败的原因分析及优化

罗佳春

（国家电投五凌电力有限公司，湖南 长沙 410004）

1 设备概况

三板溪电厂装有4 台单机容量为250 MW 的立轴混流式水轮发电机组，总装机1 000 MW，发电机励磁系统采用ABB 公司的UNITOL 5000 型励磁系统。UNITOL 5000 励磁系统正常运行时，两组励磁功率柜一组主用，另一组备用。每组功率柜中各有两台励磁风机，一组主用，另一组备用。

三板溪电厂UNITOL 5000 励磁系统自2006 年投运以来，偶尔会出现因转子反时限过流限制动作而导致发电机起励不成功的情况。为解决该问题，三板溪电厂与厂家技术人员经多次讨论后，于2018年先后在4 台机组励磁系统上增加发电机二次起励逻辑，逻辑为“发电机机端电压2 s 内未达到10%Ue且无起励失败信号，则在23 s 后进行第二次起励”。自改造之后，未出现因转子反时限过流限制动作而导致开机不成功的情况。

2 问题引出

机组从一次起励到二次起励过程如下：第一次投入励磁后，若15 s 内第一次起励失败，则切除励磁系统。在切除励磁系统8 s 后，第二次投入励磁。

2021 年4 月2 日，三板溪电厂3 号机在开机过程中，转子反时限过流限制动作，一次起励失败后启动二次起励，励磁系统建压正常，但励磁系统功率柜中励磁风机启动失败，励磁系统故障，经5 min 延时后跳闸。现场检查发现，系励磁风机电源未正常投入，励磁风机未正常启动从而励磁系统故障。查阅历史数据发现，自2019 年1 月以来，1～4 号机组二次起励共动作8 次，具体情况如表1 所示。其中，3号机组出现过2 次励磁系统二次起励，均存在励磁风机电源未正常投入，导致励磁风机无法正常启动的现象。

表1 1～4 号机二次起励统计表

当励磁风机电源未能正常投入时，励磁系统主用功率柜的主、备用励磁风机就无法正常启动，此时UNITOL 5000 励磁系统判断主用功率柜冷却系统失效，闭锁（退出）主功率柜，同时切至备用功率柜运行。但因为励磁风机电源未能正常投入，备用功率柜的励磁风机亦无法正常启动，此时励磁系统判断冷却系统全部失效，跳发电机灭磁开关，联跳GCB。

3 励磁风机逻辑

UNITOL 5000 型励磁系统风机配置双电源，分别为自用电电源（当励磁系统建压正常后取自机端）和厂用电电源，两组电源一组作为主用，另一组作为备用。其中K15 继电器为自用电电源投入继电器，K16 继电器为厂用电电源投入继电器。

通过查阅资料以及相互对比发现，1 号、2 号机组励磁风机电源控制逻辑与3 号、4 号机存在明显区别。如图1、图2 所示。

图1 1 号、2 号机组励磁风机电源控制逻辑

图2 3 号、4 号机组励磁风机电源控制逻辑

1 号、2 号机组励磁风机控制逻辑中，当同时满足励磁投入、辅助电源无故障、自用电未投入3 个条件时，K16 继电器动作，投入风机厂用电电源；当同时满足励磁投入、自用电无故障、厂用电未投入3 个条件时，K15 继电器动作，投入励磁风机自用电电源；当励磁系统切除100 s 后，或辅助电源故障（自用电电源故障）时，K16（K15）继电器复归，励磁风机电源退出。

3 号、4 号机组励磁风机控制逻辑中，当同时满足励磁投入令、同步电压小于80%、自用电无故障、自用电模式（厂用电未投入）4 个条件时，K15 继电器动作，投入励磁风机自用电电源。上述4 个条件同时满足时，图2 中信号S 触发，向10411 输出一个1 s 的脉冲信号，通过SR 触发器保持，K15 继电器动作，励磁风机自用电电源投入工作。注意，只有信号S 的上升沿（由0 变为1）才能向10411 输出脉冲信号。所以只有信号S 复归后并再次触发，才能输出第二个脉冲信号，去启动K15 继电器；当同时满足励磁投入、同步电压大于80%或自用电故障15 s、辅助电源无故障、厂用电模式（自用电未投入）4 个条件时，K16 继电器动作，投入励磁风机厂用电电源。

1 号、2 号机组励磁风机电源控制逻辑与3 号、4号机组存在明显差别。1 号、2 号机组励磁风机以厂用电电源作为主用电源，控制逻辑简单。3 号、4 号机组励磁风机以自用电电源作为主用电源，较1 号、2 号机逻辑增加了同步电压小于80%的条件，控制逻辑复杂。

4 原因分析

4.1 二次起励时1 号、2 号机组励磁风机电源控制逻辑

（1）第一次投入励磁，当励磁系统满足，励磁投入、辅助电源无故障、自用电未投入3 个条件满足，K16 继电器动作，风机厂用电电源投入，风机正常启动。

（2）当励磁投入超过15 s 后，机端电压仍未超过10%，程序判定一次起励不成功，下达励磁切除令。切除励磁8 s 后，再次投入励磁。此时励磁系统不满足切除励磁100 s 的条件，K16 继电器不会复归，保持动作状态。因此励磁风机厂用电电源一直在投入状态，励磁风机仍能正常启动。

4.2 二次起励时3 号、4 号机组励磁风机电源控制逻辑

（1）第一次投入励磁，当励磁系统满足，励磁投入、同步电压小于80%、自用电无故障、自用电模式（厂用电未投入）4 个条件时满足，信号S 产生一个上升沿，向10411 输出一次1 s 的脉冲信号，K15 继电器动作。但实际因为起励失败，机端未正常建压，所以不满足上述条件，风机未正常启动。

（2）当励磁投入超过15 s 后，机端电压仍未超过10%，程序判定第一次起励不成功。下达励磁切除令，K15 继电器立即复归。但由于励磁风机电源控制逻辑中励磁投入的复归延时参数存在20 s 延时，因此在该20 s期间信号S保持输出值为1，无法复归。

（3）第一次起励未成功，在切除励磁系统8 s 后，程序将再次下达投入起励命令。此时励磁系统满足励磁投入、同步电压小于80%、自用电无故障、自用电模式（厂用电未投入）4 个条件，但由于在第二次起励前后，信号S 一直都保持输出为1，没有产生上升沿，无法向10411 输出脉冲信号，K15 继电器无法进行第二次动作，未能投入励磁风机自用电电源。

（4）由于第二次起励成功，机端电压建压成功，且自用电未发生故障，因此励磁系统无法启动K16继电器，励磁风机电源无法切至厂用电电源供电。

因此综上所述，励磁系统二次起励后，K15、K16继电器均未动作，励磁风机两路电源均未能正常投入，故无法启动。

4.3 励磁风机启动失败原因分析

机组二次起励时励磁风机能否正常启动，与励磁风机的电源控制程序内部逻辑有着直接的关系。在机组第一次励磁切除8 s 后，开始第二次起励。

由1 号、2 号机励磁风机电源控制逻辑可知，二次起励时励磁系统因为不满足励磁未投入（100 s 延时）的条件，故K16 继电器仍保持动作状态，励磁风机厂用电电源一直在投入状态，风机仍能正常启动。

由3 号、4 号机励磁风机电源控制逻辑可知，一次起励失败后，K15 继电器会立即复归，但“励磁投入”指令要在20 s 之后才能复归，因此在20 s 期间信号S 保持输出值为1，无法复归，则第二次起励时K15 继电器无法满足动作条件进行第二次动作，励磁风机自用电源无法投入。第二次起励后，因为励磁风机自用电电源未发生故障，故无法启动K16 继电器，励磁风机电源就无法切至厂用电电源供电，故励磁风机无法正常启动。

5 优化方案及效果

结合现场实际情况，可以从励磁风机电源控制程序、优化相关的时间量、风机电源主供电方式3 个方面进行优化：

（1）方式1：优化励磁风机电源控制程序，将3 号、4 号机改为与1 号、2 号机相同的控制程序。

（2）方式2：优化励磁风机电源控制程序中相关的时间量。

1）缩短励磁系统投入的复归时间，让信号S 在第二次起励前复归为0，第二次起励后产生上升沿，启动K15 继电器。此方案需将励磁投入的复归延时参数由20 s 修改为5 s。具体逻辑变为：切除励磁5 s 后，励磁投入信号复归，励磁系统不满足风机自用电电源投入条件，信号S 复归为0。在切除励磁8 s 后，第二次起励，此时励磁系统满足4 个条件，信号S 由0 变为1，产生上升沿，向10411 输出脉冲信号，可启动K15 继电器。

2）延长励磁退出令复位K15 继电器的时间。此方案需将励磁退出令复位K15 继电器的时间由0修改为50 s。目前程序中第一次起励失败后发励磁退出令将同时复位K15 继电器，修改复位时间参数后，将实现励磁退出50 s 后再复归K15。此举可防止励磁系统二次起励过程中复位K15 继电器，确保二次起励时K15 具备动作条件。

（3）方式3：优化励磁风机电源主供电方式，将励磁风机电源主供电方式修改为厂用电电源供电。

实际优化时发现：方式1 可以从根本上解决二次起励中励磁风机无法正常运行的问题，是3 种方式中最完善的一种，但其优化过程涉及到多个参数修改，且参数修改后需进行多次验证，过程较为繁琐复杂。考虑到近期发电形式的紧迫性，故予以舍弃。方式2 的优化过程简单，优化过程仅需修改两个时间量，即可确保二次起励中励磁风机正常运行。但由于其主供电方式仍为自用电电源供电，可靠性不高。方式3 是将励磁风机主供电方式修改为厂用电电源，厂用电电源供电的可靠性较高，可在特殊情况下仍能维持励磁风机电源的正常供电，为励磁风机正常运行提供条件。但只修改主供电方式，仍无法从根本上解决二次起励中励磁风机无法正常运行的问题。

综合考虑之后，本次优化过程采用了方式2 和方式3 结合的方式。即通过在励磁风机电源控制程序中缩短励磁系统投入的复归时间，延长励磁退出令复位K15 继电器的时间，再将励磁风机主供电方式由自用电修改为厂用电。优化完成后，多次对3号、4 号机分别模拟自用电、厂用电电源故障，检查K16、K15 继电器正确动作，励磁风机均能正常启动；多次模拟3 号、4 号机开机过程中起励失败，检查二次起励时励磁风机均能正常启动。

优化完成两个月以来，后续3 号、4 号机开机过程出现二次起励时，励磁风机均能正常启动。

6 结语

发电机励磁系统故障因素有许多种，故障轻则造成发电机起励失败，重则导致机组发生跳闸，影响正常运行。励磁风机作为发电机励磁装置冷却系统的重要组成部分，对励磁系统的正常运行起着至关重要的作用。励磁系统风机的可靠性直接关系到励磁系统乃至发电机能否稳定运行。

本文发现发电机励磁系统励磁风机电源控制逻辑配置不合理，二次起励时励磁风机因电源无法正常投入而启动失败，造成励磁系统故障的现象存在一定的安全隐患。结合实际，通过优化励磁风机电源控制逻辑、修改主供电电源方式，可实现电源正常投入，达到二次起励过程励磁风机正常启动、确保机组安全稳定运行的目的。