水电厂自并励励磁系统逆变失败故障分析与处理

水电厂自并励励磁系统逆变失败故障分析与处理

熊磊 ,谢智强

国网江西省电力有限公司柘林水电厂  江西省九江市  332000

摘要：为保障水电厂发电机及励磁设备的正常运转，笔者以某水电厂为例，通过对该水电厂发电机灭磁方式、逆变灭磁失败原因及逆变失败对机组造成的重要影响分析，提出相关改善措施，希望能为帮助水电厂企业应对逆变失败故障处理提供参考。

关键词：水力发电厂；自并励静止励磁系统；逆变灭磁

0引言

励磁系统是电机的核心系统，对整个电力系统的安全运行有着非常重要的影响。如果发电机发生故障，必须对其消磁，使其平稳停止，并且发电机系统的自动消磁组件可以将故障引起的损失降到最低。杨航[1]等认为，自并励静止励磁系统是否能够高效安全运行直接决定着电机的运行质量，因此，分析水电厂自并励励磁系统逆变失败故障原因具有非常重要的意义。他通过对某水电厂进行紧急低油压试验，找寻自并励励磁系统逆变失败故障发生原因，并提出有针对性的处理办法，保障了发电机组的安全运转与停机。本文结合众多学者研究成果分析，结合实例，通过对某水力发电厂紧急低油压停机试验研究，了解自并励励磁系统逆变失败故障过程，并提出相关改善办法，希望能为相关水力发电行业提供技术指导。

1自并励励磁系统逆变失败故障的发生状况分析

为探究水力发电厂发电机组逆变灭磁失败原因，故对某水力发电厂进行紧急低油压停机试验。整个试验过程如下：紧急低液压信号监控和检查，确认无紧急门下落标志，滤波显示3000ms。确定紧急低液压信号是否正确，打开紧急压力分配阀，打开调速器紧急关闭电磁阀，关闭设备出口断路器，启动励磁关闭命令。在试验过程中，上位机将报告逆变器故障信号和振动抑制开关子信号。就地励磁系统盘柜检测后，励磁系统会发送逆变器故障信号和振动抑制开关子信号，与上位机发送的信号相同，并且励磁系统受电压保护。实验结果表明，机组运转正常，灭磁失败，灭磁开关最终跳闸。

2故障分析与检查

根据事故低油压试验流程，试验中模拟事故低油压动作后，监控系统启动机械事故停机流程，机组由负载态转空载态，紧接着跳转正常停机流程。但机组由负载态转空载态，励磁系统收到励磁正常停机令10s后，发出逆变失败信号，同时跳灭磁开关。

逆变失败过程中，监控系统的机端电压、励磁电压、励磁电流、有功、无功、机组频率和控制角的波形如图1所示。

图1逆变失败过程监控系统录波图

机组在17：48：41跳发电机主断路器，进入空载状态。跳闸前，励磁电流为2385A。出口断路器跳闸后，机组有功迅速降至0，励磁电流降为2030A，励磁电流调节到1640A时，机端频率为52.3Hz，此时励磁系统接到正常停机令，控制器开出逆变命令，下令整流柜控制角调整到140°，励磁系统开始逆变灭磁，2.8s后励磁电流为97A，频率为66Hz，由图1波形可看出，逆变过程开始不正常，励磁电流由于逆变故障上升到140A，机端频率先上升后下降，最高频率达70Hz，励磁电流维持在约100A，逆变灭磁10s后机端电压还未低于5%，发出逆变失败信号，同时跳灭磁开关进行灭磁。由此可以判断，励磁系统整流器在逆变灭磁过程中发生了逆变颠覆，导致逆变灭磁失败。发电机停机过程中，逆变失败的原因主要有以下4种：

（1）交流电源缺相或突然消失；

（2）晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通[2]；

（3）触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相；

（4）换相的裕量角不足，引起换相失败。

下面采用排除法查找逆变失败的原因。由于自并励静止励磁系统出现交流电源缺相或突然消失的可能性较小，且经检查，该厂励磁变高低压侧接线及阳极闸接线螺栓紧固无松动，因此可排除第1种逆变失败原因[3]。

断开整流器可控硅交直流侧的一次接线和吸收换向过电压阻容二次回路接线，采用万用表测量得到每只可控硅阳极与阴极之间的正反向电阻为500～700kΩ，阳极与控制极之间的电阻为13～16Ω。恢复上述接线后，做励磁静态小电流开环实验，用三相调压器提供励磁控制器同步电压信号，采用示波器监视实时波形，检测结果显示，各个功率柜可控硅在控制角α为30°、60°、90°时，脉冲调理板上的脉冲幅值、脉冲宽度和整流桥输出电压波形均正常。进行空载逆变试验，在手动发出逆变令之后，励磁控制器控制角α由78°（空载角度）变化为140°（逆变给定角度），机端电压、励磁电流也呈正常下降趋势，空载逆变正常，这说明控制器逆变给定角度计算正确[4]，整流器晶闸管没有发生故障，且脉冲触发回路工作正常，能够及时、准确地触发晶闸管。由此，基本排除了第2种和第3种逆变失败原因。

初步判断逆变失败是由于换相的裕量角不足，换相失败引起的。为了复现当时的故障现象，模拟故障发生的条件，给励磁系统提供变频电源，当频率为50~65Hz时，逆变正常；当频率接近70Hz时，

出现逆变失败的问题。因此，逆变失败的原因可能是由于软件问题引起的换相的裕量角不足。对控制程序进行分析，发现控制程序采用自适应方式输出逆变角度，逆变角随着频率变化而变化，这是正常的，但同步信号没有自适应地变化，在机端频率较大时，由于电容引起的相对滞后角度变大，造成系列触发脉冲延迟，导致逆变失败。

3逆变失败故障的处理方法

整流器在逆变工作状态时，若发生换相失控，会导致外接电动势通过晶闸管形成短路，或者发生输出平均电压和外接电动势顺向串联形成短路，这种情况称为逆变失败。当π/2<α<π时，整流器工作在逆变状态。以α=π作为计量起点，向左计量到触发脉冲前沿为止的电角度，称为逆变角，用β表示，其中β=π-α。下面以VT3换相到VT1的过程为例，该换相过程示意图如图2所示。

设变压器漏电感引起的电流重叠角为γ，当β>γ时，经过换相过程后，a相电压仍高于c相电压，所以换相结束时，能使VT3承受反压而关断。当β<γ时，换相尚未结束，电路的工作状态到达自然换相点p点之后，c相电压高于a相电压，导通的晶闸管VT1因承受反压而重新关断，使得应关断的晶闸管VT3不能关断而继续导通，且c相电压随着时间的推移越来越高，电动势顺向串联导致逆变失败。综上所述，为了防止逆变失败，不仅逆变角不能等于零，而且不能太小，必须限制在某一允许的最小角度内[5]。

在控制器软件上，采用调整逆变控制角的方法，当频率增加至超过65Hz时，为了防止电容引起的相对滞后角度变大，采用跟踪机组频率的方式，当频率大于65Hz时，将逆变控制角度调整到120°，当频率小于65Hz时，逆变角恢复到140°。

完善程序后，给励磁系统提供频率为50～85Hz变频电源进行试验，逆变成功。这说明上述方法有效解决了由于机端频率过高导致的逆变失败问题。

图2VT3换相到VT1的过程示意

4结束语

发电机停机过程中逆变器故障产生原因是多种多样且复杂的。发生故障后，先勿盲目测试或更换任何设备组件。应结合设备原理和实际情况分析现场故障现象。按照先硬件，后软件顺序一一检查排查，直到找到失败的原因，然后结合实际，运用科学的处理方法进行处置，保障机组安全运行。

参考文献

[1]杨航、梁杰.水电厂自并励励磁系统逆变失败故障处理[J].设备管理与维修，2020-03-25. 
[2]於华.水电厂自并励励磁系统逆变失败故障分析与处理[J].广西电力，2019-02-28.

[3]刁俊波.水力发电厂电气设备安全运行存在的问题与解决措施［J］.科技经济导刊，2019，27（13）：87.

[4]王军，谷峥，李珅.水力发电厂电气运行中常见的运行故障及处理措施分析［J］.科技风，2019（7）：190.

[5]陈昌.发电机励磁系统由直流励磁机改自并励在马钢的应用［J］.冶金动力，2017（8）：6-8.