一种百万机组三机无刷励磁电源故障处理方法

肖华宾

(神华广东国华粤电台山发电有限公司，广东 台山 529228)



一种百万机组三机无刷励磁电源故障处理方法

肖华宾

(神华广东国华粤电台山发电有限公司，广东 台山 529228)

针对ABB UNITROL 5000励磁系统在国内的运行现状，为降低百万机组三机无刷励磁系统任一环节出现较为严重的故障时的电量损失，缩短励磁系统故障处理时间，研究并实施了一种适用于大型发电机组三机无刷励磁电源故障的处理方法。结合一起励磁系统电源开关故障引发的失磁保护动作事件，提供了一种非常规的事故处理方法，即在不改变励磁系统运行工况的情况下，通过现场正确更改电气一次及二次回路接线，彻底隔离部分故障元器件，实现完全满足自动励磁系统工作原理的目的。经动态测试和运行实践检验，验证了该方法能有效提高大型发电机组励磁系统运行的可靠性，有利于缩短现场故障处理时间，降低大型机组励磁系统故障概率、运行风险以及系统维修成本。

百万机组；三机无刷励磁；转子测量碳刷；滑环

在现代化的电力系统中，提高同步发电机的运行稳定性，是保证电力系统安全、经济、稳定的基本条件之一。在众多改善同步发电机稳定运行条件的措施中，运用现代控制理论、提高励磁系统的控制性能是公认的有效手段之一[1]。尤其是近年来，电力系统规模扩大加速和发电机组容量持续增大，国产百万机组投运越来越多，励磁系统作为发电机组的重要组成部分，其安全稳定性直接影响到发电厂乃至电网的安全。

当前，百万机组主要采用三机无刷励磁和静态励磁两种自动励磁方式，其中三机无刷励磁系统占比相对较少。随着ABB励磁系统技术的不断发展和市场扩张的需要，ABB UNITROL 5000励磁系统于 2013 年就已经停产，其应用随之越来越少，国内备件储备不足，同时ABB UNITROL 5000励磁系统电源故障的处理经验和手段非常有限。基于现状，在励磁系统电源故障的处理上，提出一种不同的现场紧急事故处理应对方法，同时提出避免该类型电源问题的建议。

1 三机无刷励磁系统介绍

神华广东国华粤电台山发电有限公司(以下简称“神华台电”)6号、7号1 000 MW级发电机组采用的是上海电气电站设备有限公司生产的三机无刷励磁系统。系统接线如图1所示，其中：主励磁机选型为ELR-70/90-30/6-20N，额定容量4 500 kW，额定直流电压600 V，额定直流电流7.5 kA；副励磁机额定容量65 kVA，额定电压220 V，额定电流195 A，功率因数0.6，频率400 Hz[2]；发电机选型为THDF-125/67，额定容量为1 112 MVA，额定功率为1 000 MW，额定电压为27 kV，额定电流为23 778 kA，额定励磁电压为437 V，额定励磁电流为5 887 A[3]；电源选择开关(Q70)选型为C125 150 A/690 V，额定电流125 A；励磁开关(Q02)为SACE TMAX 3P T30 250 400 Hz的三相250 A塑壳断路器。

图1 三机无刷励磁发电机组系统接线原理

三机无刷励磁系统是由永磁副励磁机产生400 Hz三相交流电，通过自动电压调节器(automatic voltage regulator，AVR)整流和控制提供一可变的直流电流给主励磁机励磁。在主励磁机转子感应的150 Hz三相交流电经旋转整流桥整流后，通过转轴内的直流引线提供给发电机转子绕组。整流后的直流电流不经过滑环和电刷，直接与发电机的励磁绕组相连[4-6]。

表1为励磁系统优缺点对比[7-8]，由此反映出无刷励磁系统日常维护相对简单、工作量相对较少，但元件一旦发生故障，需要停机处理的机率较大，所以其使用率相对较低。神华台电基建期间为了能够实时在线监测发电机正、负极电压以及配置发电机转子接地保护，要求制造单位在发电机转子回路中设计了测量及保护用正、负极碳刷，但是这种在三机无刷励磁系统中加装转子正、负极碳刷的设计，更容易引发发电机转子回路的故障，从而导致励磁系统电源出现故障。

表1 励磁系统主要优缺点对比

2 故障及原因分析

2014年12月10日8时56分，6号机组负荷923 MW，无功132 Mvar，发电机转子电压312 V，副励磁机励磁电压44 V，励磁电流88 A。机组各运行参数正常，无任何操作。8时56分24.589秒，6号发电机突然跳闸，汽轮机联跳，锅炉甩负荷，分散控制系统(distribute control system，DCS)报警记录为6号发电机失磁保护动作。

2.1 二次设备检查分析

9时10分，现场检查确认发电机失磁保护动作原因为励磁系统故障。9时20分，就地拆开灭磁开关柜背板，发现励磁系统Q70开关烧损，故障情况如图2所示。

1—7号端子；2—黑色接线；3—白色接线；4—蓝色接线。图2 Q70开关故障外观

从图2可看到，最明显的是7号端子接线严重烧损，该端子为副励磁机输出V相电源。进一步分析认为6号机组励磁系统Q70开关内部触点故障(其中黑色接线为三相交流电源的输入、白色接线为三相交流电源的输出、蓝色接线为Q70开关辅助触点二次回路接线)，导致励磁系统主电源失电，发电机失磁保护动作跳闸。Q70开关位置(分为PMG、OFF及AUX/TEST 3种，PMG为正常运行状态位置、OFF为机组停运状态位置、AUX/TEST为辅助/试验状态位置)及触点通断状态见表2。

表2 Q70开关的位置及触点通断状态

开关位置触点通断状态1-2,5-6,9-103-4,7-8,11-1213-14,15-1617-18,19-20PMG断开导通断开断开OFF断开断开断开导通AUX/TEST导通断开导通断开

从表2可以看出，Q70开关正常运行在PMG位置，即3-4、7-8、11-12触点导通，分别将永磁副励磁机产生的三相400 Hz交流电输出至Q02开关再经晶闸管整流。由于永磁副励磁机额定电流为195 A、而Q70开关额定电流为125 A、Q02开关额定电流为250 A，初步判断二次设备的薄弱环节是Q70开关。

2.2 一次设备检查分析

检查6号发电机转子电压测量碳刷架，发现碳刷架紧固穿心螺杆与正、负极电刷把铜套止动销均有灼伤痕迹。间歇停运盘车后，发现正极滑环引线接线端侧的负极滑环表面有严重的电灼伤痕迹(如图3所示)，另测量正极滑环引线接线端对负极滑环绝缘低至约0.1 MΩ。

图3 负极滑环放电灼伤点

转子电压测量刷架紧固穿心螺杆放电灼伤(如图4所示)。认为在电刷架设计上存在缺陷，电刷把上的铜套止动销与刷架穿心紧固螺杆距离太近(如图5所示)，受天气潮湿、灰尘和发电机润滑油油气的影响，易造成刷架紧固螺杆和正负极刷把爬电，导致正负极瞬间短路放电。

图4 刷架紧固穿心螺杆放电灼伤点

图5 刷架紧固穿心螺杆与刷把结构

转子电压测量负极滑环电灼伤，实测转子电压测量正极滑环引线连片与负极滑环之间绝缘距离仅有1.6 cm，再加上转子测量滑环与8号瓦安装紧凑，同在滑环罩内，罩内电刷粉及油雾较多，滑环运行环境比较差，更容易造成转子正极引线与滑环间绝缘薄弱。

2.3 综合分析

通过上述检查分析，励磁系统Q70开关故障主要是由于发电机转子电压测量正极滑环引线连片与负极滑环之间绝缘距离过短、滑环运行环境较差，在机组较长时间有功功率特别是无功功率都处于高峰负荷(此时发电机转子电压处于高值)的情况下，发电机转子正极引线端对负极滑环放电击穿、发电机转子正极滑环-碳刷与转子负极滑环-碳刷接触面间歇性拉弧、甚至瞬间短路所致。当然Q70开关额定电流选型偏小也是主要原因之一。

3 电源故障处理及试验

10时10分，查询公司备件库，确认励磁系统Q70开关无备件，考虑年底机组发电任务重，形成如下应急处理方案。即在无事故备件的情况下，不改变励磁系统运行的工况，主要通过现场正确更改Q70开关有关电气一次及二次回路接线，彻底隔离、摘除Q70有关部分故障元器件，以及对发电机转子等故障部位进行有效处理，实现完全满足ABB UNITROL 5000自动励磁系统工作原理的目的，进一步提高励磁系统整体运行的可靠性。

3.1 Q70开关故障处理

将烧损的Q70开关拆除，励磁系统电源一次输入回路直接从副励磁机输出母排端子引至Q02开关上口。二次回路加装端子排，根据Q70开关处于PMG状态进行拆接线(即保持13-14、15-16、17-18、19-20四对辅助触点断开；3-4、7-8、11-12三对主触点导通)。

3.2 转子电压测量刷架紧固穿心螺杆放电灼伤处理

打磨电刷把上的铜套止动销与刷架穿心紧固螺杆，作加强绝缘处理，并在螺杆与铜套止动销间加垫绝缘块进行隔离处理。

3.3 转子电压测量正极引线连片及负极滑环电灼伤处理

清理正极滑环引线接线端螺杆，打磨灼伤的滑环端表绝缘层并且刷绝缘漆；更换正负极滑环引线的连接片；在正负极滑环两侧面及正极滑环与转轴间加刷绝缘漆，以加强滑环绝缘。

3.4 绝缘检查

用直流电阻测试仪测量转子绕组和测量滑环引线的直流电阻、测量主励磁机及副励磁机绕组直流电阻，经比对均合格；用1 000 V兆欧表测量转子绕组和测量滑环引线对地及正负极间绝缘、测量主励磁机及副励磁机绕组对地绝缘均合格。

3.5 动态试验

上述测试合格后开展励磁系统相关动态试验，副励磁机电源输出相序幅值测试、给定阶跃试验、发电机零起升压和起励试验、手/自动切换试验、双通道切换试验、灭磁试验、波形测试分析以及发电机假同期试验[9-10]。

17时45分，有关试验完毕，确认励磁系统电源故障处理正确且经动态试验合格。18时12分，发电机组正式并网发电。

3.6 试验总结

本次事故的设备故障点较多以及处理手段都与其它大型发电机组三机无刷励磁系统明显不同，在没有故障备件更换和设备厂家到厂技术服务的紧急情况下，进行了事故现场紧急处理，特别是Q70开关的回路处理，虽然技术人员承担了巨大的风险，但从励磁试验结果和机组运行效果来看是成功的，也是与众不同的。既节约了今后的备件成本，又降低了设备故障的安全风险。

4 设计选型建议

a) Q70开关的额定电流125 A选型偏小，应该增大，建议选择250～300 A。

b) 考虑冗余的需要，也可以将两个原设计选型的Q70开关进行并联使用。

c) 根据Q70开关PMG、OFF及AUX/TEST三种可选择的工作位置，建议采用三相式单刀双掷刀闸来代替，同时增加一组AUX/TEST位置的重动继电器来切换13-14、15-16、17-18、19-20四对辅助触点。

d) 每逢发电机组停运，建议仔细检查、测试发电机转子电压测量刷架、紧固穿心螺杆、测量滑环引线、转子滑环等有关元件，确保相关电气设备绝缘、电气回路接线完好。

e) 如果是基建初期机组设计选型阶段，发电机励磁方式最好设计选型为静态励磁，这样机组励磁系统的冗余度和安全性相对会更可靠一些。

5 结束语

拆除故障的Q70开关并改动有关回路接线，以及处理转子电压测量刷架、紧固穿心螺杆、测量滑环引线、转子滑环等有关元件存在的问题，相关电气设备绝缘、电气回路接线以及发电机动态试验等均满足国标和设备参数要求，是一种成功的处理方法。对于不同的发电机组，现场设备故障形式多种多样，备品备件库存管理等存在差别，采取的故障处理手法自然也不尽相同。本文仅从百万机组ABB UNITROL 5000三机无刷励磁系统生产实际经验出发，因地制宜，灵活应对，摸索出了一套三机励磁系统电源故障处理的有效方法，以供参考。

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[3] 上海电气电站设备有限公司.THDF 125/67 百万千瓦级汽轮发电机运行和维护手册[Z].上海：上海电气电站设备有限公司，2008.

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(编辑 王朋)

Fault Processing Method for Brushless Excitation Power of Three Machine of 1 000 MW Unit

XIAO Huabin

(Shenhua Guangdong GuohuaYudeanTaishan Power Generation Co., Ltd., Taishan, Guangdong 529228, China)

In allusion to operation status quo of ABB UNITROL 5000 excitation system in domestic, and in order to reduce electric quantity loss at the time of serious fault of the three machine brushless excitation system of 1 000 MW unit in any links as well as shorten fault processing time, this paper studies and carries out a kind of processing method suitable for three machine brushless excitation power fault of large-scale generators.Combining one case of excitation loss protection action caused by fault of power switch, it presents a kind of unconventional processing method which is to thoroughly isolate some faulted components by correctly changing electric primary and secondary circuit connection modes on site and reach the objective of totally satisfying working principles of automatic excitation system in the situation of no change for running condition of the excitationsystem.Dynamic testing and running practice both prove this method can effectively improve operation reliability of the excitation system of large-scale generator, helpful to shorten fault processing time on site and reduce fault rate, running risks and maintenance cost of the large-scale generator.

1 000 MW unit; three machine brushless excitation; carbon brush; slip ring

2016-04-25

2016-07-29

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.11.020

TM77

B

1007-290X(2016)11-0105-05

肖华宾(1970)，男，江西南昌人。高级工程师，高级技师，工学学士，从事大型火力发电厂继电保护及安全自动装置的调试、维护及技术管理工作。