关于水轮发电机励磁事故原因的剖析

李卓晟

【摘要】2013 年3 月某水电厂3号水轮发电机组发生励磁事故，事故造成了3号机组灭磁柜起火， 柜内部分设备烧毁， 发电机盖板大量螺栓松脱等现象。相关人员对其原因进行了系统排查和跟踪分析最后得出，发生该事故的主要原因来自励磁调节器的工作电源不是独立的，后备电源也没有预先准备。同时，另一个导致该事故进一步扩大的主要因素是3 号事故机组未能有效配置失步和采用非全相氧化锌转子过电压保护装置。本文就引入励磁变压器电源用于调节器电源，并优化、改善该机组转子过电压保护。

【关键词】水轮发电机；励磁；事故原因；剖析

1、前言

某水电厂3 台75MW 立式水轮发电组，采用发电机-变压器组方式的接线方法；各个机组的励磁系统都采用的是机端自并励系统；励磁调节器采用双微机型，均为交直流双供电、双断口灭磁开关；氧化锌灭磁电阻器、转子过电压保护装置。3台机组均使用双微机电液调速器、交直流双供电。其中3 号机组于2013 年4 月7 日发生励磁事故，现就事故原因及解决方法进行逐一的浅显剖析。1 事故发生时其有功功率为75MW、无功功率为25Mvar；1 号机组有功功率为5MW、无功功率为25 Mvar。2013年4月7 日上午10 时，工作人员一时疏忽错误操作造成了厂用电交流中断， 6分钟之后，直流系统蓄电池因设备故障而停止供电，这时导致交直流供电中断约为1 分钟左右。当恢复了交流电源供电时，又发生线路对侧开关后备过流保护动作跳闸现象； 这时1 号、2 号机组在发生强烈振动之后出现自动停机。从而发生了该事故发生，2 号机组灭磁柜内部分设备被烧毁；机组上导冷油器水管接头破损；推力油槽、发电机基础螺栓均出现部分松动现象。

2、事故原因剖析

相关人员在事故发生第一时间就对事故发生原因进行系统的分析与排查后发现，在交直流供电中断约为1分钟，自动励磁调节器就失去其工作电源，导致1 号、2 号机组一起失磁、失步；结果就使电气失磁等一系保护装备无法自动动作。这时，调速器则继续维持原有开度，而1、2 号力未变。机组的失步导致无法进入到异步发电运行状态，而机组转速升高之后从系统吸收了大量的无功功率， 进而又导致过电流。因1、2 号机组原始有功出力差异而导致滑差大小不同；这就造成了吸收的无功功率以及产生的异步转矩出现差异。由于，1 号机组输出功率接近为零，其滑差需求量极小，很小的异步转矩就可使之进入到稳步的异步运行。但是，因吸收无功功率相对过大之后，电流远超额定负载，而导致线路对侧开关后备过流保护动作，切除了对侧线路开关；最终造成1、2 号机组与系统主网解列，而形成了局部"小电网"。与此同时，由于"小电网"内两台机组异步运行初始值不同，此时的被迫同步，必然会出现机组间振荡；当交流电源恢复时，1 号机组励磁迅速恢复至运行状态， 而2 号机组则因励磁调节器未能恢复至工作状态；此时，1 号机组为了维持机端电压而提供了强励电流；最终，造成2 号机组失步， 造成了转子回路发生较为严重的过电压而使2 号灭磁柜起火，烧毁了熔断器、转子过电压保护氧化锌电阻器等一些设备。

3、事故的防范措施

3.1 优化励磁调节器工作电源

因为外部交直流电源一直是原有的发电机组励磁调节器采用接线方式，并没有采用机组励磁变压器作为其后备源，这样一来就励磁调节器工作电源的安全性与稳定性就在很大程度上降低了，本次事故的主要因素就是如此。交直流电源在同一时间内短时中断是极可能发生的现象，此时我们完全可以在这个期间内保持各个机组的稳定运行，就会把发电机组、设备等继发性事故的发生率降到最低。而相反的励磁变压器提供电源未能及时，结果就导致了機组发生失磁现象，而直流电源尚处于故障，根本无法有效保障保护可以完成正确的动作，从而就有可能导致事故扩大化[1]。因此，我认为可以将励磁系统之中的变压器电源作为调节器工作电源，以进一步提高电源的稳定性，避免或降低事故的发生。

3.2 改造转子过电压保护

按照国内的标准， 目前的转子过电压保护均未要求考虑大滑差及非全相运行， 而国内每年都有一些机组由于这方面的原因而受到不同程度的损坏，水轮发电机容易受到损坏。因此， 建议对该机组的转子过电压保护进行改造， 使其能够承受一定时间的大滑差及非全相运行（20 s 以上即可）。这方面国内已经有了一定的经验， 其投资相对于发电机的损坏是微不足道的。方案一， 将RV2 换成专用的大滑差及非全相运行转子过电压保护， 跨接器的动作

值应该设计得比RV3 还要高一些；方案二， 采用灭磁用氧化锌电阻器和转子过电压保护用氧化锌电阻器RV2 合并共用的方式， 氧化锌非线性电阻器的能量耐量再加大20 % ～ 30 %， 同时兼顾灭磁和各种转子过压保护， 其跨接器的动作值应该设计得比RV3 的值略小，这样就可以避免出现类似事故了。

3.3 加强对直流系统的维管工作

从此次事故中我们看到，电厂采用的直流系统蓄电池发生老化现象且防硫化回路也未正式使用。他们还将原有铅酸蓄电池更换为质量较好的免维护、合密封阀控蓄电池，但其维护管理工作落实不到位，长期未能对其进行容量校核。蓄电池组中有多个电池内阻很大，个别的内阻已经接近开路，个别末端电池已经出现严重过充现象，这些就使其一直处于不良的工作状态。我们知道直流系统是电力设备控制、保护的重要设备，我们必须全方位的对直流系统设备的日常维护、检查、管理工作深入落实，加强管理，要及时对蓄电池进行定期和不定期的检查、维护工作，严格做好其容量检测试验；以避免因直流失压而引发的各种生产事故。

3.4 定期检查、检测关键设备

励磁事故的发生，相应的暴露了对一些关键设备的检查、检测没有落到实处，写进相关制度中。一个疏忽。一个不及时，就会导致一些元器件老化、受损等。比如氧化锌电阻器对其所处的工作环境要求相对较高，高温、潮湿、灰尘等均会导致其老化加快，因此，我们应及时加强对氧化锌电阻器的维护、管理与检测工作。于此同时，对跨接器，如触发器、二极管、晶闸管等以及其回路等也应该及时进行全面的检测，这样就可确保其可以按照正确的逻辑进行动作，采用灭磁开关辅助触点做跨接器的，我们还必须对其与主触头之间的动作灵活度、时间配合是否合理等问题进行仔细的检查、检测。

综上所述，针对2013 年4 月某水电厂3号水轮发电机组的励磁事故原因进行了一系列系统的排查和逐一分析；并就引发该事故主要原因---励磁调节器工作电源非独立， 且没有后备电源问题进行了优化改造进行了改进。同时，也要求从优化转子过电压保护、加强对直流系统的维管工作、定期对关键设备进行检查、检测等方面入手，全面地加强对相关设备的维管工作，这样就会避免或降低事故的发生。

参考文献

[1]王忠礼，段彗达，高玉峰.Matlab 应用技术在电气工程与自动化专业中的应用[M].北京：清华大学出版社，2007.

[2]孔大明，高潮，王永贵，等.水电厂发变组高压侧开关非全相故障仿真分析[J].水电自动化与大坝监测，