一種百萬(wàn)機(jī)組三機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁電源故障處理方法

肖華賓

(神華廣東國(guó)華粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司，廣東 臺(tái)山 529228)

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一種百萬(wàn)機(jī)組三機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁電源故障處理方法

肖華賓

(神華廣東國(guó)華粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司，廣東 臺(tái)山 529228)

針對(duì)ABB UNITROL 5000勵(lì)磁系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的運(yùn)行現(xiàn)狀，為降低百萬(wàn)機(jī)組三機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的故障時(shí)的電量損失，縮短勵(lì)磁系統(tǒng)故障處理時(shí)間，研究并實(shí)施了一種適用于大型發(fā)電機(jī)組三機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁電源故障的處理方法。結(jié)合一起勵(lì)磁系統(tǒng)電源開關(guān)故障引發(fā)的失磁保護(hù)動(dòng)作事件，提供了一種非常規(guī)的事故處理方法，即在不改變勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行工況的情況下，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)正確更改電氣一次及二次回路接線，徹底隔離部分故障元器件，實(shí)現(xiàn)完全滿足自動(dòng)勵(lì)磁系統(tǒng)工作原理的目的。經(jīng)動(dòng)態(tài)測(cè)試和運(yùn)行實(shí)踐檢驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法能有效提高大型發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，有利于縮短現(xiàn)場(chǎng)故障處理時(shí)間，降低大型機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)故障概率、運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)以及系統(tǒng)維修成本。

百萬(wàn)機(jī)組；三機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁；轉(zhuǎn)子測(cè)量碳刷；滑環(huán)

在現(xiàn)代化的電力系統(tǒng)中，提高同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性，是保證電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定的基本條件之一。在眾多改善同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行條件的措施中，運(yùn)用現(xiàn)代控制理論、提高勵(lì)磁系統(tǒng)的控制性能是公認(rèn)的有效手段之一[1]。尤其是近年來(lái)，電力系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大加速和發(fā)電機(jī)組容量持續(xù)增大，國(guó)產(chǎn)百萬(wàn)機(jī)組投運(yùn)越來(lái)越多，勵(lì)磁系統(tǒng)作為發(fā)電機(jī)組的重要組成部分，其安全穩(wěn)定性直接影響到發(fā)電廠乃至電網(wǎng)的安全。

當(dāng)前，百萬(wàn)機(jī)組主要采用三機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁和靜態(tài)勵(lì)磁兩種自動(dòng)勵(lì)磁方式，其中三機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)占比相對(duì)較少。隨著ABB勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展和市場(chǎng)擴(kuò)張的需要，ABB UNITROL 5000勵(lì)磁系統(tǒng)于 2013 年就已經(jīng)停產(chǎn)，其應(yīng)用隨之越來(lái)越少，國(guó)內(nèi)備件儲(chǔ)備不足，同時(shí)ABB UNITROL 5000勵(lì)磁系統(tǒng)電源故障的處理經(jīng)驗(yàn)和手段非常有限。基于現(xiàn)狀，在勵(lì)磁系統(tǒng)電源故障的處理上，提出一種不同的現(xiàn)場(chǎng)緊急事故處理應(yīng)對(duì)方法，同時(shí)提出避免該類型電源問(wèn)題的建議。

1 三機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)介紹

神華廣東國(guó)華粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司(以下簡(jiǎn)稱“神華臺(tái)電”)6號(hào)、7號(hào)1 000 MW級(jí)發(fā)電機(jī)組采用的是上海電氣電站設(shè)備有限公司生產(chǎn)的三機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)。系統(tǒng)接線如圖1所示，其中：主勵(lì)磁機(jī)選型為ELR-70/90-30/6-20N，額定容量4 500 kW，額定直流電壓600 V，額定直流電流7.5 kA；副勵(lì)磁機(jī)額定容量65 kVA，額定電壓220 V，額定電流195 A，功率因數(shù)0.6，頻率400 Hz[2]；發(fā)電機(jī)選型為THDF-125/67，額定容量為1 112 MVA，額定功率為1 000 MW，額定電壓為27 kV，額定電流為23 778 kA，額定勵(lì)磁電壓為437 V，額定勵(lì)磁電流為5 887 A[3]；電源選擇開關(guān)(Q70)選型為C125 150 A/690 V，額定電流125 A；勵(lì)磁開關(guān)(Q02)為SACE TMAX 3P T30 250 400 Hz的三相250 A塑殼斷路器。

圖1 三機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)接線原理

三機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)是由永磁副勵(lì)磁機(jī)產(chǎn)生400 Hz三相交流電，通過(guò)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器(automatic voltage regulator，AVR)整流和控制提供一可變的直流電流給主勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁。在主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子感應(yīng)的150 Hz三相交流電經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流橋整流后，通過(guò)轉(zhuǎn)軸內(nèi)的直流引線提供給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組。整流后的直流電流不經(jīng)過(guò)滑環(huán)和電刷，直接與發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組相連[4-6]。

表1為勵(lì)磁系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比[7-8]，由此反映出無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)日常維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單、工作量相對(duì)較少，但元件一旦發(fā)生故障，需要停機(jī)處理的機(jī)率較大，所以其使用率相對(duì)較低。神華臺(tái)電基建期間為了能夠?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)正、負(fù)極電壓以及配置發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)，要求制造單位在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路中設(shè)計(jì)了測(cè)量及保護(hù)用正、負(fù)極碳刷，但是這種在三機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)中加裝轉(zhuǎn)子正、負(fù)極碳刷的設(shè)計(jì)，更容易引發(fā)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路的故障，從而導(dǎo)致勵(lì)磁系統(tǒng)電源出現(xiàn)故障。

表1 勵(lì)磁系統(tǒng)主要優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

2 故障及原因分析

2014年12月10日8時(shí)56分，6號(hào)機(jī)組負(fù)荷923 MW，無(wú)功132 Mvar，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓312 V，副勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電壓44 V，勵(lì)磁電流88 A。機(jī)組各運(yùn)行參數(shù)正常，無(wú)任何操作。8時(shí)56分24.589秒，6號(hào)發(fā)電機(jī)突然跳閘，汽輪機(jī)聯(lián)跳，鍋爐甩負(fù)荷，分散控制系統(tǒng)(distribute control system，DCS)報(bào)警記錄為6號(hào)發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動(dòng)作。

2.1 二次設(shè)備檢查分析

9時(shí)10分，現(xiàn)場(chǎng)檢查確認(rèn)發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動(dòng)作原因?yàn)閯?lì)磁系統(tǒng)故障。9時(shí)20分，就地拆開滅磁開關(guān)柜背板，發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)Q70開關(guān)燒損，故障情況如圖2所示。

1—7號(hào)端子；2—黑色接線；3—白色接線；4—藍(lán)色接線。圖2 Q70開關(guān)故障外觀

從圖2可看到，最明顯的是7號(hào)端子接線嚴(yán)重?zé)龘p，該端子為副勵(lì)磁機(jī)輸出V相電源。進(jìn)一步分析認(rèn)為6號(hào)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)Q70開關(guān)內(nèi)部觸點(diǎn)故障(其中黑色接線為三相交流電源的輸入、白色接線為三相交流電源的輸出、藍(lán)色接線為Q70開關(guān)輔助觸點(diǎn)二次回路接線)，導(dǎo)致勵(lì)磁系統(tǒng)主電源失電，發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動(dòng)作跳閘。Q70開關(guān)位置(分為PMG、OFF及AUX/TEST 3種，PMG為正常運(yùn)行狀態(tài)位置、OFF為機(jī)組停運(yùn)狀態(tài)位置、AUX/TEST為輔助/試驗(yàn)狀態(tài)位置)及觸點(diǎn)通斷狀態(tài)見表2。

表2 Q70開關(guān)的位置及觸點(diǎn)通斷狀態(tài)

開關(guān)位置觸點(diǎn)通斷狀態(tài)1-2,5-6,9-103-4,7-8,11-1213-14,15-1617-18,19-20PMG斷開導(dǎo)通斷開斷開OFF斷開斷開斷開導(dǎo)通AUX/TEST導(dǎo)通斷開導(dǎo)通斷開

從表2可以看出，Q70開關(guān)正常運(yùn)行在PMG位置，即3-4、7-8、11-12觸點(diǎn)導(dǎo)通，分別將永磁副勵(lì)磁機(jī)產(chǎn)生的三相400 Hz交流電輸出至Q02開關(guān)再經(jīng)晶閘管整流。由于永磁副勵(lì)磁機(jī)額定電流為195 A、而Q70開關(guān)額定電流為125 A、Q02開關(guān)額定電流為250 A，初步判斷二次設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)是Q70開關(guān)。

2.2 一次設(shè)備檢查分析

檢查6號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓測(cè)量碳刷架，發(fā)現(xiàn)碳刷架緊固穿心螺桿與正、負(fù)極電刷把銅套止動(dòng)銷均有灼傷痕跡。間歇停運(yùn)盤車后，發(fā)現(xiàn)正極滑環(huán)引線接線端側(cè)的負(fù)極滑環(huán)表面有嚴(yán)重的電灼傷痕跡(如圖3所示)，另測(cè)量正極滑環(huán)引線接線端對(duì)負(fù)極滑環(huán)絕緣低至約0.1 MΩ。

圖3 負(fù)極滑環(huán)放電灼傷點(diǎn)

轉(zhuǎn)子電壓測(cè)量刷架緊固穿心螺桿放電灼傷(如圖4所示)。認(rèn)為在電刷架設(shè)計(jì)上存在缺陷，電刷把上的銅套止動(dòng)銷與刷架穿心緊固螺桿距離太近(如圖5所示)，受天氣潮濕、灰塵和發(fā)電機(jī)潤(rùn)滑油油氣的影響，易造成刷架緊固螺桿和正負(fù)極刷把爬電，導(dǎo)致正負(fù)極瞬間短路放電。

圖4 刷架緊固穿心螺桿放電灼傷點(diǎn)

圖5 刷架緊固穿心螺桿與刷把結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子電壓測(cè)量負(fù)極滑環(huán)電灼傷，實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)子電壓測(cè)量正極滑環(huán)引線連片與負(fù)極滑環(huán)之間絕緣距離僅有1.6 cm，再加上轉(zhuǎn)子測(cè)量滑環(huán)與8號(hào)瓦安裝緊湊，同在滑環(huán)罩內(nèi)，罩內(nèi)電刷粉及油霧較多，滑環(huán)運(yùn)行環(huán)境比較差，更容易造成轉(zhuǎn)子正極引線與滑環(huán)間絕緣薄弱。

2.3 綜合分析

通過(guò)上述檢查分析，勵(lì)磁系統(tǒng)Q70開關(guān)故障主要是由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓測(cè)量正極滑環(huán)引線連片與負(fù)極滑環(huán)之間絕緣距離過(guò)短、滑環(huán)運(yùn)行環(huán)境較差，在機(jī)組較長(zhǎng)時(shí)間有功功率特別是無(wú)功功率都處于高峰負(fù)荷(此時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓處于高值)的情況下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子正極引線端對(duì)負(fù)極滑環(huán)放電擊穿、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子正極滑環(huán)-碳刷與轉(zhuǎn)子負(fù)極滑環(huán)-碳刷接觸面間歇性拉弧、甚至瞬間短路所致。當(dāng)然Q70開關(guān)額定電流選型偏小也是主要原因之一。

3 電源故障處理及試驗(yàn)

10時(shí)10分，查詢公司備件庫(kù)，確認(rèn)勵(lì)磁系統(tǒng)Q70開關(guān)無(wú)備件，考慮年底機(jī)組發(fā)電任務(wù)重，形成如下應(yīng)急處理方案。即在無(wú)事故備件的情況下，不改變勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行的工況，主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)正確更改Q70開關(guān)有關(guān)電氣一次及二次回路接線，徹底隔離、摘除Q70有關(guān)部分故障元器件，以及對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等故障部位進(jìn)行有效處理，實(shí)現(xiàn)完全滿足ABB UNITROL 5000自動(dòng)勵(lì)磁系統(tǒng)工作原理的目的，進(jìn)一步提高勵(lì)磁系統(tǒng)整體運(yùn)行的可靠性。

3.1 Q70開關(guān)故障處理

將燒損的Q70開關(guān)拆除，勵(lì)磁系統(tǒng)電源一次輸入回路直接從副勵(lì)磁機(jī)輸出母排端子引至Q02開關(guān)上口。二次回路加裝端子排，根據(jù)Q70開關(guān)處于PMG狀態(tài)進(jìn)行拆接線(即保持13-14、15-16、17-18、19-20四對(duì)輔助觸點(diǎn)斷開；3-4、7-8、11-12三對(duì)主觸點(diǎn)導(dǎo)通)。

3.2 轉(zhuǎn)子電壓測(cè)量刷架緊固穿心螺桿放電灼傷處理

打磨電刷把上的銅套止動(dòng)銷與刷架穿心緊固螺桿，作加強(qiáng)絕緣處理，并在螺桿與銅套止動(dòng)銷間加墊絕緣塊進(jìn)行隔離處理。

3.3 轉(zhuǎn)子電壓測(cè)量正極引線連片及負(fù)極滑環(huán)電灼傷處理

清理正極滑環(huán)引線接線端螺桿，打磨灼傷的滑環(huán)端表絕緣層并且刷絕緣漆；更換正負(fù)極滑環(huán)引線的連接片；在正負(fù)極滑環(huán)兩側(cè)面及正極滑環(huán)與轉(zhuǎn)軸間加刷絕緣漆，以加強(qiáng)滑環(huán)絕緣。

3.4 絕緣檢查

用直流電阻測(cè)試儀測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組和測(cè)量滑環(huán)引線的直流電阻、測(cè)量主勵(lì)磁機(jī)及副勵(lì)磁機(jī)繞組直流電阻，經(jīng)比對(duì)均合格；用1 000 V兆歐表測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組和測(cè)量滑環(huán)引線對(duì)地及正負(fù)極間絕緣、測(cè)量主勵(lì)磁機(jī)及副勵(lì)磁機(jī)繞組對(duì)地絕緣均合格。

3.5 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

上述測(cè)試合格后開展勵(lì)磁系統(tǒng)相關(guān)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，副勵(lì)磁機(jī)電源輸出相序幅值測(cè)試、給定階躍試驗(yàn)、發(fā)電機(jī)零起升壓和起勵(lì)試驗(yàn)、手/自動(dòng)切換試驗(yàn)、雙通道切換試驗(yàn)、滅磁試驗(yàn)、波形測(cè)試分析以及發(fā)電機(jī)假同期試驗(yàn)[9-10]。

17時(shí)45分，有關(guān)試驗(yàn)完畢，確認(rèn)勵(lì)磁系統(tǒng)電源故障處理正確且經(jīng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)合格。18時(shí)12分，發(fā)電機(jī)組正式并網(wǎng)發(fā)電。

3.6 試驗(yàn)總結(jié)

本次事故的設(shè)備故障點(diǎn)較多以及處理手段都與其它大型發(fā)電機(jī)組三機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)明顯不同，在沒(méi)有故障備件更換和設(shè)備廠家到廠技術(shù)服務(wù)的緊急情況下，進(jìn)行了事故現(xiàn)場(chǎng)緊急處理，特別是Q70開關(guān)的回路處理，雖然技術(shù)人員承擔(dān)了巨大的風(fēng)險(xiǎn)，但從勵(lì)磁試驗(yàn)結(jié)果和機(jī)組運(yùn)行效果來(lái)看是成功的，也是與眾不同的。既節(jié)約了今后的備件成本，又降低了設(shè)備故障的安全風(fēng)險(xiǎn)。

4 設(shè)計(jì)選型建議

a) Q70開關(guān)的額定電流125 A選型偏小，應(yīng)該增大，建議選擇250～300 A。

b) 考慮冗余的需要，也可以將兩個(gè)原設(shè)計(jì)選型的Q70開關(guān)進(jìn)行并聯(lián)使用。

c) 根據(jù)Q70開關(guān)PMG、OFF及AUX/TEST三種可選擇的工作位置，建議采用三相式單刀雙擲刀閘來(lái)代替，同時(shí)增加一組AUX/TEST位置的重動(dòng)繼電器來(lái)切換13-14、15-16、17-18、19-20四對(duì)輔助觸點(diǎn)。

d) 每逢發(fā)電機(jī)組停運(yùn)，建議仔細(xì)檢查、測(cè)試發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓測(cè)量刷架、緊固穿心螺桿、測(cè)量滑環(huán)引線、轉(zhuǎn)子滑環(huán)等有關(guān)元件，確保相關(guān)電氣設(shè)備絕緣、電氣回路接線完好。

e) 如果是基建初期機(jī)組設(shè)計(jì)選型階段，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁方式最好設(shè)計(jì)選型為靜態(tài)勵(lì)磁，這樣機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的冗余度和安全性相對(duì)會(huì)更可靠一些。

5 結(jié)束語(yǔ)

拆除故障的Q70開關(guān)并改動(dòng)有關(guān)回路接線，以及處理轉(zhuǎn)子電壓測(cè)量刷架、緊固穿心螺桿、測(cè)量滑環(huán)引線、轉(zhuǎn)子滑環(huán)等有關(guān)元件存在的問(wèn)題，相關(guān)電氣設(shè)備絕緣、電氣回路接線以及發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)等均滿足國(guó)標(biāo)和設(shè)備參數(shù)要求，是一種成功的處理方法。對(duì)于不同的發(fā)電機(jī)組，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備故障形式多種多樣，備品備件庫(kù)存管理等存在差別，采取的故障處理手法自然也不盡相同。本文僅從百萬(wàn)機(jī)組ABB UNITROL 5000三機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，因地制宜，靈活應(yīng)對(duì)，摸索出了一套三機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)電源故障處理的有效方法，以供參考。

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(編輯 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

肖華賓(1970)，男，江西南昌人。高級(jí)工程師，高級(jí)技師，工學(xué)學(xué)士，從事大型火力發(fā)電廠繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置的調(diào)試、維護(hù)及技術(shù)管理工作。