ABBU5000勵磁跨接器原理分析及整定維護

郭志斌

(國電黃金埠發電有限公司，江西 上饒 335101)

ABBU5000勵磁跨接器原理分析及整定維護

郭志斌

(國電黃金埠發電有限公司，江西 上饒 335101)

介紹了ABB U5000系統勵磁跨接器的構成和工作原理，梳理了3起該型號跨接器故障誤跳機組的案例，分析了引起跨接器故障的潛在危險點；同時，對跨接器電流動作值的合理設定進行了分析，并提供了該定值的參考整定方案；最后，針對危險點提出了相應的日常運行維護內容以及檢修期間的常規檢查項目，以避免該類型跨接器誤跳機組事故的發生。

跨接器；霍爾電流互感器；轉子過電壓；危險點

0 引言

運行中的發電機如果出現內部故障，繼電保護就會迅速動作跳開出口開關，將發電機從系統中切除；同時，勵磁系統的滅磁開關也會立即跳開，切斷發電機的感應電勢，防止給短路點提供故障電流。但是，由于發電機的轉子線圈是個大電感，突然斷開滅磁開關時將在轉子線圈兩端產生很高的過電壓；另外，當發電機在運行中突然發生短路、非全相合閘、非同期并網、失步時，也都會在轉子線圈中產生過電壓。為了防止上述過電壓對轉子線圈絕緣造成破壞，ABB U5000勵磁系統采用跨接器對轉子回路予以保護。

1 跨接器的工作原理

在ABB U5000勵磁系統中，跨接器的主要作用有2點：一是用于滅磁，即在滅磁開關跳開時，瞬間投入跨接器，將轉子線圈的磁場快速減弱到最小程度；二是用于轉子正向、反向過電壓保護。

跨接器由-A02單元和-F02單元組成。-A02單元是一個主要由過電壓檢測元件(V1000)組成的觸發板；-F02單元主要由晶閘管V1-V3及霍爾電流互感器T1組成，如圖1所示。

圖1 U5000跨接器示意

1.1 主要元器件功能

(1) 過電壓檢測元件(BOD)：實質上為一個轉折二極管，即圖1中的V1000元件；當其正向電壓達到動作值時，該二極管導通，但只能單向導通。

(2) V1-V3晶閘管：轉子正、反向過電壓導通晶閘管。當其任意一個導通時，滅磁電阻就并入到轉子線圈吸收轉子能量。

(3) T1霍爾電流互感器(CUS)：用于監測跨接器的電流，其額定電流為2000A，且線性度和精度都非常高。傳感器的輸出能夠產生與鐵芯內所流過電流成正比的差分電壓。通過參數項【925】來整定該電流的動作值，當所檢測的電流超過定值時，過電壓保護動作，跳滅磁開關并停機。其輸入輸出如圖2所示。

圖2 霍爾電流互感器輸入輸出特性示意

(4) K1，K2，K3滅磁開關跳閘繼電器：當滅磁開關跳閘時，繼電器K1或K2動作，直接觸發V2和V3可控硅，投入滅磁電阻。串聯在K1和K2繼電器線圈的電阻是操作電壓選擇電阻；K2線圈兩端的電容起延時作用，可以讓這2個繼電器先后動作；K3是備用繼電器，沒有使用。

1.2 轉子正、反向過電壓時跨接器的工作原理

當轉子線圈兩端產生正向過電壓時，圖1中的V1晶閘管、轉折二極管(V1000)都將感受到正向電壓；當電壓數值達到V1000的擊穿電壓時，V1000導通，觸發V1晶閘管的控制極，V1晶閘管導通，投入滅磁電阻吸收轉子能量。V1控制極在圖1中的導通途徑為：V9→R11→V4→V1000→V7→V1控制極，其簡圖如圖3所示。

當轉子線圈兩端產生反向過電壓時，圖1中的V2晶閘管、轉折二極管(V1000)都將感受到正向電壓；當電壓值達到V1000的擊穿電壓時，V1000導通，觸發V2晶閘管的控制極，V2晶閘管導通，投入滅磁電阻吸收轉子能量。V2控制極在圖1中的導通途徑為：V8→V5→V1000→V6→R11→V2控制極，其簡圖如圖4所示。

圖3 轉子正向過電壓V1導通途徑

圖4 轉子反向過電壓V2導通途徑

1.3 滅磁時跨接器的工作原理

滅磁開關跳閘后，瞬間在轉子兩端產生反向電壓，晶閘管V2，V3感受到正向電壓。同時，滅磁開關跳閘繼電器K1，K2先后動作，其接點直接觸發V2，V3晶閘管的控制極，觸發其導通，將滅磁電阻并入轉子線圈吸收能量，快速降低發電機電勢。V2控制極在圖1中的導通途徑為：K1繼電器常開接點→可調電阻T2→V2控制極；V3控制極在圖1中的導通途徑為：K2繼電器常開接點→可調電阻T1→V3控制極；其簡圖如圖5，6所示。

2 跨接器故障案例

(1) 案例1。某電廠機組在正常運行時，AVR(自動電壓調節器)報“轉子過電壓”并跳開滅磁開關，聯跳發變組開關，事故停機。經檢查發現，跨接器CUS元件上面的SUB-D型端子的第7管腳發生嚴重電腐蝕導致斷路，為干擾的輸入提供了條件。機組運行過程中，在勵磁屏關門的瞬間，門控開關的接點動作，切斷屏體日光燈電源，日光燈鎮流器線圈放電產生高次諧波電壓信號，此干擾信號從CUS的開路點輸入FIO(快速輸入/輸出板)，達到跨接器電流動作設定值(參數項【925】設置為120A)，使得勵磁邏輯報“轉子過電壓故障”而跳開滅磁開關；但實際轉子主回路并未發生過電壓，跨接器發生誤動而導致跳機。

圖5 滅磁時V2導通途徑

圖6 滅磁時V3導通途徑

(2) 案例2。2012-11-21T14:22，某發電廠2號機組跳閘，DCS發“勵磁裝置總報警”、“勵磁系統故障”、“勵磁跳閘”信號，發變組開關跳閘，聯跳汽輪機，鍋爐滅火。就地檢查2號機發變組保護柜發“勵磁系統故障”報警，檢查發現勵磁調節器發“轉子過電壓”報警跳閘。2012-11-23T06:17，2號機組再次跳閘，現象與上次相同。經檢查，故障原因為跨接器觸發板BOD元件存在質量問題，在正常運行中誤觸發了V1晶閘管，導致轉子過電壓保護誤動，機組跳閘。

(3) 案例3。某600MW火電機組采用ABB U5000自并勵系統，在機組大負荷工況下，AVR報轉子過電壓故障導致滅磁開關跳閘、機組解列。檢查勵磁系統和發電機轉子繞組未發現異常，再檢查AVR跨接器參數，發現參數項【925】跨接器電流動作設定值為100A；由于其定值過小，未能躲開直流母排上大容量勵磁電流帶來的干擾，從而導致跨接器誤動跳機。

3 跨接器故障危險點分析

梳理上述幾起跨接器故障案例發現，跨接器危險點主要集中在CUS元件和BOD元件。這其中包括硬件的缺陷，又包括軟件設置不合理，主要有以下6點：

(1) CUS裝設在滅磁柜內，周圍布滿了直流母排，機組正常運行時直流母排的電流為數千安培，強勵時其電流接近上萬安培，對CUS元件的輸出端存在著較大干擾；

(2) CUS元件的輸出端為差分電壓，其幅值很小，一旦輸出端子開路，則小干擾信號也能通過開路點輸送到AVR，從而造成AVR的誤判；

(3) 跨接器電流動作設定值不合理，保護動作值過小，未能躲開機組正常運行時產生的干擾；

(4) 跨接器觸發板BOD元件發生缺陷，誤觸發晶閘管；

(5) -A02單元與-F02單元之間的連接不可靠帶來的危險；

(6) CUS元件與FIO板之間的連接端子松動及連接電纜斷裂帶來的危險。

4 跨接器的維護

4.1 合理設置跨接器電流動作值

合理設置跨接器電流動作值【925項】，可以有效避免跨接器的誤動。一般廠家推薦的經驗值為100A或120A；但經實踐證明，該經驗值并不符合現場實際情況，在某些特殊工況下容易導致誤動。

理論上，機組正常運行時跨接器不接通，跨接器流過的電流為毫安級的漏電流；但由于CUS安裝在滅磁柜內，其輸出端受直流母排的干擾比較大，機組正常運行時【10929】項所檢測到的跨接器電流也大。但該電流并非跨接器的實際電流，而是由干擾信號產生的虛假電流。由于AVR對此無法區分，自動默認該虛假電流為跨接器的實際電流，導致干擾信號產生的虛假電流值與勵磁電流的大小基本成正比。另外，在CUS元件輸出端開路的情況下，因受到的干擾信號越強烈，虛假電流也越大，所以，應以現場所測得的跨接器電流為依據來整定跨接器電流動作值。該電流值的整定原則應為躲過最大勵磁電流運行工況下且CUS輸出端開路時干擾信號產生的虛假電流。通過對相關資料的搜集和分析，可按如下公式對跨接器電流動作值【925項】進行計算：

式(1)中，Ir.set為跨接器電流動作值；Ien為發電機額定勵磁電流，乘以2為最大勵磁電流運行工況(強勵)；Ie為某正常運行工況下的勵磁電流，工況選擇以實際運行勵磁電流越大越好；Ir為某正常運行工況下【10929】項所檢測到的跨接器電流；Kd為裕度系數，一般設置為1.2；Kk為CUS元件輸出端開路時的可靠系數，一般設置為1.5-1.6。

以某公司2號發電機為例，該機額定勵磁電流為4 638 A，2013-12-11某正常運行工況下的勵磁電流為2 968 A，通過【10929】項檢測到在此工況下的跨接器電流為46 A，根據公式(1)，Ir.set=2×4 638÷2 968×46×1.2×1.6=276 A≈280A， 則該臺機組整定的跨接器電流動作值【925項】為280A。

4.2 機組正常運行時的日常維護

(1) 檢查勵磁小室的溫度是否合適，通風是否良好，以防板卡電子元器件過熱而損壞。

(2) 及時更換勵磁系統的濾網，防止板卡積灰而影響電子元器件的性能。

(3) 通過【10929】項跟蹤觀察跨接器電流的大小，出現異常要立即分析原因。

(4) 對出現的跨接器報警信息，要及時分析原因并及時處理。

4.3 機組檢修期間的檢查

4.3.1 霍爾電流互感器的檢查

霍爾電流互感器(CUS)被放置在環形鐵芯的氣隙中，CUS的接頭連到船形插座，插座、環形鐵芯和傳感器均澆注在一個塑料盒內，如圖7所示。

CUS經船型插座通過電纜與FIO板連接，其連接如圖8所示。

根據其結構及布置，應對CUS元件進行以下檢查：

(1) 檢查CUS外殼有無裂痕，是否完整；

(2) 檢查船型插座是否完好，是否松動，管腳有無開路現象；

(3) 檢查CUS元件與FIO之間的連接電纜是否完好；

(4) 檢查FIO板與CUS元件連接的端子是否完好，插座是否緊固。

圖7 霍爾電流互感器外形

圖8 霍爾電流互感器與FIO板連接示意

4.3.2-A02觸發板的檢查

(1) 檢查觸發板板卡是否完好，元件有無燒黑、放電等現象。

(2) 檢查BOD元件是否完好，管腳接觸是否良好。

(3) 檢查-A02觸發板與-F02單元之間的連接是否完好，有無松動。

4.4 發電機滅磁試驗

機組檢修結束后，應按照相關標準對發電機進行滅磁試驗，檢查跨接器的性能，測量滅磁時跨接器的動作電壓值、動作電流值應符合整定值，轉子過電壓保護不應該動作。

5 結束語

同步發電機安全可靠的滅磁，不僅關系到勵磁系統本身的安全，而且直接關系到電力系統的穩定。對發電機轉子回路產生的過電壓，必須采取有效措施來限制，以保護發電機轉子絕緣和勵磁裝置的安全運行。ABB U5000勵磁系統跨接器為發電機轉子回路提供了快速、可靠的保護，只要設置合理，維護得當，就能有效避免該類型跨接器誤跳機組事故的發生。

1 王君亮．同步發電機勵磁系統原理與運行維護[M]．北京：中國水利水電出版社，2010.

2 陳杰鳳．UN5000勵磁系統跨接器_CROWBAR_故障的技術分析與處理[J]．大電機技術，2007，37(5)：49-52．

2015-05-10。

郭志斌（1975-），男，繼電保護技師，主要從事發電廠繼電保護及自動化裝置維護和管理工作，email:1044682068@qq.com。