勵磁系統常見故障及應對措施

廣東省羅定市金銀河水電樞紐工程管理區

摘要：保持勵磁系統良好狀態，對于水電站安全生產具有十分重要的作用，因此本文對勵磁系統工作原理、常見故障及其應對措施進行了探討。

關鍵詞：故障；措施；勵磁系統；水輪發電機

勵磁系統（excitation system）是向水輪發電機轉子繞組提供磁場電流的裝置，其主要作用是維持發電機電壓在給定水平上、合理分配無功以及提高電力系統運行穩定性[1]。可見，維護和調試好勵磁系統對于保障水電生產的安全運行意義重大。但是我們也知道任何設備在運行中都可能出現故障，如何針對故障快速診斷和排除是維護人員重要職責和任務，勵磁系統自然也不例外，因此本文對水輪發電機勵磁系統常見故障與應對措施進行了探討。

1 水輪發電機勵磁系統工作原理

1.1 關于勵磁方式

水輪發電機的勵磁方式分他勵和自勵兩大類。他勵主要是以勵磁機作為勵磁電源的一種勵磁方式，自勵的勵磁電源取自發電機自身。雖然他勵方式不受發電機運行狀態影響，勵磁可靠性較高，但是結構較為復雜，多出現在舊式勵磁系統中，目前基本上采用自勵方式。在自勵方式中，應用較多的是可控硅靜態勵磁方式，它沒有旋轉部分，維護相對簡單。可控硅靜態勵磁方式又分為自并勵和自復勵兩種形式，兩者比較起來自并勵方式從技術、維護、可靠性和造價等方面都更為成熟和適用，因而應用更廣泛，故此本文將自并勵方式作為討論的基礎。

1.2 自并勵系統的原理與構成

如圖1所示，自并勵系統利用接在發電機端的勵磁變壓器勵磁交流電源，通過晶閘管整流裝置變換為直流勵磁電源。再結合圖2，水輪發電機勵磁系統由勵磁調節器、勵磁整流裝置、起勵裝置、滅磁裝置、勵磁變壓器以及保護、測量等裝置組成。其中勵磁系統由勵磁調節器與功率滅磁單元構成，勵磁調節器根據所檢測到的發電機電壓、電流等信號，按照一定的控制準則自動調節功率滅磁單元的輸出；而勵磁控制系統則涵蓋了勵磁系統和同步發電機，通過勵磁控制系統可以實現對發電機電壓、電力系統無功分配的控制。可見，勵磁系統由眾多相互關聯的環節所組成，任一環節出現故障都可能影響發電機的運行。

2 水輪發電機勵磁系統常見故障與應對措施

2.1 起勵失敗

起勵失敗是指勵磁系統下達投勵指令后，發電機無法建立初始電壓的故障現象[2]。由于水輪發電機勵磁系統型號眾多，參數設置和信號顯示也有所差異，就以EXC9000勵磁系統為例說明，在10s內機端電壓仍低于發電機額定電壓的10%，調節器顯示屏會報“起勵失敗”信號。造成起勵失敗的原因非常多，比較常見的有[3-4]：（1）開機檢查有疏漏，如功率柜交直流刀閘、起勵開關、滅磁開關、PT高壓側刀閘、同步變壓器保險座開關等沒有合上。（2）起勵回路有故障，如線路松動或元器件損壞。（3）調節器故障。（4）采用“殘壓起勵”模式，而轉子側剩磁不夠。（5）新手操作生疏，按壓起勵按鈕時間太短，不足5s。

解決辦法：（1）嚴格按照程序檢查開機狀態，復核所有環節，避免疏漏。（2）細心觀察，如懷疑起勵回路故障，通過觀察起勵接觸器動作、吸合聲響判斷，無聲響可能是回路故障；若是調節器故障，可觀察調節器I/O板第9號開關輸入指示燈是否常亮，燈不亮依次檢查接線和上位機指令是否發出。（3）設備檢修后，檢查人機界面起勵方式是否合適，通過調整起勵方式或更換通道重新開機。（4）維護檢修后的故障，不少是先前操作留下的，耐心回想一下曾動過什么就能發現一些苗頭，如轉子與勵磁輸出的電纜是否接反了。

2.2 勵磁不穩定

發電機運行過程中，勵磁波動過大，例如勵磁系統運行數據增大，但有時又正常，無規律可循，并且仍可以進行加減磁的調節。可能原因是：（1）移相脈沖控制電壓輸出不正常。（2）環境溫度變化以及元器件受到振動、氧化等影響出現故障。針對第1種原因，應先檢查勵磁電源是否正常，應分別檢查給定值和經適配單元處理后的測量值（發電機電壓或勵磁電流）是否正常。對第2種原因，利用示波器觀察整流波形是否完整，再用萬用表檢查可控硅性能是否正常，線路焊接狀態和元器件特性發生變化就會出現此類故障，平時應加強維護和調試并及時更換有問題的元器件，可降低此類故障發生幾率。

2.3 滅磁不正常

水輪發電機組與電網解列后，滅磁裝置要將勵磁裝置中的剩磁盡快衰減。滅磁方法有逆變滅磁、電阻滅磁等。逆變滅磁失敗的原因有回路原因、可控硅控制極故障、交流電源異常、逆變換相超前觸發角 角過小等。而EXC9000勵磁系統有時會出現滅磁開關多次合閘不成功的故障，其主要原因是直流磁場斷路器開關卡澀引起的。由于EXC9000采用了ABB公司的直流磁場斷路器，該斷路器分閘回路與合閘回路通過機械連桿閉鎖，在分閘不到位的情況下，無法通過操作按鈕正常合閘。而合閘拒動的原因多半是機構內積灰和彈簧拉力減小，因此解決辦法是加強日常維護，定期清理設備內的灰塵，再對滅磁斷口、滅弧柵等部位涂抹導電膏，以防止機構卡澀。

2.4 勵磁變壓器相序不正確

勵磁系統對可控硅同步信號的要求非常嚴格，勵磁變壓器相序、相位都不能弄錯。某水輪發電機調試過程中，成功起勵、建壓后，繼續增磁時發電機過壓，滅磁開關跳開，經檢查確認是勵磁變壓器接線有誤。原來該勵磁變壓器采用Y/△11接法，輸入端三相電纜接線相序為C、B、A，安裝人員誤以為輸出端的相序也必然為C、B、A，忽略了該勵磁變壓器采用Y/△11接法的要求。按照要求調整輸出端的接法，勵磁系統也就恢復正常了。另一個例子是調試勵磁系統時，由于A、C相反接，雖然勵磁裝置升壓、并網都正常，但不能實現軟起勵，發電機升壓太快，而在調整接法后故障消失，這是因為相序錯誤導致可控硅觸發脈沖與其陽極電壓不同步所致。采用示波器、相序表和萬用表可查出此類錯誤。采用萬用表的方法是檢測母線與勵磁變壓器輸入端電壓差，同相電壓差應為零。

2.5 其他常見故障

一般微機勵磁裝置，出現故障時調節柜顯示屏上會有故障警示，仍以EXC9000為例，冷卻風機故障顯示“1#（或2#）功率柜風機電源故障”，電壓互感器PT斷線會顯示“1（或2）PT故障”，REC站通信故障顯示“REC1（REC）2站通信故障”等，按照信號提示檢查一般都可以發現故障根源，進而消除故障。風機故障的原因包括風壓限位開關損壞、交流進線電源消失、過流保護的固態繼電器損壞、風機接線松動或損壞等，其中以風壓限位開關損壞原因居多，不論哪種原因適當準備一定數量的備件都是必要的。PT斷線故障原因可能是PT回路二次接線松動、PT高壓側保險絲熔斷及模擬量總線板、調節器DSP板故障等，一般以外部接線松動原因居多，所以應先排查外部原因，再考慮內部器件問題。REC站通信故障主要原因有通信故障、智能板保險松動或損壞、智能板損壞等，如果是通信故障只需復位智能板并重啟程序就能消除故障，而智能板損壞應更換同型號備板。

3 結語

要保持水電站勵磁系統狀態良好，除了加強維護管理，定期進行除塵、檢測和試驗以外，還應重視常見故障的分析和總結。就像應急預案一樣，將常見故障處理流程、方法梳理清楚，可以大大降低故障處理時間，為保證水電站安全生產、提高發電效率打下堅實基礎。

參考文獻：

[1]梁維燕，邴鳳山，饒芳權，等.中國電氣工程大典.第5卷，水力發電工程[M].北京：中國電力出版社，2009.

[2]梅占甲.水利發電機組勵磁系統常見故障及處理方式淺析[J].四川水力，2014，35（3）：14-15，25.

[3]許斌，郭大安，安蔚華.自并勵勵磁系統常見故障分析與處理[J].電工電氣，2013（9）：57-59.

[4]林旭升，劉智鋒.水輪發電機組無法自動起勵故障分析及其處理[J].廣西水利水電，2011（2）：55-57.