關于大型發電機組事故滅磁的有效防護問題

摘 要：本文從大型發電機內部故障的基本要求出發，分析解讀現行事故防護標準和防護能力是否達到主機設備要求的問題，提出根本解決滅磁技術關鍵難題的創新措施方案，以及必備的技術條件，并且站在發電全局的高度，真正從根本上解決好：為什么設置事故滅磁裝置，設置怎樣的事故滅磁，怎樣滿足主設備的要求，如何從根本上提高事故滅磁的安全性和有效性等一系列關鍵技術問題，爭取做到厘清技術思路，消除技術屏障，創新技術方法，拓展技術應用，確保主機安全，服務電力發展。

關鍵詞：發電機內部故障；事故滅磁；磁場開關；換流能力；滅磁結果

1 引言

隨著國家電力工業的大發展，以三峽為代表的一大批大型、超大型發電機組的陸續投產，彰顯了我國電力裝備制造能力和運行管理水平躍上了新臺階，也對大機組、大電廠的安全穩定運行提出了更高的要求。現代化的源頭是電力，發電主設備作為電力系統的心臟，其穩定運行的可靠性水平，很難與機組容量同步增加，相反許多前所未遇的新問題亦有可能發生。同時大型發電設備的事故安全防護能力，并未隨著機組容量、參數規格的提高而提高，某些方面還顯得矛盾和滯后，甚至自顧不及，例如承擔機組內部故障保護的事故滅磁裝置等，全面的解決好配套技術的升級問題，對于保證電力生產的本質安全意義重大。近年來，國內一些電廠發生主機事故擴大，或滅磁失敗、擊穿轉子磁極等不成功案例屢有所聞，而成功的保護了發變機組事故不被擴大的案例卻十分鮮見，現行的事故滅磁功能形同虛設，主機事故后果慘重。此類問題遠未得到妥善解決，有必要再作深入探討。

2 事故滅磁技術的現狀和問題

對于現代大型發電機組，尤其是采用靜止整流器勵磁（自并勵）方式的機組，勵磁系統為發電機提供大容量、高參數勵磁輸出，從量值上已大大超越前幾代機組的等級，且存在發生誤強勵、三相短路等超高極端工況的可能，對應的磁場能量更強大，實行滅磁操作的難度倍增。事故滅磁的電氣強度正比于磁場電流的平方If2，受制于磁場開關的遮斷、建壓能力。如同20世紀80年代初DM2滅磁開關、2000年DM4磁場開關所遇到的問題一樣，在新的高量級上又在重復過去的老路，并未從根本上突破和解決高參數滅磁的關鍵問題。同時為了自保，事故滅磁設計深陷某些國外技術的誤區誤導之中，功能特性處于能力和效力欠缺不足的被動局面，整體配置并無技術先進性可言。

特別是巨型發電機組，事故保護仍然沿用傳統小參數條件下的強開斷滅磁方式，型式（技術）上已嚴重遭遇瓶頸制約，由于磁場開關動作滅磁，弧斷口只能串聯使用，每個斷口上流過的都是最大勵磁電流，都要承受最大的遮斷強度和燃弧壓力，成敗在此一舉，不可能有第二次補救的機會。所以當前的滅磁配置相當于給高速跑車裝了一副劣質剎車，平常勉強可用，而在事故高強度極端條件下絕對會崩潰失效。設計上缺乏核心技術主導，僅以磁場開關有限條件下的建壓能力為依據，忽略了內部故障極端條件下的燃弧、控弧能力，會導致磁場開關超過最大遮斷強度嚴重過載，其后果只能是失敗燒毀，也就是說磁場開關本身的遮斷能力未必能滿足大機組對象的要求，極端條件下滅磁的安全性明顯不足。

所以，實際滅磁配置又產生了另外一種傾向，即千方百計降低滅磁殘壓和增加輔助手段等方式，典型代表就是超配的SiC滅磁電阻，輔以切脈沖、逆變等配合措施，雖在一定條件下可減輕磁場開關的壓力，但并不能保證在事故最大極限參數下的可靠遮斷能力，或者說不能滿足嚴酷狀態下系統最大邊界條件的要求，滅磁的成功與否多由外界因素決定（典型案例：岱海2F誤強勵事故）。同時，卻導致大大延長了事故滅磁時間，犧牲了對事故發電機組的有效保護，一般空載額定滅磁僅相當于逆變的時間，事故短路滅磁要10多秒超過Tdo時間，完全不具有快速有效性，造成主機事故破壞面和事故損失擴大的嚴重后果，失去了保護主機設備和勵磁系統內部故障的有效性作用（三峽3F、向家壩8F發電機事故和龍羊峽4F勵磁事故）。

還有一種危險狀況，即許多大型機組設置的交流開關，位于勵磁變出口至整流器之間，當發生勵磁系統內部故障時，此開關會延時（100ms）跳閘，切除直流或交流短路電流，可能超過額定電流數十倍，由于此交流開關不具有切斷強直流感性電流的能力，則極有可能噴弧短路而燒毀（最近官地2F的整流器短路事故）。

分析傳統強開關滅磁方式的性能和效果，設計了“發電機事故滅磁保護因果邏輯圖”，將發電主設備、勵磁系統，有可能發生的內部故障和事故擴大等問題，及其相互的因果關系、技術條件和形成后果，用跨功能流程圖的形式加以展現，從而進一步理清了發電機組事故滅磁的功能、作用和效果的關系，特別是清晰的抓住了整個事故滅磁體系的關鍵節點或瓶頸，即磁場開關的換流能力欠缺的問題，及必然導致以下幾種并不希望見到的事故滅磁結果：⑴磁場開關換流成功——以犧牲發電主設備為代價，超長的滅磁時間擴大了主機事故的破壞面和損失量，事故滅磁的有效性不足；⑵磁場開關換流失敗——導致勵磁功率設備燒毀損壞，造成次生損失擴大，極限滅磁的安全性沒有保障；⑶磁場開關換流，交流開關噴弧燒毀——內部短路情況下跳交流開關，失敗燒毀的可能性更高，冗長的滅磁時間更增加了破壞的程度，而快速有效的所謂“理想滅磁”結果，現行條件下是不可能發生的（詳見圖1）。其最好的結果就是成功換流、緩慢滅磁；若換流不成功或交流開關噴弧短路，則事故擴大設備損壞的結果很難避免。

3 為何要設置事故滅磁裝置

對于當前滅磁裝置性能弱化，功能短缺，有名無實的現狀，有必要重新認識一下事故滅磁配置的重要意義。大型發電機組的事故滅磁裝置，是裝設于勵磁主回路、直接作用于磁場電流的發電機重要保護裝置，是發變組內部故障保護的最后防線，是有效防止發電主設備事故擴大的必備措施，是繼電保護事故跳閘指令的最終執行者。其功能和效用直接影響到機組內部事故的破壞程度和損失量。由于勵磁系統構成的復雜性，要求事故滅磁裝置：能在任何嚴酷工況下、滿足最大邊界條件、具有強制性和獨立性的執行事故滅磁指令，實施可靠高效快速滅磁的功能。

事故滅磁功能相當于高鐵機車必須具備有效的剎車制動一樣，巨型發電機系統也要有相匹配的強有力的事故滅磁配置，否則就會形成技術功能的短板和瓶頸，非但起不到保護主機的作用，運行在發電機上就是一個炸彈和隱患。由于發變組或勵磁系統發生極端事故的概率并不高，所以這個隱患很難提前暴露，一旦發生則后果慘重（如龍羊峽4F事故）。對此應該引起充分的重視，對關鍵性能指標必須設立量化標準和工程測試標準，并有效實行，采取嚴密的技術安全評估預判，嚴格掌控防患于未然，這也是近年來重點研究掌握的核心技術方法。

事故滅磁裝置應該回到其根本任務和目標上來，擔當起發電機組的貼身保鏢、緊急救命丹的作用，是繼電保護系統指令的最終執行者，其能力和品質怎樣強調都不過分，其經濟價值更是舉足輕重，若能夠避免一次內部故障擴大的損失，少則幾千萬元、多則上億元，是裝置本身的幾十、上百倍的高效益。所以事故滅磁的安全性和有效性同等重要，均衡統一不可偏廢，其目的就是無條件滿足機組最大頂值參數下，快速轉移和消除磁場能量，有效保護主機設備的故障不被擴大，重建起堅強有力的保護防線。重點是必須建立起有明確指標的有約束力的評估評價體系和技術標準規范，而不是用折中將就的方式降低標準，遷就低能的磁場開關，建議推進強制性滅磁安全標準，大力促進事故滅磁技術發展進步，最大限度的提高對巨型發電機組安全的保護能力，徹底解決電力技術發展的瓶頸問題。

4 發電機需要怎樣的事故滅磁

既然事故滅磁對于發電機組來講是不可或缺的重要保護裝置，是直接針對發變組各種內部故障起作用的無可替代的唯一功能設備，一旦發生內部事故必須確保快速滅磁一次成功，其重要性、可靠性應該與發電機出口斷路器等同，從系統功能、性能上不允許有半點折扣偏差，某些所謂的后備冗余設置和補丁措施都是多余的花哨，加上復雜的時序配合關系，關鍵時刻未必能夠起到作用。因為事故發生只是一瞬間的事，第一級保護將承受全部壓力，若承受不了只有失敗燒毀，與其將希望寄托在后備補丁上面，為何不在滅磁主體上多下些功夫，強化其功能特性，在發電機組、勵磁系統可預計的任何異常狀態下，都能夠絕對可靠、快速有效的完成滅磁功能，確保一次成功。設計上必須滿足機組對象在最大極端條件下的滅磁能力，這對一般機械開關幾乎不可能達到，也是現行技術標準所不及。但是若不對此提出明確要求，也就失去了滅磁裝置配置的實際意義，使滅磁裝置淪為高貴的擺設裝飾品，毫無功能特性可言，或者再以犧牲主機為代價，就更加主次顛倒得不償失。這里提出事故滅磁必備的技術條件和技術指標要求：

⑴發電機滅磁的極限能力：

Ifm≥4IfN（水機頂值，或根據實際參數校核）

⑵發電機滅磁產生的最大過電壓：

Ump≤0.5Usp （常規滅磁）

Ump≤0.7Usp （極端條件）

⑶發電機空載額定滅磁時間：（If≈0的時間）

Tmo<0.3Tdo（較快速 事故損失率rs<10%）

Tmo=0.167Tdo（理想滅磁 事故損失率rs<3%）

⑷發電機空載額定滅磁系數：

Km=Tmo/Tdo（0.167≤Km≤0.3）

⑸等效滅磁電壓倍數：

Ku=Um/UfN

且有Km=1/（1+Ku）

⑹磁場開關成功換流的電壓條件：

Ukm>Udm+Uzm （建壓能力）

⑺磁場開關最大遮斷強度：

Wkm>>∫ukmif dt（斷口容量）

⑻磁場開關拉弧建壓換流時間：

25ms

⑼滅磁電阻總體能容量：

Wr≥[（1.1～1.3）/0.8]*（0.5LoIfN2）（裕量充沛）

5 如何滿足發電主設備滅磁要求

上述技術條件和技術指標，符合大型發電機自并勵系統的實際要求，但采用傳統的強開關滅磁方式，很難全面達到要求，受到種種的制約和限制，例如：磁場開關的性能，滅磁的非線性特性，滅磁電阻的型式與配置方式等，根本上還是受困于滅磁建壓和換流的老舊模式問題，還是傳統滅磁方式與新機組高參數之間難相適應不匹配的問題。

隨著大電廠、大機組的發展，滅磁的參數容量更是大大高出，甚至要高出一個量級，磁場開關所承受的遮斷強度或稱電應力正比于勵磁電流的平方If2，遠非昔日的中等容量機組可比，即使磁場開關能夠應付2～3倍的額定強度，但也很難過得了極端誤強勵的考驗，其遮斷強度在極端狀況可能超過16倍額定值，對一些短弧道設計的磁場開關，更加危險。近年來國內幾起典型事故案例，燒毀磁場開關多是在此種工況下發生的，無論是進口還是國產開關，這一致命的弱點均無法逾越，僥幸的是許多機組還未發生過，畢竟內部故障和空載誤強勵事故較外部故障的概率要低，發電主設備的可靠性也有所提高，但不等于不會發生。

國內勵磁界在這些問題上長期困擾、十分糾結、難有突破，唯一的寄希望于老外對磁場開關能給出什么保證值，恰恰這是最難以保證的，即使是開關型式試驗參數，也是在特定條件下的特定參數，并不能代表所有狀態下的參數一致和穩定，這是磁場開關應用的特點所決定，往往只是一些數字游戲，那么這樣的選型和應用豈不危機四伏，風險重重，尤其對于巨型機組的超高強度矛盾更加突出。

怎樣為世界最大的水輪發電機配備合適的滅磁保護裝置呢？滅磁技術如何跟上電力發展的步伐，而不是拖其后腿呢？創新，唯有創新，中國人能上天、能入海，能造出世界上最大的發電機，能完成特高壓直流輸電，怎么就不能解決好大電源核心的發電機自身的安全保護問題？

若能打開思路，另辟蹊徑，前面這些問題均可化解，由于業界始終框定在一個既定前提下，其潛臺詞是磁場開關是滅磁的必需，要滅磁就是拼開關，延用著固有的思維模式——開關拉弧建壓，轉移磁場電流。其實磁場開關在事故滅磁中起到的僅僅是二傳手的作用，且采用最機械原始的方法，十分吃力勉強甚至危險的操作，完成的只是對磁場電流的換流功能。而當今的勵磁系統早已電子化、柔性化了，巨型機組的參數規格遠超以往數倍，事故滅磁方式卻還停留在陳舊落后機械老套的模式，這里才是最應該、最有可能創新改進的地方，當我們拋開那臺磁場開關，就會發現還有許許多多的技術方法和手段，可以實現可靠轉移磁場電流、快速高效滅磁的目標，何必爭搶那個獨木橋。

先進合理的解決方案早已產生于長江電力公司，基于主動換流技術的高性能自動滅磁裝置（無源零開斷自動滅磁技術），突破了限制瓶頸，化解了技術矛盾，完全滿足系統最大邊界條件和技術要求，確保將事故滅磁導向唯一正確的結果——理想滅磁，避免了造成擴大損壞的可能，實現安全快速的全新事故滅磁設計。裝置已成功應用于葛洲壩電廠機組六年多，具有超極限參數的滅磁換流能力，快速理想的滅磁時間（空載額定0.82秒），優異的限壓特性和充足的在線能容量，兼顧轉子回路過電壓保護等其他功能，完全滿足各項滅磁技術條件的要求，從根本上避免了換流失敗或開關噴弧失控導致事故擴大的可能，確保機組任何事故滅磁的安全性和有效性，詳見圖2。

該項技術是在長江電力公司的支持下完全自主研發，獲得湖北省重大科技成果和國家發明專利，具有自主知識產權，通過省級院士專家鑒定的，屬國內外首創、國際先進的技術，是長江電力公司在勵磁技術領域的創新成果，解決了世界級的滅磁難題，是對國家水電發展的重要貢獻，曾榮獲公司總經理特別獎、以及國際專利博覽會雙金獎。對于完善大型、超大型水電機組保護功能，具有顛覆性的意義和價值。

最近某電廠（向家壩8#機）新機投產事故，就是典型的內部事故，最終擴大到60多根線棒要更換，短路能量將風洞門沖開，影響投產工期20余天，損失發電量3.5億KWH，其事故損失不可謂不大。嚴峻的事實再次證明，若能夠應用快速滅磁，事故損失將呈平方級下降。該事故再次暴露了巨型發電機保護不力的問題，造成發電主設備損壞擴大，值得業界三思，說明問題的嚴重性和復雜性，應該引起足夠的重視和警覺。巨型機組失去有效的防護，還有何本質安全可言。高價從國外引進的保護裝置（磁場開關/SiC電阻）自顧自都不足，哪還有能力保護我們的發電機？我們提出的《勵磁系統安全風險評估排查表》（CYPC-105-0560-2012），其中滅磁裝置最高風險等級的（D-3）項問題，就是勵磁系統中僅有的Ⅰ級最高風險項之一，應該立即整改，絕對避免重復發生的零允許事件，且在大型水電機組普遍存在著的隱性潛在安全隱患。

對于如此嚴重的安全風險，我們的安全管理思路應該有所轉變。以往一些僅停留在表面的技術改進難以解決深層次的根本問題。靠花錢是買不來核心技術的。大型超大型機組應該如何解決內部事故有效防護的問題，如何追求本質安全和創新關鍵技術，歸根結底還是一個治標和治本的問題。

6.結論

通過以上深入分析，本文得出以下結論：

大型發電機內部保護措施和能力至關重要不可或缺；

事故滅磁應能強制和獨立的執行緊急滅磁功能；

事故滅磁的安全性和有效性均衡統一不可偏廢；

事故滅磁必須滿足對象最大邊界條件下可靠快速滅磁；

磁場開關必須確保建壓能力和遮斷強度同時滿足要求；

主動換流方式的滅磁能力突破了常規限制條件的制約；

新型主動換流技術是確保滅磁成功和快速有效的唯一結果；

恢復重建理想滅磁條件是在全新的技術高度上整體能力的體現；

創新滅磁技術是滿足電力發展消除最高安全風險的首選方向。

當前大型發電機組事故滅磁的功能特性和防護效果，實際性能評價并不令人樂觀，好在問題再次暴露，不容回避和漠視。通過葛洲壩30余年勵磁技術的積累和創新實踐，一些關鍵核心技術均已破解掌握。而重新認識問題和解決問題的思路和方向才是根本，沒有保護或保護不力的發電機組是危險的；不能有效保護發電機組的滅磁裝置是低劣的；屈從于低能磁場開關的滅磁技術是落后的；沒有整體創新核心技術的滅磁安全是沒有保障的。必須通過主動攻關，科技創新，才能切實提高大水電、大機組事故滅磁的安全水平。對此問題的充分認識、探索實踐、創新研發與現實需要之間目標應該是一致的，即通過創新主導發展，真正提高我國在發電機勵磁領域的技術水平。

參考文獻

[1] 黃大可《事故發電機實施快速滅磁的作用和評價指標》