數字式勵磁系統接線故障判斷及處理方法

(中船重工電機科技股份有限公司，山西太原 030027)

0 引言

隨著發電機單臺容量的增加，電壓等級的升高，對發電機的控制部分尤其是勵磁系統的要求也越來越高，數字式勵磁調節器(目前大多選用Basler和ABB公司的產品)和相應的勵磁器件合稱為數字式勵磁系統，以其具有的多種可選擇的控制模式及相互間的無擾動切換(AVR、FCR、VAR、PF四種模式)、調節快速、靈活、準確，可通過通信總線串行接口(RS232、RS485、以太網)實現計算機和勵磁調節器的通訊、在線更改設定程序、實時監測運行參數等多種優勢贏得了市場和用戶的認可，試驗結果也表明，其性能指標完全滿足產品規范及各大船級社的要求，是當下發電機勵磁系統的首選。所以掌握其操作方法、常見故障判斷及處理方法也是勢在必行，根據多年調試及應用經驗，總結了最典型、也是最易發生的電壓互感器PT相序、電流互感器CT極性接線錯誤問題，通過理論和相位分析，得出對應工況的數值，方便操作者準確判斷故障接線所在，及時處理，避免問題的進一步擴大。

1 典型接線錯誤故障判斷及處理方法

現以一功率1500kW、電壓6300V發電機為例，定義標準負載為：有功功率205kW(無功功率157kvar)、電流24A、功率因數0.8(滯后，相位角36.9°)；測量輸入接線定義為：電壓互感器PT二次側U、V、W對應數字式勵磁調節器(以下簡稱AVR)電壓測量輸入的A、B、C，電流互感器CT二次側S1、S2對應AVR電流測量輸入的I+、I-(根據AVR配置要求，電流互感器CT必須在發電機V相，功率因數角為B相電壓與電流的夾角)；定義發電機及AVR測量正序為ABC，逆序為ACB。AVR的電參數測量界面見圖1，發電機運行過程中，可實時監測發電機在各個狀態下的電壓、有功功率、無功功率、功率因數等數據。

圖1 AVR電參數測量界面

1.1 工況一：發電機出線正序，發電機帶前述定義的標準負載運行，AVR測量界面見圖2，主要電參數計算過程見式(1)、式(2)、式(3)。

圖2 AVR測量界面

圖3 AVR測量界面

功率因數

PF=cos36.9°=0.7997

(1)

有功功率

(2)

無功功率

(3)

通過計算得出，AVR測量界面下各個電參數測量值與理論計算值、標準負載一致，勵磁器件與AVR測量接線準確，AVR測量向量圖見圖3。

2.2 工況二：發電機出線正序，發電機帶前述定義的標準負載運行，AVR測量界面見圖4，主要電參數計算過程見式(4)、式(5)、式(6)。

圖4 AVR測量界面

圖5 AVR測量向量圖

因為所有工況下發電機的勵磁器件安裝位置沒有變化，即IB位置不變(圖中α角仍為36.9°)，所以此時只能是B、C相倒了相序，即UB和IB的夾角β(為276.9°，但發電機運行時，真正的相位角只能是-90°～+90°之間，而此工況下產生的角度只有在接錯線的情況下才會出現，實際上這種角度是永遠不會存在的，下文如有跟這種情況類似，不再重復說明)即為AVR實測的電壓和電流的相位角。

功率因數

PF=cos276.9°=0.1201

(4)

有功功率

(5)

無功功率

(6)

注：當AVR電壓測量為負相序時，對有功功率無影響，對無功功率數值的正負有影響，影響系數為-1。

通過計算得出，AVR測量界面下各個電參數測量值與理論計算值一致(因為測量精度問題，測量數值略有差異)，但與標準負載差異大，原因為：電壓互感器PT與AVR測量B、C相相序顛倒，導致AVR數據采集和計算出錯，具體的AVR測量向量圖見圖5。

2.3 工況三：發電機出線正序，發電機帶前述定義的標準負載運行，AVR測量界面見圖6，主要電參數計算過程見式(7)、式(8)、式(9)。

圖6 AVR測量界面

圖7 AVR測量向量圖

該工況下測量值全為負值(根據AVR設置要求，在測量功率因數PF時有underexcited和overexcited兩種狀態，underexcited定義為欠勵即PF值為負，overexcited定義為過勵即PF值為正)。只能是電流互感器CT極性改變，B相電流位置由IB+變為IB-，UB和IB的夾角β(216.9°)即為AVR實測的電壓和電流的相位角。

功率因數

PF=cos216.9°=-0.7997

(7)

有功功率

(8)

無功功率

=×6300×24×sin216.9°=-157kvar

(9)

通過計算得出，AVR測量界面下各個電參數測量值與理論計算值、標準負載數值一致，但AVR測量均為負值，故障原因為：電流互感器CT極性與AVR電流測量極性相反，導致AVR數據采集和計算出錯，具體的AVR測量向量圖見圖7。

2.4 工況四：發電機出線正序，發電機帶前述定義的標準負載運行，AVR測量界面見圖8，主要電參數計算過程見式(10)、式(11)、式(12)。

圖8 AVR測量界面

圖9 AVR測量向量圖

該工況為上述2.3和2.4同時接錯的問題

功率因數

PF=cos96.9°=-0.1201

(10)

有功功率

(11)

無功功率

(12)

通過計算得出，AVR測量界面下各個電參數測量值與理論計算值一致，但AVR測量均為負值且數值差異大，數值差異大的原因為：電壓互感器PT與AVR測量B、C相相序顛倒，負值故障原因為：電流互感器CT極性與AVR電流測量極性相反，導致AVR數據采集和計算出錯，具體的AVR測量向量圖見圖9。

2.5 工況五：發電機出線逆序，發電機帶前述定義的標準負載運行，AVR測量界面見圖10，主要電參數計算過程見式(13)、式(14)、式(15)。

圖10 AVR測量界面

圖11 AVR測量向量圖功率因數

PF=cos157.1°=-0.9122

(13)

有功功率

(14)

無功功率

(15)

通過計算得出，AVR測量界面下各個電參數測量值與理論計算值一致，但與標準負載差異大，數值差異大的原因為：發電機逆序、電壓互感器PT與AVR測量B、C相相序顛倒，導致AVR數據采集和計算出錯，具體的AVR測量向量圖見圖13。

2.7 各工況數據總結見表1

表1 各項工況數據總結

從表中可以總結得出以下結論

(1)但凡有功功率、無功功率中的任一為負值、功率因數為欠勵時勵磁器件與AVR測量輸入間肯定存在接線錯誤；且無功功率為負值時，肯定是功率因數超前及欠勵；

(2)改變電壓互感器PT的相序對有功功率的正負無影響，對無功功率的正負有影響且影響系數為-1；

(3)電流互感器CT的極性(或極性改變后造成相位角的改變)決定有功功率的正負；

(4)因勵磁器件接線錯誤引起的AVR測量錯誤都可以通過確實相位角的方法來確定。

3 解決措施及實施效果

3.1 解決措施

針對接線問題引發的數字式勵磁故障現象，建議按下述方法排查和解決

(1)發電機組動車前，按照接線圖仔細檢查各勵磁器件和AVR的接線是否準確；

(2)動車后連接通訊軟件，在空載狀態下檢查各電氣參數是否與控制柜顯示的參數一致；

(3)機組輕載運行，查看電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數等主要電參數是否與 控制柜顯示的參數一致；尤其是AVR測量界面下各功率值出現負值、功率因數欠勵時，肯定有接線錯誤，需停機檢查；可借助相序儀測量AVR進線的電壓相序；

(4)對于并機或并網的多臺發電機組，可通過施加同樣負載的方法對比每臺的測量數據，找出故障產品逐一排除；

(5)對出現的故障現象多總結，多分析。

數字式勵磁系統造價高周期長，且大都采用國外進口部件，因接線錯誤引發的問題輕者發電機不能正常運行，重者燒毀勵磁器件和AVR，給用戶帶來極大的經濟損失，所以找出最佳的解決措施，方便操作者準確判斷故障接線所在，及時處理，避免問題的進一步擴大。

3.2 實施效果

數字式勵磁系統因接線錯誤引起的故障現象最為常見，針對具體的故障現象，借助本文列舉的理論計算、測量界面和實際負載相比較、畫具體的AVR測量向量圖方法及時、準確定位勵磁器件與AVR間錯誤接線的所在，及時更換和調整錯誤的接線端子，排除故障。