典型靜止整流勵磁系統危險源分析與控制措施

羅 剛，孫曉波，蔣冰芝

（中國長江電力股份有限公司白鶴灘電廠籌建處，四川 涼山615400）

隨著電力建設的發展，金沙江水電機組進入百萬千瓦級時代，特高壓直流工程建設持續推進，電力系統行業大網絡、高電壓、大機組的特性不斷得到加強。大容量機組的穩定運行對電網整體的穩定性和安全影響較大，而勵磁系統對發電機的穩定運行影響最大。勵磁系統不僅保證了機組的運行穩定，還可以調節電網中的無功和電壓。因此，對勵磁系統進行危險源的識別分析并在設計階段采取控制措施使其危險性減至最小，對電網的穩定運行具有重要意義，也是對本質安全的追求。

1 系統安全理論

隨著現代安全生產管理理論的發展，安全理論進入系統安全論與綜合原因論階段，對安全的理解不斷加深，要求對安全進行風險管理。

系統安全（System Safety），指的是在系統的全生命周期中應用系統安全工程和系統安全管理方法，識別系統中的危險源，并采取有效的控制措施以最大程度地降低風險，能夠使系統在指定的性能、時間和成本范圍內達到最好的安全程度。系統安全要求在一個新系統的設計階段就考慮其安全性，制定并執行系統安全活動，屬于事前分析和預先防護，不同于傳統的經驗法的思路。

2 勵磁系統

由相互作用、相互依存的若干部分組成的具有特定功能的有機整體稱為系統。依據國標的定義，勵磁系統是指提供同步電機磁場電流的裝置。靜止整流勵磁系統（Static rectified excitation system）是指用靜止晶閘管整流裝置將交流電源整流成可調直流，作為發電機勵磁電流的勵磁系統。

3 危險源分析及控制措施

從安全生產的角度解釋，危險源是指可能造成人員傷害和疾病、財產損失、作業環境破壞或其他損失的根源或狀態。

考慮到勵磁系統的重要性，目前的勵磁系統設計一般采用冗余控制的思想。嚴格來說，冗余控制是指使用成倍的設備或組件來形成控制系統以參與控制。這種設計提高了勵磁系統的可靠性，同時也增加了系統的復雜性，有可能導致系統可靠性的降低，因此在勵磁系統的設計過程中應進行辯證考慮。

3.1 勵磁調節器

勵磁調節器是勵磁系統的核心，它通過控制整流裝置的控制角度從而改變勵磁電流的大小，使發電機電壓及無功功率滿足發電廠及電力系統的運行要求，有自動和手動調節模式，可以確保發電機在安全穩定的范圍內運行。

3.1.1 勵磁調節器危險源示例

調節器的冗余配置在硬件上提高了勵磁系統的安全程度，但仔細進行危險源分析辨識，會發現存在由冗余配置引進的新的危險源。勵磁調節器硬件進行了冗余配置，但其核心是軟件，也就是勵磁調節器的控制邏輯，這是由人工預先進行編寫控制的，但由于人的經驗水平和內外環境條件變化等原因可能會存在漏洞，下面舉兩種實際的例子。

（1）機端電壓PT 的慢熔現象

慢熔是指PT 的熔斷器慢速熔斷。對于PT 斷線，目前國內勵磁系統設計時僅考慮PT 完全斷開的狀態，沒有考慮到未完全斷開的熔斷器慢熔狀態。PT的機端電壓是勵磁系統進行閉環控制的重要信號，所以PT 是否斷線是勵磁系統需要關注檢測的，當主通道使用的PT 故障時，勵磁系統需要迅速作出正確判斷，切換到PT 正常的備用通道或勵磁電流調節通道，并發出相應報警信號。但PT 未直接斷線而發生PT 熔體慢熔時，勵磁系統只能檢測到機端電壓的降低，從而不斷增大勵磁電流使發變組保護動作，近年來PT 慢熔現象多有發生并造成停機等后果，嚴重影響發電廠設備的安全穩定運行。

（2）勵磁調節器通信故障

通信故障包括調節器雙通道之間的通信故障和調節器與外部裝置之間的通信故障。

某發電廠因調節器內部通信故障導致調節器認定雙通道故障連續兩次跳機，原因僅是因為雙通道之間通信線路松動，由軟件設定的邏輯認定為調節器雙通道故障。

還有另一發電廠發生勵磁調節器與功率柜之間的通信故障導致整流柜退出引起勵磁故障跳閘，該廠采用總線型的通信網絡，因某聯接點環境工作溫度較高，運行不穩定，造成該點與網絡頻繁連接和斷開，使網絡無響應，導致整流橋脈沖閉鎖，以致跳閘。

3.1.2 勵磁調節器的危險源分析控制

由以上兩種故障的例子可知，PT 斷線檢測采用雙套以上的冗余原本已在勵磁系統設計階段被辨識到了勵磁調節器的控制邏輯中，但因為考慮不充分不全面，硬件的冗余被軟件的疏漏所阻礙，冗余控制并沒有產生應有的效果。

某發電廠調節器內部通信故障原本已經被辨識進軟件控制邏輯中，同樣因為考慮不充分不全面，硬件的冗余并沒有效果，應修改軟件內的通信故障邏輯來改進。另一發電廠勵磁調節器與功率柜之間的通信故障主要是硬件原因，勵磁調節器本身的冗余控制無法提高外部未采取冗余控制的器件的可靠性，此例中可以更改總線型的通信方式為點對點的通信方式以及進行通信方式冗余來改進。此例提醒除非整個系統都采取了冗余控制，否則單個子系統的冗余無法提高未采取冗余控制的其他子系統的可靠性。

這些例子說明對系統的危險源分析需要全面細致，在目前的認知水平上做到沒有遺漏。

勵磁調節器的危險源分析控制：

（1）若采取了冗余控制，需要確定調節器本身及相關聯的勵磁系統子系統都是冗余的，未冗余的子系統需要對硬件的可靠性進一步辨識危險源。

（2）對勵磁調節器的軟件邏輯部分，要進行全面的梳理，做到軟件邏輯增強勵磁系統的可靠性，而不是使硬件冗余失效。目前很多發電廠勵磁系統的工作與繼電保護系統未分清，很多沒必要跳閘的信號應改為報警，而且勵磁本身的保護不應與繼電保護系統沖突和重復，勵磁系統可以發出和接受信號進行內部跳閘，但外部跳閘信號應送到繼電保護系統，勵磁系統不應直接聯跳發電機出口斷路器（GCB）。

（3）對勵磁系統內部使用的通信線路要制定定期更換的標準，不得超過通信線路的設計使用年限使用。

3.2 晶閘管整流裝置

晶閘管是晶體閘流管的簡稱，屬于半控型電力電子器件，又稱為可控硅整流器（SCR），簡稱可控硅，目前大型機組勵磁系統中均采用晶閘管三相全控橋式整流器。晶閘管整流裝置通過交直流變換，將直流電流提供給發電機轉子勵磁繞組進行勵磁。

3.2.1 晶閘管冗余設計

對于大型機組的勵磁系統，整流橋的并聯支路數量一般由“N+1”冗余方式確定。“N+1”中的N為保證發電機正常勵磁的最少整流橋個數，1 為冗余的1 個整流橋。這種冗余方式當一個整流橋因故障退出時，仍能夠確保勵磁系統正常工作。

3.2.2 晶閘管換相過電壓控制

對于整流裝置，由于晶閘管的換相過電壓特性，會引起勵磁變壓器及發電機絕緣性能下降，也可能導致晶閘管誤導通或擊穿損壞，引發誤強勵和失磁故障，必須給予足夠的重視并采取控制措施。目前，主流的辦法是采取集中式或分散式的阻容吸收電路來應對，實際效果良好。主要控制措施是電阻電容的參數選定，以及裝置的散熱分析。對于散熱，可采取阻容吸收裝置遠離勵磁系統盤柜的布置方式，使其與勵磁系統其余部件之間不會相互影響。

3.2.3 過電流保護

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晶閘管對溫度變化敏感，過電流將使晶閘管芯片過熱并引起質量下降，壽命降低甚至損壞。勵磁系統采用快速熔斷器來保護晶閘管，具有快速熔斷的特性，晶閘管與熔斷器串聯，熔體在過電流時迅速熔斷，使電路切斷以達到保護的目的。這里的關鍵在于快熔的參數要合適。

3.2.4 脈沖觸發

整流裝置與勵磁系統其他部分的主要關系在于可控硅的觸發脈沖由勵磁調節器發出，調節器本身的可靠性以及調節器與整流裝置間的連接方式很大程度決定了整流裝置的工作狀態。使用脈沖變隔離注意防止絕緣擊穿。

3.2.5 整流裝置冷卻

溫度控制，可控硅的結溫必須受到限制，否則會影響可控硅的性能甚至損壞，目前較常用的是強迫風冷，熱管冷卻方式正在普及。強迫風冷需注意風機的冗余設計，以及風冷設計所帶來的集塵問題。

3.2.6 隔離開關

部分勵磁系統整流裝置的每個整流柜內都設置了交流隔離刀閘和直流隔離刀閘，可方便將單柜與交流銅排和直流銅排之間的電路斷開。但這種設置引入了新的危險源，隔離刀閘的質量是否可靠無法確定，隔離開關的參數也需要匹配，對于雙極和多極的直流隔離開關，由于隔離開關手動合閘無標準，各極間分流不合理會導致接觸電阻小的極流過超過額定設計的電流量導致局部過熱，機組正常運行時沒有處理條件，增大了勵磁系統的整體危險性，建議取消。

3.3 滅磁裝置

所謂勵磁系統的滅磁，指的是將發電機轉子回路中的磁場能量減小到零的過程。對滅磁裝置的要求可歸納為：滿足任何工況滅磁要求、時間盡可能短、限制轉子兩端電壓、獨立可靠不依賴于其他系統。

對于靜止整流勵磁系統，面對不同的工況，滅磁方式主要分為逆變滅磁和事故滅磁，主要考慮事故滅磁。逆變滅磁適用于發電機正常停機，事故滅磁主要在發電機發生電氣事故時使用。逆變滅磁的成功主要取決于晶閘管電路的可靠性，危險源參照對晶閘管整流裝置的危險源分析，主要注意逆變時觸發脈沖消失會導致逆變顛覆。事故滅磁主要采用直流滅磁方式，交直流滅磁方式為冗余方式。大型發電機組的事故滅磁裝置是防止事故擴大的有效措施，其效果直接影響事故的嚴重程度。

滅磁裝置安全可靠需考慮以下幾點：

（1）按三相短路、空載誤強勵等極限工況下的需要來制定滅磁開關參數及滅磁電阻容量的技術要求。

（2）定期對滅磁開關及滅磁電阻性能進行檢查。

（3）對行業內有相關案例發生的同型號滅磁開關內部進行檢查，防止滅磁開關內部機構損壞導致滅磁開關失效。

近年來某些發電廠曾發生因機組未配置具有充足滅磁能力的滅磁裝置，導致滅磁開關燒毀的事故，還有因滅磁不成功而導致事故擴大的情況。具有充足可靠滅磁能力的滅磁裝置，是發電廠和電網安全運行的重要保障。

3.4 勵磁變壓器

干式變壓器是目前勵磁變壓器的主要類型。對于容量較大的勵磁變壓器，采用3 個單相干式變壓器組合而成，勵磁變壓器通常采用Y/△聯接。勵磁變壓器相對于普通變壓器，有幾點特殊的地方需要加以考慮。

3.4.1 溫度控制

勵磁變壓器工作時，它的負載是晶閘管整流電路，因此勵磁變壓器的二次側含有高次諧波分量，附加損耗導致溫升相對高于普通變壓器。勵磁變壓器的安全運行與變壓器繞組的絕緣狀況息息相關，繞組溫度超過絕緣耐受溫度引起的絕緣老化是勵磁變壓器故障的重要原因，需設計勵磁變壓器繞組的測溫設備以及所測溫度超過允許值時的非電量保護，用以監測勵磁變壓器的運行狀態并確保勵磁系統的穩定運行。

3.4.2 過電壓

相比普通變壓器，由于晶閘管的反向恢復特性，運行時晶閘管在換相電流減小達到反向峰值時急劇恢復，而繞組具有一定漏感，會在勵磁變壓器二次側產生換相過電壓。在繞組內感應出的持續、周期的過電壓，必將使勵磁變壓器絕緣下降，最后導致擊穿。此過電壓在整流裝置中采取阻容吸收裝置處理，效果良好。

為了防止發電機主回路出現過電壓對勵磁變壓器二次側的危害，在高、低壓繞組之間增加靜電屏蔽網并引出接地能有效抑制高、低壓繞組間的傳遞過電壓。

3.4.3 陽極電纜

勵磁系統中，將勵磁變低壓側與勵磁整流裝置之間的連接電纜稱為陽極電纜。由于機組的容量不斷加大，對陽極電纜的散熱設計需要加以考慮，避免因陽極電纜溫度過高迫使機組停機，可從電纜的布線方式改進來避免。

3.5 電磁兼容

電磁兼容是指設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁干擾的能力。

目前勵磁控制系統已經全面由模擬式轉變為數字式控制，廣泛使用數字調節器。發電廠存在各種發電設備電磁干擾源，使得勵磁調節器處于易于受到干擾的電磁環境中。發電廠中出現過很多由于電磁干擾導致的勵磁調節器故障影響機組運行的案例。

電磁干擾可能引起勵磁調節器失控，測量信號的波動會造成勵磁調節器的輸出錯誤變化甚至保護誤動。勵磁系統的電磁兼容需在設計階段納入考慮并在安裝階段調試檢驗。

勵磁系統的電磁兼容需注意：在勵磁系統的設計招標文件中，明確應滿足的標準和需求的電磁兼容技術要求。設計階段就應考慮勵磁系統輸入輸出電纜的抗干擾問題，避免控制及信號電纜與整流裝置交流側和直流側的電纜近距離敷設。選取達到現場電磁環境要求的屏蔽層類型，再考慮經濟情況。勵磁系統屏柜與接地系統可靠連接。

4 結語

由于人的認識能力有限，很多時候追求完善卻并不能完全認識和窮盡危險源。即使認識了現有的危險源，由于設備的更新以及環境的變化等又會產生新的危險源。因為各種條件限制，對識別出的危險源采取了控制措施也不一定能完全消滅危險源，因此更多時候追求的是降低危險到整個系統，更大一些可以說是到整個社會可接受的程度，可接受的危險也即是風險管理的思想。系統安全理論的工作目標就是控制危險源，降低事故發生概率，如發生事故，則采取的措施能夠控制傷害和損失在可接受程 度內。

勵磁系統的重要性要求人們追求它的穩定性，本文對靜止整流勵磁系統進行了危險源分析與控制措施的探討，試圖將系統的危險降低到可接受的程度，由于認知水平等原因的限制，可能仍有遺漏，系統安全分析是一個持續變化的動態過程，這項工作也需持續的進行完善。