水電廠自并勵勵磁系統逆變失敗故障處理

楊 航，梁 杰

（吉林松江河水力發電有限責任公司，吉林白山 134500）

0 引言

勵磁系統是電機的核心，對整個電力系統的運轉都有著極為重要的影響。發電機發生故障時，為能夠讓其順利停止運轉，必須進行消磁，發電機系統中的自動消磁部件可以在最大程度上減少因故障造成的損失。發電機滅磁一般分成2 類：①利用逆變滅磁法使電機運轉正常停止；②發生故障時滅磁方法可調整為保護動作跳閘滅磁開關[1-2]。當發電機正常運轉停止時，滅磁是非常重要的操作。發電機發生滅磁故障，會對發電機及勵磁設備的正常運轉造成嚴重威脅。自并勵勵磁系統具有接線操作簡易、運行速度快、運轉穩定和價格低廉等優點。本文以某水電廠為例，分析自并勵勵磁系統逆變失敗故障的影響因素以及發生原因，提出針對性解決措施。

1 自并勵勵磁系統逆變失敗故障的發生狀況分析

2019 年3 月19 日18 時，某水力發電廠進行緊急低油壓試驗。緊急低油壓停機過程：監視和檢測緊急低油壓信號，無緊急門落下標記，濾波3000 ms。判斷緊急低油壓信號正確，打開緊急壓力分配閥，打開調速器緊急停機電磁閥閥門，切斷機組出口斷路器，打開勵磁停機命令。在該項試驗過程中，上位機報告變頻器故障信號和滅磁開關子信號，就地勵磁系統盤柜檢測后，勵磁系統發出逆變器故障信號和滅磁開關子信號，同上位機所發出信號呈現同一情況，勵磁系統通過電壓保護。實驗結果顯示，機組依舊正常運轉，逆變器滅磁失敗，滅磁開關最終跳閘[3-5]。

2 自并勵勵磁系統逆變失敗故障的原因與檢查

按照事故發生演練情況看，在進行實驗的流程中模仿機組顯示低油壓事故操作后，閉路電視監控系統重現機組模仿事故的全部過程。機組的狀態從電力負荷運行狀態變為無負荷狀態，隨后跳轉至正常停止運行的環節中。當機組從電力負荷運行狀態變為無負荷狀態時，勵磁系統在收到正常勵磁停機指令10 s后，發射逆變器故障信號，并使滅磁開關跳閘[6]。

18 時47 分38 秒，機組跳閘，在跳閘之前，勵磁電流是2380 A。經過跳閘環節后，機組平均功率迅速下降直至0，勵磁電流下降至2000 A。當勵磁電流調整至1639 A 時，終端頻率為51.98 Hz。此時，若勵磁系統收到正常停止機組運轉的指令，控制器應及時發出逆變器指令，指令整流柜控制角度調整至140°，勵磁系統啟動逆變器滅磁。2.8 s 后，勵磁電流95 A，頻率至64 Hz，勵磁系統啟動逆變滅磁，轉換過程不正常。由于逆變器故障，勵磁電流上升至138 A，端子頻率先上漲后降低，最大頻率可達以69 Hz。勵磁電流可保持在100 A 左右，逆變器滅磁10 s 后，端電壓不小于5%，發射出逆變器故障信號，滅磁系統（De-excitation System）開啟機械開關并聯移能滅磁。由此可以確定，在逆變器滅磁環節中，勵磁系統電流轉換裝置會發生傾覆，最終直接影響逆變器滅磁失敗。收到正常停止機組運轉過程中，逆變器故障主要有4 類原因。

（1）交流電源短缺或驟然消失。

（2）晶體閘流管道間斷，不連接[7]。

（3）觸發電路（trigger circuit）不穩定，無法及時、精準向各個晶體閘流管配置脈沖信號，如脈沖傳輸損耗、脈沖延時電路等，最終造成晶體閘流管無法正常換相。

（4）換相裕量角不足，導致換相失敗。

使用以下故障排除方式能夠探查到變頻器故障的準確原因。自并勵靜止勵磁系統交流電源失相或突然消失，這種情況發生概率較低，經詳細檢驗，勵磁變壓器和非節點刀門的高壓側和低壓側的連接螺栓沒有松動，可以排除逆變器故障原因（1）[8]。

斷開整流器可控硅交直流側的一次接線和吸收換向過電壓、電阻、電容二次回路接線。用萬用表測量每個晶閘管正負極之間的電阻為450～750 kΩ，進行上述接線操作之后，陽極與控制電極之間的電阻為12～17 Ω。進行勵磁靜態小電流開環試驗，應用三相電壓調節器提供勵磁控制器的同步電壓信號，應用數字示波器實時監控波形[9]。進行空載逆變器試驗，手動發射逆變器指令后，控制角α 從80°（空載角）變為140°（給定逆變器角），勵磁電流與機端電壓顯示出正常降低走向，空載逆變顯示正常，表明精確計算控制器變頻器的給定角度。并且，整流器晶體管沒有故障，脈沖觸發電路正常運轉，然后，可及時且準確地調用發晶閘管。因此，基本排除逆變器故障原因（2）和（3），預先決定由轉流從容角發生變頻器故障。為再現此時故障現象，模擬故障發生條件，頻率40～70 Hz，變頻器正常時，向勵磁系統供給頻率變換功率，頻率接近68 Hz 時變頻器發生故障[10-13]。因此，逆變器故障原因是換相的裕量角不足，產生一系列觸發脈沖的延遲，導致反相器故障。

3 自并勵勵磁系統逆變失敗故障處理策略

當整流器處于逆變器運轉形態時，如果出現換相失控，外部電動勢經過晶閘管導致短路或輸送平均電壓與外部電動勢串聯造成短路，又叫逆變器故障。當π/2＜α＜π 時，整流器運轉在逆變形態。從α=π 為測量初始點，從左側測量到觸發脈沖前沿的電角稱為反轉角，應用β 示意，此時β=π-α。當β＞γ 時，換相流程后C 相電壓依舊低于A 相電壓，因此當換相終止時，VT3 可承受反向電壓而關斷。若β＜γ，換相未完成，電路運轉形態至自然換相點P 時，A相電壓低于C 相電壓，繼續運行的晶閘管VT1 由于承受反向電壓而再次關斷，使得應關斷的晶體管VT3 不關閉，C 相電壓隨著時間推移而變高，起電的串聯連接導致變頻器故障[14]。

因此，為防止逆變器故障，逆變器的角度既不能設為零，也不能太低，需要限制最小允許角度。控制器軟件采用逆變器控制角度的調整方法。如果頻率在65 Hz 以上，采用單位頻率的跟蹤方法，以防止因電容而相對的標記角變大。在頻率大于65 Hz的情況下，將反相器控制角度調整為120°，在65 Hz 以下時，將反相器角度返回到140°。程序改良后，為了試驗具備50～85 Hz的頻率變換電源，逆變器成功。由此，可以解決因端子高頻引起的逆變器故障問題。整流器功率柜的選擇如下。

（1）正常整流器模式是三相半控制橋或全控橋。一般來說，大多選擇全控件整流器橋接模式。隨著電力電子技術的快速發展，大容量高參數的激勵功率柜也越來越完善。隨著半導體技術的快速發展，耐壓、規格電流、晶體管的穩定性大幅提高，逆泄漏電流大幅降低。

（2）整流器橋梁的結構越來越簡化。整流器橋梁采用實現通常過電壓保護的RC 吸收電路，作為過大電流保護使用了高速熔絲。冷卻模式通常是空冷，水冷模式在電流非常大的時候被使用[15]。在相同同步、幅度和脈沖寬度的條件下，觸發脈沖可確保并行整流器的電流分配系數以達到理想狀態。

全控橋的優點是通過全控整流器橋接器實現逆脫激勵，在發電機轉子和激勵整流器輸出電路之間設置脫勵磁開關。并且，安裝脫激起電路的對應線性或非線性的消磁耐性。作為事故觸發脫勵磁電路，可以使用脫勵磁開關和脫勵磁電阻。利用電阻（非線性電阻）可以實現發電機轉子的過電壓保護。也可以采用其他過電壓保護方法。根據單位實際情況選擇保護方法更科學。

發電機勵磁監控器選擇：數字勵磁監控器、半空氣橋激勵監控器、單微控制器全控橋激勵監控器和雙微控制器全控橋激勵監控器分開。單一微機全控橋勵磁監控器具有簡單結構和高成本性能。然而，當觸發脈沖之一發生故障時，可容易寫入晶體管。由于半空中橋穩壓器不存在這種現象，容易使可控硅變得無法控制。雙微計算機勵磁調節器是解決觸發脈沖問題而不失去控制的最佳選擇。

4 結語

隨著科技不斷發展，勵磁技術已然由直流電機勵磁發展至可控硅勵磁，在微機自并勵靜止可控硅勵磁系統中，發電機的勵磁電流經可控硅整流裝置整流后，由發電機端部的勵磁變壓器提供。自動勵磁調節器直接調節發電機的勵磁電流，實現發電機端電壓或無功功率的自動調節。