大型蓄能機組滅磁開關(guān)合閘異常分析及處理

董俊杰，竇博文，余 濤，李 青，俞家良，陳創(chuàng)佳，李重陽

（1.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司檢修試驗分公司，廣東省廣州市 511442；2.深圳蓄能發(fā)電有限公司，廣東省深圳市 518116）

0 引言

作為抽水蓄能機組勵磁系統(tǒng)的重要組成部分，滅磁開關(guān)（又稱磁場斷路器）對機組安全穩(wěn)定運行的重要性毋庸置疑[1]。滅磁開關(guān)在機組正常行動中，是勵磁系統(tǒng)功率單元與轉(zhuǎn)子繞組導(dǎo)通和關(guān)斷的唯一通道[2]；其在勵磁系統(tǒng)滅磁過程中也起著非常重要的作用，作為一種移能型開關(guān)，滅磁開關(guān)本身并不消耗能量，而是將磁場能量轉(zhuǎn)移到滅磁電阻中衰耗掉[3,4]。因此，滅磁開關(guān)能否在機組運行或故障時靈敏可靠地動作，對于保證機組安全和區(qū)域電網(wǎng)穩(wěn)定意義重大。

此外，對于日調(diào)節(jié)型抽水蓄能電站機組而言，運行工況復(fù)雜多樣[5]，機組啟停一次滅磁開關(guān)合分兩次，且日啟停頻繁，滅磁開關(guān)動作次數(shù)亦相應(yīng)增加[6,7]，因此，其滅磁開關(guān)性能面臨的考驗較常規(guī)機組而言也更加嚴峻。本文結(jié)合某大型抽水蓄能電站機組在啟停過程中，發(fā)生滅磁開關(guān)合閘異常導(dǎo)致機組正常啟停失敗的情況進行原因分析和查找，最終提出解決方法并驗證其有效性。

1 故障介紹

1.1 勵磁設(shè)備

某大型抽水蓄能電站發(fā)電電動機型號為：SFD300-14/6630，主要參數(shù)如表1所示，其勵磁設(shè)備采用ABB公司UNITROL 6800靜態(tài)勵磁系統(tǒng)，由調(diào)節(jié)控制單元、整流單元、滅磁及過壓保護回路、交流側(cè)斷路器和勵磁變壓器等組成。其中，滅磁開關(guān)采用瑞士賽雪龍公司型號為HPB 45M-82S高速單斷口直流斷路器，額定電壓2000V，額定電流4500 A，合閘線圈額定電壓DC 220V，具有快速分閘、恒定弧壓、雙分閘線圈可靠分閘等特點，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[8]。

圖1 HPB 45M-82S開關(guān)結(jié)構(gòu)Figure 1 The structure of HPB 45M-82S

表1 發(fā)電電動機主要參數(shù)Table 1 Main parameters of generator motor

1.2 故障情況

勵磁開關(guān)合閘異常情況在機組不同運行工況均有發(fā)生，雖頻次不多，但仍給電站生產(chǎn)造成一定影響。因該類故障現(xiàn)象基本一致，以某次機組泵工況停機投電制動過程中滅磁開關(guān)合閘失敗，引發(fā)勵磁系統(tǒng)故障，進而導(dǎo)致機組電氣事故停機為例說明。

某日08：01，3號機停泵過程中勵磁系統(tǒng)故障導(dǎo)致機組電氣事故停機。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)在停機過程中，電氣制動、勵磁投入后，滅磁開關(guān)合閘約150ms后分開，觸發(fā)機組電氣事故停機。截取事故時部分監(jiān)控記錄的事件日志情況如表2所示，從表中可以看出滅磁開關(guān)在合閘時，出現(xiàn)了合位信號抖動的情況。

表2 事故時的事件日志Table 2 The eventlog of the accident

2 故障排查

2.1 回路檢查

事故后，檢查滅磁開關(guān)本體及二次合閘控制回路各元器件，開關(guān)本體航空插頭內(nèi)的插針及接線均良好，二次回路絕緣正常，各端子亦無松動跡象，各元器件檢查均未發(fā)現(xiàn)明顯異常。對開關(guān)本體合閘線圈電阻進行測量，其阻值為40.8Ω（標(biāo)準(zhǔn)值：39 ± 8%，環(huán)境溫度20℃），滿足要求。回路及開關(guān)本體檢查并未確定故障原因，考慮復(fù)現(xiàn)故障，通過錄波器錄取故障關(guān)鍵信息加以分析判斷。

2.2 故障錄波

根據(jù)上述故障現(xiàn)象，選擇將接入監(jiān)控的開關(guān)本體合位信號（即常開觸點，回路電壓24V DC）及合閘線圈電壓信號接入錄波儀，如圖2所示。圖中Q02為滅磁開關(guān)編號，其分合閘線圈正向得電合閘，反向得電分閘。通過程序控制滅磁開關(guān)合分閘，并錄取上述信號波形。通過多次分合試驗，最終復(fù)現(xiàn)一次故障并錄取波形，正常合閘時的錄波情況如圖3所示，合閘異常錄波情況如圖4所示。

圖2 錄波信號選取Figure 2 Recording signal selected

圖3 正常合閘錄波Figure 3 Normal closing recorded wave

圖4 異常合閘錄波Figure 4 Abnormal closing recorded wave

從合閘成功波形可以看出，合閘線圈得電持續(xù)時間184.0ms，合位信號在線圈得電150.0ms后出現(xiàn)，即在合位信號出現(xiàn)后34.0ms撤掉合閘線圈電壓，多次合閘成功的波形類似，合閘線圈得電持續(xù)時間均在180.0 ～ 190.0ms。而合閘失敗的情況，合閘線圈得電持續(xù)時間167.2ms，合位信號也在線圈得電149.2ms后出現(xiàn)，即在合位信號出現(xiàn)后18.0ms撤掉合閘線圈電壓，但撤掉合閘線圈電壓146.0ms后合位信號消失，開關(guān)未合上。此外，從兩次試驗錄波還可看出，在合位信號第一次出現(xiàn)后的約5ms內(nèi)均存在抖動情況，與監(jiān)控事件日志基本一致。

綜合查閱的相關(guān)技術(shù)資料和開關(guān)動作原理分析，滅磁開關(guān)在合閘時的抖動，是由于開關(guān)在合閘過程中作用力較大，推桿在推動動觸頭及輔助觸點的運動行程中產(chǎn)生的正常現(xiàn)象，并不影響開關(guān)的正常使用。此外，關(guān)于在正常、異常合閘情況下，合閘線圈加壓時間差異的問題，經(jīng)核查勵磁系統(tǒng)相關(guān)程序后發(fā)現(xiàn)，合閘信號返回的條件是合位信號出現(xiàn)，出于保護線圈，延長線圈使用壽命之目的，在合位信號出現(xiàn)后將合閘線圈電壓撤掉；如合位信號不出現(xiàn)，勵磁系統(tǒng)將在達到設(shè)定的時間保護定值（1.4s）后，發(fā)令撤掉合閘線圈電壓（圖2中繼電器K10失磁）。

3 原因分析

根據(jù)上述故障錄波情況分析，不排除如下可能的情況：在滅磁開關(guān)合閘過程的最后一段行程時，開關(guān)雖未合閘到位，但合位信號已經(jīng)出現(xiàn)，勵磁程序在收到合位信號后撤掉合閘線圈電壓，動觸頭在最后一段行程時因合閘線圈失電而失去動力，導(dǎo)致合閘失敗。

據(jù)此，查閱滅磁開關(guān)手冊，其合閘特性曲線（環(huán)境溫度25℃）如圖5所示[8]，圖中A為合閘線圈電流，B為主觸頭，C為常開輔助觸點，D為常閉輔助觸點。從合閘特性曲線圖可明顯看出，在開關(guān)合閘過程中，其常開輔助觸點先于主觸頭合上（ta

圖5 合閘特性曲線Figure 5 Closing characteristic curve

綜合上述分析及多次合閘試驗結(jié)果，基本可得出如下結(jié)論：本次滅磁開關(guān)合閘異常，主要是由于合閘線圈帶電時間過短，存在一定概率會出現(xiàn)，在主觸頭尚未達到合閘穩(wěn)定狀態(tài)而合位信號已出現(xiàn)的情況下，勵磁系統(tǒng)收到合位信號后跳開合閘線圈，主觸頭在即將接近合閘穩(wěn)態(tài)時因合閘線圈失電而失去合閘動力返回，致使合閘失敗。

4 處理措施及驗證

4.1 處理措施

根據(jù)滅磁開關(guān)手冊建議，合閘脈沖持續(xù)時間宜設(shè)置在0.5～1s[8]；而勵磁程序通過合位信號來關(guān)閉合閘脈沖的邏輯，使得合閘線圈帶電時間最長也不足0.2s，這與滅磁開關(guān)廠家的要求不符。經(jīng)反復(fù)研究并征得設(shè)備廠家許可后，最終提出通過增加勵磁程序延時予以解決——在合閘過程中，勵磁系統(tǒng)在收到滅磁開關(guān)合位信號后延遲400ms再撤去合閘脈沖，即將合閘脈沖寬度在原邏輯基礎(chǔ)上增加400ms。

4.2 驗證

在對一臺機組的勵磁系統(tǒng)相關(guān)程序修改后，進行了150余次的合閘試驗，均未出現(xiàn)合閘失敗的情況，每次的錄波結(jié)果差異不大，如圖6所示。合閘線圈在帶電152ms時，勵磁系統(tǒng)在收到合位信號，然后延時408ms撤掉合閘線圈電壓，合閘線圈在整個合閘過程中帶電約560ms，滿足滅磁開關(guān)使用要求。

圖6 程序修改后正常合閘錄波Figure 6 Normal closing recorded wave after program modified

經(jīng)上述處理后的機組在隨后的一段時間運行效果理想，合閘異常現(xiàn)象再未出現(xiàn)，鑒于此，對剩下的三臺機組做了同樣處理。全廠四臺機組的勵磁程序修改至今，已累計啟停兩千余臺次，四臺滅磁開關(guān)累計動作近五千臺次，但同類型的合閘失敗情況未再復(fù)發(fā)。

試驗及實踐均證明，增加合閘脈沖寬度的解決方法是行之有效的，既保證了滅磁開關(guān)合閘的可靠性，又在一定程度上避免了合閘線圈帶電時間過長影響使用壽命的問題，同時也提高了電站機組運行的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

文章針對一起滅磁開關(guān)合閘異常現(xiàn)象，從多個角度入手排查故障原因，最終找到問題的癥結(jié)所在，提出有針對性的解決辦法，并經(jīng)試驗和實踐證明是切實可行的。本文從側(cè)面反映出主設(shè)備廠家對所引入的設(shè)備了解不深，對設(shè)備特性把握不足，易導(dǎo)致設(shè)備間協(xié)同工作時出現(xiàn)不暢的現(xiàn)象；此外，對于使用賽雪龍公司該類型開關(guān)的用戶而言，本文經(jīng)驗教訓(xùn)亦具有一定的借鑒和參考意義。