磁場斷路器偷跳引起的發電機開機不成功事件分析

吳 杰，鄧 耀

（1.五凌電力有限公司洪江水電廠，湖南 懷化 418200；2.湖南省水電智慧化工程技術研究中心，湖南 長沙 410004）

1 引言

某電廠位于湖南省懷化市境內，沅江中上游，發電機采用燈泡貫流式水輪發電機組，共裝機6臺，總容量為27萬kW，單機容量為45 MW，電廠主接線為單母線結構，兩機一變接線單元，兩條出線送出，電壓等級為220 kV。電廠1～2號機組勵磁調節器為廣州擎天有限公司生產的EXC9200型微機勵磁調節器，而3～6號機組調節器為ABB生產的UNITROL5000型勵磁調節器。UNITROL5000型勵磁系統至今已投運近20年，部分元器件老化嚴重，程序邏輯未得到有效更新，自投產以來，UNITROL5000勵磁系統先后出現過數次因磁場斷路器跳閘引起的開機不成功事件，但現場勵磁調節器及監控系統均無任何報警信息，保護裝置也未有任何異常信息，磁場斷路器跳閘原因難以判斷，這給機組的安全穩定運行帶來了較大的安全隱患。

本文結合UNITROL5000型勵磁系統軟件原理圖及設備二次回路控制圖，采用排除法對磁場斷路器偶然性跳閘的原因進行詳細的分析，找出根源所在，并提出有效的解決方案及防范措施，使問題得到徹底解決，保證機組安全穩定運行。

2 事件經過

（1）2020年12月30日，滅磁開關跳閘后專業人員到現場檢查，現場勵磁系統無任何告警信號，對滅磁開關跳閘繼電器端子進行了緊固，繼電器線圈阻值正常。聯系調度再次開機至空載正常。

（2）2021年01月09日，集控下令開機至并網。上位機開機至空載后，滅磁開關分閘動作,開機過程中勵磁系統建壓失敗。專業人員立即對機組勵磁系統進行檢查，發現5號機滅磁開關已分閘，勵磁系統未起勵，勵磁柜人機面板無起勵失敗信號及歷史告警記錄。聯系集控第二次發開機至空載令后，勵磁建壓成功，機組并網運行正常。

2次均是空載令下達成功后，滅磁開關合閘，約45 ms，滅磁開關分閘動作，機組開機過程中勵磁系統建壓失敗。現場檢查勵磁系統、保護系統及監控系統無任何告警信息。根據勵磁系統邏輯原理圖及二次回路控制圖，對現場相關設備進行檢查，初步判斷為磁場斷路器偷跳導致勵磁系統建壓失敗，更換磁場斷路器后，多次開機至空載，建壓成功。

3 故障原因分析

因為故障是由磁場斷路器異常跳閘造成發電機開機不成功，所以首先分析引起磁場斷路器異常跳閘的可能原因有哪幾種，分析每種原因的可能性，采用排除法定位磁場斷路器異常跳閘唯一原因，最后通過試驗驗證唯一原因的正確性。

3.1 磁場斷路器異常跳閘原因分析

通過對磁場斷路器分合閘控制圖1分析可得引起磁場斷路器分閘原因有7種可能，具體如下：

圖1 磁場斷路器分合閘控制

（1）勵磁調節器內部故障1，使勵磁調節器開入開出板U70中接點閉合，內部跳閘繼電器K01勵磁動作；K01常開輔助觸點閉合，磁場斷路器Q02兩組分閘線圈帶電動作，最終磁場斷路器Q02分閘。

（2）勵磁調節器內部故障2，使勵磁調節器開入開出板U71中接點閉合，內部跳閘繼電器K02勵磁動作；K02常開輔助觸點閉合，磁場斷路器Q02兩組分閘線圈帶電動作，最終磁場斷路器Q02分閘。

（3）發電機保護Ⅰ跳閘或監控系統下達磁場斷路器分閘命令時，X21：1/X21：51接點閉合，外部跳閘繼電器K03勵磁動作；K03常開輔助觸點閉合，磁場斷路器Q02兩組分閘線圈帶電動作，最終磁場斷路器Q02分閘。

（4）發電機保護Ⅱ跳閘或水機保護跳閘，X22：1/X22：51接點閉合，外部跳閘繼電器K04勵磁動作；K04常開輔助觸點閉合，磁場斷路器Q02兩組分閘線圈帶電動作，最終磁場斷路器Q02分閘。

（5）通過勵磁調節器操作面板或手持機等下達磁場斷路器分閘命令，勵磁調節器開入開出板U70中接點閉合，繼電器K05勵磁動作，K05常開輔助觸點閉合，磁場斷路器Q02兩組分閘線圈帶電動作，最終磁場斷路器Q02分閘。

（6）K01、K02、K03、K04、K05繼電器本身故障，造成繼電器常開接點閉合，使得磁場斷路器Q02分閘。

（7）磁場斷路器由于本體合閘機械機構存在缺陷，造成磁場斷路器異常偷跳。

3.2 內部跳閘繼電器K01和K02動作可能性分析

內部跳閘繼電器K01和K02勵磁動作條件：勵磁調節器通道需運行，且勵磁系統內部發生故障。動作現象：監控系統會有FCB事故跳閘告警信號，勵磁調節器會有內部故障信號（如二級管短路、轉子過電壓、整流橋溫度過高等）。而近期二次磁場斷路器異常跳閘都處于起勵過程，調節器通道未運行，且勵磁調節器及監控系統均無任何告警信號，所以排除由于勵磁調節器內部故障，引起K01及K02勵磁動作的可能性。

3.3 外部跳閘繼電器K03和K04動作可能性分析

（1）發電機保護Ⅰ、Ⅱ跳、監控系統發跳閘命令及水機保護動作，造成外部跳閘繼電器K03、K04勵磁動作，查看發電機保護裝置及監控系統，無發電機保護動作或水機保護動等報警信息，也未發任何跳閘命令。

（2）對保護裝置、監控系統、勵磁調節器磁場斷路器外部跳閘接點X22：1/X22：51兩側接線進行檢查，未發現任何松動或短路現象。

（3）查看勵磁調節器外部跳閘邏輯原理圖2，外部跳閘繼電器K03和K04動作后，U70第9點輸入10709（EXTL TRIP）動作，通過SR觸發器保持動作令，同時滿足FCB OPEN（已分閘），將出口FCB TRIP跳閘信號至監控系統報警。現場檢查勵磁調節器及監控系統無FCB跳閘信號，FCB已分接點（U70,11/Q02 31：32）動作正常，而且開機至空載前，上位機會下發所有事故復歸令，所以存在外部跳閘令保持的情況概率非常小，幾乎排除。

圖2 勵磁調節器外部跳閘邏輯

通過以上分析，排除外部跳閘繼電器K03和K04勵磁動作可能性。

3.4 繼電器K05動作可能性分析

繼電器K05勵磁動作，必須由U70板，4號接點（FCB OFF）開出，對應邏輯圖為10309（FCB OFF）。從勵磁投退控制邏輯圖可知滅磁開關分閘命令（FCB OFF）開出有以下幾種方式：

（1）勵磁跳閘（TRIP CMD），造成滅磁開關分閘；而勵磁跳閘置1原因有失勵跳閘、跨接器失敗、轉子過電壓、勵磁電流瞬時過流、整流橋失效、勵磁變壓器過溫等故障，但這些故障發生必然有告警信號或必須在運行情況下才會發生，所以排除勵磁故障，勵磁跳閘置1造成滅磁開關分閘可能性。

（2）面 板 分(LCP FB OFF)或 退 勵 磁 令(EXC OFF)分FCB，但這種情況必須在有分閘命令而且需要在通道運行的情況下才能分FCB，所以排除面板或退勵磁分FCB可能性。

（3）跨接器故障（FCB OFF MON）分FCB，這種情況必須在運行情況下，跨接器動作或故障下才會執行分FCB令，現場勵磁系統未運行，且無跨接器任何異常信號，所以排除跨接器分FCB可能性。

（4）外部跳閘（10709）分FCB，這種情況與外部跳閘K03與K04分析一致。

3.5 跳閘繼電器本身故障可能性

（1）對5個跳閘繼電器外觀完好度、電源及接點接線進行檢查，未發現任何短接或破損現象。

（2）單獨對5個跳閘繼電器進行校驗，繼電器校驗數據均合格，即可排除跳閘繼電器本身故障原因，具體試驗數據如下：

表1 跳閘繼電器具體試驗數據

3.6 磁場斷路器檢查

通過排除法，已經排除了前面6種磁場斷路器跳閘的可能性，幾乎可以鎖定磁場斷路器異常跳閘的原因為磁場斷路器異常偷跳。對磁場斷路器進行詳細的檢查，檢查結果見表2。

表2 磁場斷路器檢查情況

通過對磁場斷路器的詳細檢查，發現合閘操作機構部分構成存在磨損現象，這可能導致合閘機構穩定性不夠，使得磁場斷路器合閘后，又發生觸頭垂直滑位，造成磁場斷路器異常跳閘。

3.7 磁場斷路器合閘機構穩定性不夠分析

經過調查發現磁場斷路器合閘機構穩定性不夠故障較為常見，即磁場斷路器合閘，主觸頭閉合到位，又發生主觸頭垂直滑位，接觸電阻增大的現象，造成機組在開機時起勵建壓失敗，嚴重時使運行機組失磁。因此，必須調整機構的穩定度。機構的工作穩定性與機構過死點距離a有關。造成機構過死點距離a不符合要求原因有：多次跳合閘使得采用環氧板制作的連桿連接孔磨損增大。

4 故障處理

本次對機械機構故障的磁場斷路器進行了更換。用于更換的磁場斷路器相關試驗數據均合格。磁場斷路器更換后，重新開機并網，勵磁系統無任何異常。至今設備運行一直良好，故障再未出現，證明該隱患得到徹底解決。

5 防范措施

（1）將磁場斷路器日常巡查工作列入防非停措施，日常對磁場斷路器狀態及信號進行巡查。

（2）利用機組停機機會，每季度定期對磁場斷路器進行詳查：儲能電機及機構是否破損、手動儲能是否正常、分合閘是否正常、操作機構是否正常等。

（3）檢修期間，對磁場斷路器開展電氣試驗、觸頭及滅弧罩等檢查、分合閘線圈檢查、儲能彈簧檢查、合閘機構穩定度調整等。

（4）磁場斷路器電氣試驗主要包括：斷路器絕緣電阻、斷路器直流電阻、分合閘線圈電阻、斷路器動作特性試驗、分合閘最小電壓試驗（最小電壓均不得大于80%Ue（176 V））。

（5）觸頭檢查：檢查滅弧室的狀態，滅弧室本體必須沒有損傷，滅弧片既沒有受腐蝕也沒有受損；使用壓縮氣吹掉灰塵，然后使用刷子清除所有煙熏和熔渣的痕跡；檢查觸點狀態良好；肉眼檢查主板和滅弧板都在原位；若發現滅弧片發黑或卷邊現象及時更換斷路器。

（6）合閘機構穩定度調整：機構的工作穩定性與機構過死點距離a有關，a一般應在3～4 mm。但這個數據不容易測量，可以制作一塊專用的檢查死點機構距離的樣板，用來檢查α的數據。專用的檢查樣板可采用一塊70 mm×20 mm的透明有機玻璃。在上刻化一條基線和與機線相距3 mm和4 mm的檢查線各一條。檢查時基線對準連桿的上下孔心連線，觀察連桿左孔心是否在3 mm、4 mm檢查線之間。當a不符合要求時，可調整合閘電磁鐵下的墊片，使a數據符合技術要求，若是環氧板連桿磨損較多，可另加工原尺寸大小的環氧板替換。

6 結論

綜上所述，磁場斷路器是勵磁系統內的重要設備，對機組的安全穩定運行非常重要，在檢修期間，應對其進行全面檢查及試驗，試驗內容除斷路器回路電阻試驗、斷路器直流耐壓試驗、斷路器動作特性試驗外，重點應檢查斷路器本體的操作機構及儲能電機、滅弧室、手動儲能操作機構及合閘機構穩定度等，確保斷路器操作機構的可靠性。同時對已投運十多年的磁場斷路器需考慮進行整體更換，以確保勵磁系統能夠安全穩定的運行。