300MW发电机组励磁系统故障分析及预控措施

300MW发电机组励磁系统故障分析及预控措施

严相宏

（深圳妈湾电力有限公司518052）

摘要：本文以某厂300MW发电机组励磁系统故障实例为对象，通过比对分析，详细剖析了励磁系统故障的主要原因、表现形式和动作结果，并提出了相对应的预控措施。

关键词：300MW机组；励磁系统；故障分析；预控措施

励磁系统是发电机的重要组成部分，当励磁系统发生异常或故障时，发电机极易失去稳定，导致发电机跳闸甚至电力系统振荡。为此，本文详细统计了某厂300MW发电机组历年励磁系统故障实例，整理归纳出励磁系统故障的三类直接原因及其表现形式。通过剖析直接原因，找出系统和设备存在的深层次隐患，采取及时有效的解决办法加以逐一消除。针对励磁系统的突发异常或事故，提出预控措施，力图让运行人员能够在短时间内排除干扰、抓住重点，果断处理，最大限度地保证发电机组的稳定运行和安全停机。

1励磁系统概况

某发电厂自1993年以来，陆续建成投产共计6台300MW发电机组。其中#1～#4发电机组采用同轴它励交流励磁机，静止整流器的半导体励磁系统，投产初期#1～#4发电机组采用HWTA自动电压调节器和400Hz手动感应调压两种励磁调节方式，其后陆续对励磁调节器进行技术改造，更换为ABB公司UNITROL®F系列的数字式励磁调节器。#5、6机组分别于2002、2003年投产，采用ABB自并励静止可控硅整流系统，该系统主要由励磁电源变压器、三相全控桥式整流装置、灭磁及转子过压保护装置、起励装置、微机励磁调节器及独立的手动控制装置组成，控制部分为ABB公司基于微处理器数字系统的UNITROL5000产品。

2历年励磁系统故障统计分类

该厂自1993年第一台300MW机组并网投产以来，目前可统计到的具代表性的励磁系统故障共12起，我们按“事故直接原因”作为首要分析目标对这12起故障实例进行分类，列表如下：

3故障原因分析及预控措施

通过对事故直接原因的详细剖析，我们找出了励磁系统目前和未来可能存在的事故隐患和薄弱环节，并制定了相应的解决方案，逐步加以消除。

3.1内部故障

这12起事故中，共有5起内部设备故障，均发生在早期的HWTA调节器和整流柜上，而第（6）起故障虽归类为外部故障，其外部干扰所引起的调节器误动也发生在HWTA上，这充分说明了早期励磁调节系统自身稳定性较差。这类事故原因占到了4成。其表现形式有：开关负荷能力差，控制元件老化，调节特性发生漂移等。#1～#4机组自2000年逐步进行技术改造，更换为ABB数字式励磁调节器后，在较长一段时期内，未再发生励磁系统设备内部故障，稳定性较好。

但近年来，#1～#6发电机组励磁系统陆续出现异常和设备缺陷，虽未导致机组非停，但已逐渐显露出设备老化的端倪，应引起相关部门重视。如：2014年8月23日#5机AVR励磁调节器远方调节异常，导致励磁参数大幅波动，只能切至就地调节控制，这一故障直到2015年1月25日检修更换了AVR励磁调节器IO板更新了相关程序，才得以解决。2015年4月28日#2发电机励磁调节器2通道异常，AVR无法自动维持发电机出口电压，将#2发电机励磁调节由2通道切至1通道运行，由于没有停机窗口或没有备件，迟迟未能得到彻底解决。

解决方案：1、近一年来该厂6台机组实际运行状况表明，其励磁系统设备已进入相对老化期，故障率在逐渐升高。未雨绸缪，该厂已安排对励磁系统设备进行稳定性评估，对易发故障的元件和部位进行重点排查，并列明清单，计划逐步在大小修时，重点检查，彻底消除。2、加强大小修期间的设备维修质量，做好备品备件的采购。据ABB公司反馈，目前在役的unitrol5000系列已停产，备件备品难以采购。因此，除了加强日常维护外，必须要考虑励磁调节器的升级改造。3、加强对励磁工作间空调装置的监控和调整，确保工作环境的温度和湿度，延长励磁系统设备元件的寿命。4、定期跟踪励磁系统部件对电气系统的运行适应性，在大小修期间针对主要励磁参数进行验算与校核，发现问题及时进行修正和完善。

3.2外部干扰

外部突发或固有的干扰因素是事故处理中最难预防的，其突发性和隐蔽性也会直接影响到事故处理过程中运行人员的判断和操作，甚至导致事故扩大。在这3起外部干扰引起的事故中，干扰因素各不相同，分别为厂外系统、雷暴天气、交流窜直流。

尽管励磁系统本身均具备一定抗干扰能力，但对于较强的、恶性的侵入，励磁系统不可能全部屏蔽或过滤。如，第（8）起事故，厂用电系统二次回路元件老化导致交流窜入直流，引起处于同一控制直流系统中的励磁开关跳闸，机组停运。对于这种由于系统固有（非必然，但从电气初始设计、安装时就已潜伏并在条件具备时爆发的）干扰，只能从源头进行地毯式排查才能彻底消除。当然，这种干扰因素有可能通过危害相对较轻、代价付出较小的方式先期显现出来，因此，在实际运行过程中，当出现这类异常征兆时，一定要深入分析，排查到底，彻底清除，从而避免付出更大的代价。

对于外网系统或雷暴天气的干扰，必须制定主动性的事故预想制度。因为，这类干扰有明显的迹象和前奏，可以提前做好预防措施。该厂出线为220KV系统，在雷暴天气或外网出现异常时，会有相应的报警和参数波动，我们在进行220KV系统事故处理时，要兼顾对发电机组励磁系统的监控，防止励磁系统被干扰引起本机振荡或跳闸，进而反向危害电力系统，造成恶性循环。

解决方案：1、全面彻底排查全厂直流控制系统，尤其包含交直流双路控制的继电器、接触器等设备，范围包括电气、热工、燃料、通讯等各专业。确保控制电缆走线规范，端子牢固，清除残留的交直流混搭电缆。2、高度重视直流系统接地故障，制定直流系统接地故障查找排除规范和流程。对短时难以确定接地点的间歇性接地故障，因立即组织相关部门并成立专项小组，尽快查明接地点并彻底消除。3、针对恶劣天气或特殊条件下励磁系统可能出现的突发性不确定性的故障，要总结过往事故处理经验，制定相应事故预想方案并定期预演。4、针对#5、#6机组励磁开关控制继电器容量较小，在受到干扰的情况下易，造成励磁开关误跳、偷跳的情况，经分析论证并联系生产厂家，更换为功率较大的继电器。

3.3人为因素

造成励磁系统事故的4起人为因素，均为检修人员在励磁系统部件上的不规范操作引起。针对这几起事故，电厂及时制定并逐渐完善了励磁系统操作防范措施。尤其是发生第（11）、（12）起碳刷事故后，相关部门对励磁系统碳刷运维工作进行了全方位的隐患排查，制定了多项举措。如，检修部全面规范了发电机组碳刷定期维护工作；运行部制定了《防止发电机、励磁机碳刷故障引起停机的措施》等。此后，这类人为因素得到了有效的遏制。

解决方案：1、严格执行励磁系统维护安全措施，并在实践中不断修改和完善。加强对检修和运行新员工的操作培训，通过拍摄现场操作视频进行专业培训，避免由于维护经验不足而导致失磁事故的发生。2、加强运行员工励磁系统技术培训，深入了解设备及系统组成和运行规律，结合现场实际进行技术讲课、技术练兵、现场演示、反事故预想等，提高运行人员的业务素质及事故处理的应变能力。3、组织检修人员深入学习励磁系统检修调试规程，组织有经验老师傅现场演示，提高检修人员的现场检修调试水平，必要时可派员到厂家参观学习，更进一步深入掌握发电机励磁系统的全部元件特性。

4保护动作分析及改进措施

该发电厂励磁系统采用了分段励磁，部件较多且控制环节复杂。为此，原始设计中，针对励磁系统异常和事故配备了多项保护，包括励磁机过负荷保护、过励磁保护、转子接地保护、失磁保护、失磁联跳等等。为突出分析效果，我们将历年故障实例根据保护动作情况进行简化列表：

12■■停机

由上表分析，当发电机励磁系统异常时，保护均能迅速检测并动作，发出信号，切换厂用电，解列或程序跳闸。对这12起事故，除第（11）起因碳刷着火，紧急手动打闸外，其余11起事故中失磁保护均能够启动，但因符合的判据不完全相同，其动作方式和结果也有区别。其中，有3起通过切换为备励或抢合励磁开关，避免了停机。

保护动作实例分析及解决措施：

1、第（4）、（5）起发生在2000年，当时励磁调节器还没有改造，在HWTA调节器出现故障后，手动切至备励，恢复了励磁，未造成停机。2000年后，#1～#4机组改造了励磁调节器，励磁系统稳定性大幅提高，此类故障明显降低。

2、第（7）起事故中，#4发电机因外部雷暴干扰Q02开关跳闸失磁，运行人员在判明事故特征的情况下，紧急抢合Q02开关，重新励磁，恢复发电机正常运行，实属不易。短时间内正确判断事故象征，准确把握抢合时机，需要运行人员具备高度的责任心和较强的技术技能。

3、第（8）、（12）起故障情况比较类似，第（12）起中，在发生Q02开关跳闸后，发电机失磁，失磁保护I段动作，延时0.5s切厂用电，同时定子反时限过负荷启动计时，累计21s，在失磁保护II段动作前，跳开发电机主开关；第（8）起中，在发生FCB开关跳闸后，失磁保护I段动作，延时0.5s切厂用电，同时定子反时限过负荷启动计时，累计大约180s，动作出口，程序跳闸，关主气门，锅炉MFT，但因逆功率定值设置偏小，未能跳主开关，运行人员手动打闸发电机。

4、在第（8）起事故中，当失磁故障发生时，由于220kV母线电压下降不到10%，大于II段判据母线电压定值85%Ue，故失磁保护II段未动作。事实上，在目前大电网、系统响应较高的环境下，在单台机组失磁时，对母线电压影响非常小，基本达不到失磁II段的判据定值，而原失磁II段保护动作逻辑是以系统母线低电压为主判据的，因此，该保护配置已失去存在的意义，且易造成事故扩大。为此，该厂经过分析论证，对该判据进行了慎重调整，完善了失磁II段低电压判据（选择机端低电压判据）。同时完善失磁联跳回路，即在励磁调节器软件中，增加外部跳闸反跳功能，防止Q02开关偷跳。

5运行处理及建议

当设备或系统出现故障时，保护正确动作是减小故障损失的第一要素。但在实际中，还是会存在保护误动、拒动的可能，这将会导致事故扩大，威胁人身和设备安全。因此，人为的准确干预是非常有必要的。但人为干预是基于对设备和系统的充分了解以及对事故现象的正确判断，作为直接面对异常和事故的运行人员，必须未雨绸缪，全方位提高反事故技术水平。

1、所有运行人员都必须清楚发电机励磁系统重要性，详细了解励磁系统工作原理、设备规范和保护配置。

2、通过深入学习励磁系统各类操作票，熟练掌握励磁系统各项操作流程。对新员工，可采用拍摄现场操作视频、制做PPT动画等多种形象生动的培训方式增强学习效果。

3、组织学习发电机励磁系统历年各类异常和事故实例，了解发电机励磁系统各类异常和事故的直接原因、表现形式和保护动作情况。通过定期进行反事故演练，提高运行人员应急事故处置能力。

4、密切跟踪励磁系统改造更新项目，同步公示系统变更情况并制定相应预控措施，同步修订完善励磁系统相关规程、系统图和操作票。

6结论

1、通过整理历年励磁系统故障实例，将励磁系统事故原因归纳为内部故障、外部干扰和人为因素，并制定出相对应的解决方案以彻底消除系统和设备隐患，从源头上杜绝异常和事故的发生。

2、通过完善励磁系统继电保护配置和修改保护定值，提高继电保护装置动作可靠性和灵敏度，最大限度地减少人为干预，有效防止事故扩大。

3、通过多种培训模式，有效提高运行人员对励磁系统的掌握程度和执行能力；定期进行事故演练，确保励磁系统出现异常和事故时，运行人员能够准确判断，果断处理。