A failure analysis of generator excitation voltage and current jitter
TAO Rui-ji OU Shi-ju
Guangdong Province Shaoguan Iron and Steel Group Co.,Ltd
摘要：介绍了一宗新发电机组启动调试过程中励磁电压及励磁电流抖动的案例，并就如何进行排查、处理进行分析、总结，为同行处理类似故障提供调试经验。
关键词：副励磁；调节装置；相序
Abstract:Introduces the start-up debugging process of excitation voltage and excitation current jitter case a new generating units, and how to carry on the investigation, analysis, summary treatment, provide debugging experience for similar fault handling peer.
Keywords:Auxiliary excitation Adjusting device Phase sequence
同步电机励磁系统是提供电机磁场电流的装置，包括所有调节与控制元件，还有磁场放电或灭磁装置以及保护装置。励磁控制系统是包括控制对象的反馈控制系统。励磁控制系统对电力系统的安全、稳定、经济运行都有重要的影响。在发电机安装完毕做完静态试验后，还需要在启动时进行动态试验，包括短路试验、空载试验、带负荷试验等。如果励磁系统不能正常工作，则会影响到到发电机的正常调试和运行。在韶钢某台发电机做动态试验时就遇到了励磁系统不正常工作的情况，我们一起来探讨一下如何发现和解决的。
1、工作原理
韶钢某新的余热发电站的18MW发电机采用了交流无刷励磁机，由交流发电机（交流励磁机PMG）提供励磁电源的励磁系统叫交流励磁机励磁系统。交流励磁机为350Hz的三相交流发电机，发出的三相交流电压经三相全波桥式整流装置整流后变为直流电压，向同步发电机主励磁机定子（L1、L2）提供励磁电源。永磁副励磁机的拖动方式为由汽轮机拖动与发电机同轴的拖动方式，励磁方式为它励方式。交流励磁机可控整流器励磁系统由永磁副励磁机、三相可控整流桥、励磁调节器、交流主励磁机组成（图1）。
同步发电机的励磁电源是由交流励磁机输出。可控整流装置将永磁副励磁机输出的三相交流电压转换成直流电压，励磁调节器根据发电机运行工况调节可控整流器的导通角，调节可控整流装置的输出电压，从而调节发电机的励磁，满足电力系统安全、稳定、经济运行的要求。
图1：励磁系统电路简图
2、故障现象
余热发电站的18MW发电机建成后，进行发电机组启动动态试验，当天在完成了相关的分系统调试之后，交由电气专业做相关的电气试验。
2.1短路试验时的现象
调试小组按计划先做短路试验，当发电机转速达到3000转/分钟后，投入A、B套励磁装置的相关开关，机械式的励磁电压表及励磁电流表指针均有较大幅度的抖动。点动“增磁开关”时，励磁电压及励磁电流表的指针跟随上升，抖动得更加厉害，发电机定子电流也有很大的变化（达几百安培），这种情况属于不正常的现象。调试人员以为是某些端子松动了造成的，将励磁装置停电后安排人员对励磁屏所有的端子进行紧固检查，发现确实是存在一些接线的端子较松的情况。将端子紧固后重新投入励磁系统，但指针的抖动现象依然存在。
调试小组人员考虑是否其中1套励磁装置存在故障，当A、B套装置都投入运行时，有故障的装置影响到了正常运行的励磁装置。于时只投入A套装置，将B套装置退出运行。此时励磁电压及电流的指针瞬间变得很平稳了，不存在抖动的现象。因此，调试人员初步判断是B套励磁装置存在故障，暂时退出该装置的运行，继续完成短路试验。
完成了短路试验后，将A套励磁装置退出运行，只投入B套励磁装置，也能够正常工作，指针也是很平稳，说明B套装置未损坏，但不能将A、B套励磁装置同时投入运行，单独运行就没有问题。又以为是装置参数设置有问题，不能并列运行，暂时没有进行原因分析及查找。
2.2空载试验时的现象
顺利完成了发电机的短路试验后，准备做空载试验，继续用A套励磁装置做试验。可是当投入A套励磁装置的相关开关后，还未点动“增磁开关”，励磁电压及电流表的指针突然从0快速指向最大值，指针在短短的3秒钟内已经顶格了，然后听到发电机“嗡”的一声，励磁电压及电流表指针返回到0位，“嗡”声渐渐变小。微机监控后台系统报文显示：发电机过电压保护（额定电压为10.5kV，过电压保护值设定为13.6kV）。由于励磁装置自动加磁输出到主励磁机，发电机定子自动建压到13.6kV而过电压保护了，励磁装置自动退出运行。
将励磁装置停电后，用B通道做了一次空载试验，故障现象依然如故，也是过电压保护。调试人员害怕发电机定子绝缘受到过电压冲击而损坏，不敢再继续做空载试验了，空载试验以失败告终，剩余的并网试验、带负荷试验也无法进行下去。这种现象令人难以理解，需要仔细检查、分析，排除故障后再进行试验。
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3、故障原因
3.1查找
按照励磁系统的工作原理，励磁回路的电路、磁路顺序如下：①与发电机转子同轴的永磁交流副励磁机转子转动切割磁力线，交流副励磁机定子发出三相交流电压→②通过电缆输入到励磁调节装置→③三相全波桥式整流装置整流后变为直流电压→④通过电缆输出到交流主励磁机定子绕组→⑤交流主励磁机三相转子绕组→⑥整流盘中的整流桥→⑦发电机转子绕组→⑧发电机定子绕组。如果在上述任何一个环节出了问题，发电机均不能发出电来。
用A、B通道的单台励磁装置可以完成短路试验，说明从第③步开始是正常的，可以不用查找，需从第③步之前的回路去查找故障。为了彻查问题的所在，起动小组决定中断发电机组的启动试验。
用万用表测量励磁装置的输入端（也就是永磁副励磁机的输出端，额定电压为240V）三相交流电压平衡，并未发现异常问题。励磁装置厂家的技术人员到现场后，对励磁屏的所有设备元件进行了详细检查，也未发现异常情况，他说从未遇到这种奇怪的现象。查找发电机励磁回路故障的工作一时陷入了僵局。
3.2真相
既然是未查找到异常的情况，大胆设想副励磁机的三相交流电输入端的相序是否存在负序的情况呢？起初大部分人都持反对的态度，因为副励磁机只是给励磁装置提供了一个工作电源而已，副励磁机输出的是三相交流电，经过三相桥式整流后变成了直流电，即使三相交流电是负序，也不至于会造成这种现象。
用电压相序表测试励磁装置的输入端三相电压，果然是负序的。打开副励磁机接线盒的端盖，发现电缆的黄、绿、红相色与副励磁机的引线端子U、V、W是相对应的，励磁屏侧的端子按照相色接入，并没有接错，结果却不是正序接入，而变成了负序接入。这说明交流副励磁机厂家在标注端子时标错了，误导了安装人员按照标识进行了错误的接线。
虽然不清楚励磁装置输入的三相交流电相序是否造成上述现象的原因，但还是将励磁屏侧的三相励磁电源输入端接线进行了换相，即将U、W相对调。为了验证是否更换有效，调试小组甩开主励磁机定子输入电缆（即励磁装置直流输出电缆），接上了1000W的白炽灯作为负载，替代主励磁机定子绕组负载，试验A、B通道的励磁输出情况。结果均正常，指针无抖动现象，也不会自动加磁，需要点动“增磁”开关，励磁装置才会有输出。通过增磁、减磁操作，白炽灯会跟随变亮或变暗。带假负载试验成功。
甩开白炽灯，接上主励磁机定子绕组负载电缆，重新做发电机的空载试验，用A、B通道都很顺利，而且可以将A、B通道同时运行，还可以实现平稳切换，与短路试验时的情况完全不同，说明换相成功。做完各项试验后发电机一次并网发电成功，励磁故障得到了彻底的解决。
3.3分析
励磁装置在设置参数时，估计是将交流励磁电源的相序与发电机定子相序对应起来了，需要完全对应上。在做短路试验时，因为发电机定子无电压，故可以忽略相序，但还是会造成A、B套励磁装置不能并列运行。
在做空载试验时，发电机定子有电压，励磁装置区分相序，因交流励磁电源三相电压与发电机定子三相电压相序不相符，造成励磁装置反馈不正常，自动增磁输出励磁电源到交流主励磁机，使定子自动升压，直至过电压保护动作，退出励磁装置工作。
说明励磁装置输入的三相交流电相序如果出现了错误接线，会造成发电机不能正常运行发电，相序很重要，不可以忽视。
4、几点思考
处理这起罕见的故障，引发出的几个问题值得我们思考。
4.1严格遵守工艺并注意细节。
在韶钢有多台发电机，在调试时从来没有发生过这种情况。制造方在副励磁机定子镶嵌绕线时，不小心将相序标识标错了，施工人员按照标识进行了接线，造成了励磁系统不能正常工作，给用户带来了不必要的麻烦。因此制造厂商应该严格按制造工艺进行生产，认真对待每一步工序，不让有问题的产品出厂。也许一个小小的失误都会给用户造成不良的后果，严重时会造成巨大的经济损失。
4.2打破应循守旧。
需要大胆设想，小心求证。在某些时候，分析往往不可能引起故障的原因，恰恰就是引起故障的根本原因。本案例就是一个很好的典范，大多数人认为副励磁机相序接反不可能造成励磁系统不能正常工作，而结果恰恰就是相序问题引起的故障。这说明搞技术工作不能应循守旧，要勇于打破习惯性思维，扩展处理故障的思路，在无更好的办法时应大胆设想，按照设备的工作原理认真分析，列出引起故障的各项可能，逐一排除。故障引发总是有它的原因的，不可能无中生有，只是需要我们去分析、排除。
4.3完善调试步骤。
励磁装置使用说明书及调试步骤资料上并没有提到这种情况，既然在实际中遇到了这种问题，就需要完善相关的资料。将检查励磁输入三相电源的相序工作列入励磁装置说明书，在调试前认真核对相序，作为动态调试的必要条件，如果没有做该步骤则不能冲转发电机转子。当然，前提是励磁机制作方要确保永磁副励磁机的定子三相引线标识要正确。如果标识错误，则还需要安装人员采取相应的办法鉴别出相序标识是否与实际相符，如不符，则要根据实际情况进行调整。
参考文献
[1]李基成编著.现代同步发电机励磁系统设计及应用（第二版）[M].北京：中国电力出版社，2009，3.
[2]王君亮编著.同步发电机励磁系统原理与运行维护[M].北京：中国水利水电出版社，2010，11.
作者简介：
陶瑞基，男，1974年7月生，本科，高级电气工程师，电气工程及其自动化专业，主要从事电气技术、电气控制方面工作。
论文作者:陶瑞基,区思君
论文发表刊物:《电力设备》2017年第13期
论文发表时间:2017/9/22
标签：励磁论文; 装置论文; 发电机论文; 定子论文; 流电论文; 故障论文; 电压论文; 《电力设备》2017年第13期论文;