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2007.№5 大 电 机 技 术49
陈杰凤 1，姜国华1，曹洪亮2
（1.哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040； 2.中国招标公司，北京 100081）
[摘 要] 本文主要介绍了UNITROL5000 励磁系统的转子过电压保护设备——跨接器(CROWBAR)的原理﹑常见故障的分析与处理，重点阐述了CUS 元件的故障现象，分析了故障原因，提出了处理方法，为现场人员的维修提供了重要的参考依据。
[关键词] UN5000 励磁系统；跨接器；CUS 元件；转子过电压
1 跨接器（CROWBAR）
工作原理在UN5000励磁系统中，跨接器的主要作用有两点：一是用于灭磁；二是用于转子过电压保护。跨接器主要由触发板-A02，晶闸管V1～V3及电流监视用CUS元件-T1三部分回路组成，如图1、图2所示。
1.1 灭磁原理
对于300MW及以上的汽轮发电机UN5000自并励静止励磁系统，一般都采用标准的直流灭磁方案，它包括安装于整流桥直流侧的4断口磁场断路器、晶闸管跨接器（CROWBAR）、碳化硅非线性灭磁电阻。当收到来自发电机保护或者来自内部的励磁保护跳闸命令，在断开直流侧磁场断路器的同时触发晶闸管跨接器以接通灭磁电阻灭磁，同时启动逆变灭磁措施共同灭磁。
1.2 直流侧过电压保护原理
发电机端出现故障，如短路、错误的同步或异步运行，会在转子回路中产生反向过电压。过电压必须被限制到足够安全的水平，以不破坏励磁绕组的绝缘为标准。跨接器电路通常用于直流侧过压保护。该电路采用雪崩二极管探测转子回路中的正向和反向过电压，如触发板-A02上的V1000。对于300MW汽轮发电机组该雪崩二极管的击穿电压一般选择为2200V,即过电压保护动作值为2200V。当雪崩二极管被击穿时，相连的可控硅则被触发，立即将碳化硅非线性灭磁电阻R02.1～3并联连接到转子回路上，如图2。同时发出跳闸令切机。
2 跨接器（CROWBAR）故障的危害及后果
2.1 跨接器（CROWBAR）晶闸管短路故障
当跨接器（CROWBAR）的正向或反向晶闸管短路时，转子电阻长时间导通，会发生碳化硅电阻过热。因此碳化硅非线性电阻应安装于远离其他电器元件的位置。另外,当晶闸管导通电流达到CUS 监视元件的动作值时，AVR 运行程序会发出转子过电压报警,联跳磁场断路器,会造成严重的事故停机。
2.2 跨接器（CROWBAR）晶闸管不触发故障当 汽 轮 发 电机转子两端出现过电压并达到
CROWBAR 动作值时,而CROWBAR 晶闸管由于故障没有触发，此时相当于硅化硅非线性电阻开路，会在辅机及其他转子表面产生涡流而消耗大部分转子过电压能量，转子绕组会发生过热现象，但不会产生严重后果。但是，对于大滑差长时间高负荷异步运行，后果还是很严重的。
图1 跨接器的组成与接线
图2 跨接器-F02主回路接线图
2.3 触发回路故障
触发回路的故障分为不触发和误触发两种情况。不触发的后果同2.2 项。误触发的后果相当于2.1 项。
2.4 CUS 故障
在正常停机或故障停机过程中，由于CUS 检测电流为零，会出现“CROWBAR 失灵”报警，提示电厂检修人员检查CUS 元件。如果CUS 输出端子开路，造成干扰输入，会导致事故停机。
2.5 其他故障
与触发板连接的端子松动，会导致事故停机。
3 跨接器（CROWBAR）的CUS 故障的现象、原因分析及故障处理
3.1 故障现象
（1）AVR“转子过电压”动作而跳磁场断路器，联跳发电机开关，事故停机。
（2）调节器的显示器LCP 显示的报警，按照从先到后的时间顺序如下:
FIELD OVERVOLTAGE 35
CROWBAR FAILED 135
CONV. FAIL LEVEL 1 197
CONV. FAIL LEVEL 2 198
BRANCH R- FAILURE 184
CONVERTER BLOCKED 196
CONVERTER 1 161
（3）其他现象
调节器内的继电器-K01，-K02 都为红灯，即动作状态，U70 和U71 上的TRIP 灯均亮;
通道1 的COB 的LED 显示F35， 通道 2 的COB的LED 显示A161。
3.2 可能的原因
（1）CROWBAR 及其触发板-A02 的线路松动或接触不良;
（2）在灭磁屏内发现新鲜的老鼠粪便，怀疑老鼠造成转子回路瞬间短路，或者屏内直流输出电缆被老鼠啃噬而断路或短路；
（3）转子回路的相间绝缘或者转子绕组对地绝缘有问题;
（4）灭磁开关的跳闸回路有问题，不能够正确动作;
（5）励磁系统内部故障时，跳闸逻辑不正确，从调节器发出至保护的信号不正确；
（6）外部干扰造成“转子过电压”误动而跳机。
3.3 故障检查
针对以上 6 种可能的原因，对设备进行了逐一检查。检查结果如下:
（1）对CROWBAR 及其触发板-A02 的线路及端子等联结部分进行了认真仔细的检查，没有发现端子松动现象，但发现CROWBAR 的CUS 元件上面的SUB-D 型端子的第七管脚发生严重电腐蚀而断路，FEMALE 和MALE 端均覆盖有白色粉末。
（2）将励磁系统连接到转子绕组的电缆全面仔细地检查一遍，没有发现被老鼠啃噬而断路或短路的痕迹。
（3）进行了转子绕组的相间及转子绕组对地的绝缘电阻测试，结果满足运行要求。
（4）静态进行了灭磁开关的合/跳闸试验，证实灭磁开关的合/跳闸回路能够正确动作。
（5）励磁系统内部故障时，跳闸逻辑是正确的，从励磁系统逻辑图及硬件图可以确认。
（6）经检查发现，励磁屏体的接地铜排没有接至电厂的接地网。从外部接至励磁屏体的所有电缆的屏蔽线都悬空，未接地。
3.4 电流传感器CUS的工作原理
（1）CUS功能简介
电流传感器CUS通过Hall传感器测量电流。它可以测量的电流最大值为2000A，而且线性度和精度都非常高。传感器的输出能够产生与铁心内流过的电流成正比的差分电压。
（2）CUS工作原理
在CUS的管脚“OUT 1“和“OUT 2“输出高频差分电压。CUS测量原理图见图3和图4。
图3 CUS电流测量原理图1
图4 CUS电流测量原理图2
Hall传感器放置于螺旋形铁心的气隙内。这样的结构允许测量穿过铁心的，与测量电流成正比的磁通量。Hall传感器的接点接至Sub-D 型端子。Sub-D 型端子，螺旋形铁心，以及Hall传感器共同封装在塑料外壳内。将Sub-D型端子外部的两个加固螺钉拆开，拔下Sub-D型端子的MALE端，检查发现其第七管脚的插针和插孔都已经严重电腐蚀，全部被白色粉末覆盖。事实上，此处的连接已经完全中断。因此，在前面停机灭磁过程中， 由于检测不到CUS 感应电流， 因此发出“CROWBAR FAILED跨接器失灵”报警，完全符合励磁系统逻辑图的控制逻辑。
Hall传感器的信号输出及电源输入是通过9芯Sub-D型电缆传送给FIO（快速输入/输出板）的-X4端子，如图1所示。FIO板的输入X4的技术数据如下：
X4电压输入：AI3
电压范围：0~5V
频率大约为：10 kHz
从图4可以看出，该输入信号AI3经过FIO板上的模拟差分放大器放大后，从FIO板上的端子-X31/32输入AVR主板COB内，电气连接参见图5和图6。
图5 CUS与FIO的电气连接
图6 COB与FIO的电气连接
3.5 故障分析
由于CUS的输出端开路，为干扰的输入提供了条件。在机组运行过程中，在励磁屏体关门的瞬间，门控开关（限位开关）的接点动作，切断屏体日光灯电源，日光灯镇流器线圈放电产生高次谐波电压信号，此干扰信号从CUS的开路点输入FIO（快速输入/输出板），达到CROWBAR漏电流动作设定值（参数925设定值120A），使得励磁逻辑报“转子过电压故障”而跳磁场断路器，同时发出报警信号。从电厂的故障录波设备记录的参数曲线看出，跳机前励磁电压没有大的波动，因此可以完全排除转子主回路故障而引起转子过电压发生的情况。最终确定为干扰引起“转子过电压故障”误动而跳机。
3.6 故障处理
对故障 CUS 做更换处理。故障元件更换后，对该套励磁系统全面地做了静态试验，包括风机试验和小电流试验等，然后起机。至今设备运行一直良好，故障再未出现，证明已经彻底解决了该问题。
4 结论
综上所述，CROWBAR 是励磁系统重要的灭磁和过电压保护设备，对于机组的安全运行非常重要。在大修和小修期间，应该对其定期全面地检查与试验，以确保CROWBAR 能够安全﹑稳定地工作。
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[作者简介]陈杰凤（1970-），1994 年毕业于哈尔滨理工大学工业电气自动化专业，毕业后一直从事同步发电机励磁系统的调试，新产品开发和设计工作，工程师。
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