某水电厂励磁系统跨接器故障分析

广西广投智能科技有限公司的研究人员姜巍，在2021年第10期《电气技术》上撰文，对一起机组起励时灭磁电阻严重烧坏并最终导致停机的事故进行分析，查找出灭磁电阻严重烧坏的原因。通过一系列试验，模拟机组起励停机过程，证明此次故障是由于机械跨接器在实际运行中存在缺陷造成的。最后，为防止此类事故再次发生，提出相关技术改造意见，以保证励磁系统安全稳定运行。

某水电厂励磁系统于2017年初完成升级改造，采用EXC9000系列励磁调节器，共配置一面调节器柜、三面整流柜和一面灭磁柜，非线性灭磁电阻的材料为碳化硅，机组采用自并励励磁方式。事故发生于4号机组C级检修完成后的起动试验期间，当时全厂总有功负荷为430MW。

1 灭磁开关及跨接器介绍

4号机的励磁系统灭磁回路跨接器原理如图1所示，其中QFG为灭磁开关，Rotor为发电机转子，GB为碳化硅灭磁电阻，MC60为机械跨接器，V71为电子跨接器，AP62为电子跨接器控制模块，BA61为电流互感器。BA61用于检测流经灭磁电阻的电流，当通过2A及以上电流时，监控上位机报励磁过电压保护信号。灭磁电阻和跨接器并联在发电机转子两端，然后串接灭磁开关。

在设计时，跨接器部分没有采用典型的电子跨接器，而是为了可靠起见，使用电子跨接器和机械跨接器的组合。当发电机转子受到反向过电压作用时，例如正常跳灭磁开关时，机械跨接器MC60动作，灭磁电阻GB与转子构成回路，吸收转子过剩能量，以对转子起到保护作用；当发电机转子受到正向过电压作用时，晶闸管V71-VT1导通。跨接器的作用，就是将多余能量转移到灭磁电阻吸收，以保护转子。

图1 4号机励磁系统灭磁回路跨接器原理

灭磁开关跳闸的具体情况有：①收到跳闸令；②流过灭磁开关电流超过整定值。

当正常停机或者因保护动作导致机组停机时，灭磁回路的工作情况是：灭磁开关QFG收到跳闸令后跳开，发电机转子Rotor产生反向过电压，机械跨接器MC60合闸，或者电子跨接器控制模块控制晶闸管V71-VT2和V71-VT3导通，灭磁电阻GB导通，将转子上剩余的能量转移至灭磁电阻吸收。

当灭磁开关收到合闸令时，灭磁开关合闸，机械跨接器跳闸，电子跨接器控制模块控制晶闸管V71-VT2和V71-VT3停止导通，灭磁电阻电路回路断开，发电子转子正常投入。

当正在运行的发电机转子由于外部故障等影响受到正向过电压作用时，晶闸管V71-VT1导通，多余能量同样转移到灭磁电阻回路吸收，正向过电压消失，晶闸管V71-VT1闭合，灭磁电阻回路断开，转子保持正常运行。

2 事故过程简述

11月24日，某水电厂4号机组进入检修后起动试验阶段。15:12，将4号机自动开机至空载；15:13，监控下空载令；15:14:57，监控系统上位机发出“4号机励磁过电压保护动作”信号；15:15:12，4号机上位机报“励磁功率柜故障”；15:15:19，出现“4号机励磁强励动作”的信号；15:15:21，灭磁开关分闸；15:15:25，机组停机。

事件发生时，在场试验人员听到4号励磁系统屏柜有异常声音，经查看发现励磁系统非线性电阻柜冒烟并伴有异味，灭磁开关分闸后机械跨接器仍然处于合闸位置，碳化硅灭磁电阻发热严重，有明显的灼烧痕迹。

11月24日晚维护班组更换灭磁电阻备件。11月25日上午，励磁系统厂家到达现场检查励磁装置，显示屏报过电压保护动作、强励动作、三面功率柜均出现了+C相断流动作信号；原4号机组励磁灭磁柜灭磁电阻好坏未知、机械跨接器处于合闸状态，同时发现连杆的一个螺钉脱掉，其他部分无异常。重新安装机械跨接器操作连杆的活动连接螺杆。

3 事故过程分析

初步分析事件原因是4号机组开机时，机械跨接器在灭磁开关闭合后未正确动作，由于机械跨接器连杆上的螺钉脱落，使串接在机械跨接器回路中、判断机械跨接器是否具备分闸条件的继电器辅助常开触点无法正常闭合，最终导致机械跨接器无法跳闸。

事件过程的初步分析如下：

1）在4号机组正常开机前，进行相关检查工作，灭磁开关处于断开位，机械跨接器处于闭合状态。

2）当事故发生后，虽然灭磁开关已经闭合，但是由于机械跨接器并没有跳开，导致灭磁电阻柜碳化硅回路通过2A及以上电流时，监控系统出现报励磁过电压保护信号的报文。

3）机组升至额定电压后，励磁系统整流桥输出电流流经发电机转子和灭磁电阻回路。正常运行时，机组额定励磁电流为1 744A，事故时，实际励磁电流大于强励起动值1918.4A，励磁过电压保护起动正常，但未达到2倍额定励磁电流的保护跳闸整定值，因此发电机未直接跳闸。

4）灭磁电阻因长期有电流通过，导致其被烧坏。在对励磁系统进行开环小电流试验后，励磁系统设备完好、功能正常，测量励磁系统交、直流侧绝缘结果合格，未发现调节器脉冲调节功能和功率整流单元等器件有异常情况。为彻底查清事故原因，又进行跨接器、灭磁开关的相关试验工作。

3.1 跨接器试验

在机械跨接器分闸时，进行电子跨接器试验，主要工作如下：

1）将与转子回路并联的灭磁电阻回路甩开，在跨接器与电流互感器BA61两端加220V直流电压，并在电流回路串联一个电阻，电阻上并联一个信号指示灯，指示灯亮则表示回路导通。选择正常起励时转子所带电压反方向为正方向。

（1）反向过电压保护。选择施加反向的220V直流电压，反向晶闸管有两路，甩开其中一路，断开灭磁开关后，脉冲触发板（AP62）给晶闸管一个触发脉冲，并联在电阻上的灯亮。合上灭磁开关，甩开测试过的一路接回另一路，断开灭磁开关后，脉冲触发板（AP62）给晶闸管一个触发脉冲，并联在电阻上的灯亮。结果显示，反向晶闸管均能正常工作。反向过电压试验接线如图2所示。

图2 反向过电压试验接线

（2）正向过电压保护。选择施加正向的220V直流电压，人为给晶闸管一个触发脉冲，并联在电阻上的灯亮。试验显示电子跨接器正常。正向过电压试验接线如图3所示。

图3 正向过电压试验接线

2）进行机械跨接器试验。

（1）甩开电子跨接器，选择施加反向的220V直流电压，断开灭磁开关，机械跨接器联动合上后指示灯正常点亮，同时，合上灭磁开关的灯正常熄灭，说明机械跨接器分合逻辑完好。

（2）将之前掉落过的螺钉重新拧下来，模拟机械跨接器连杆螺钉脱落。灭磁开关跳开后指示灯正常点亮，灭磁开关闭合后指示灯也是正常点亮。测试证明，机械跨接器能合上，但合上灭磁开关，机械跨接器无法分断，回路一直导通，符合事故状态。机械跨接器试验接线如图4所示。

图4 机械跨接器试验接线

3.2 空载跳灭磁开关试验

做空载跳灭磁开关试验时，调节柜显示屏和灭磁柜显示屏分别报了过电压保护动作，满足设计要求。分别测得跳灭磁开关前温度为22.8℃和跳灭磁开关后温度为32.0℃，灭磁开关跳开后灭磁电阻可以正常投入工作。

3.3 灭磁开关主触头检查

观察灭弧罩和主触头的灼烧痕迹，测量主触头阻值为48mΩ，证明灭磁开关符合相关要求。

4 结论

本次事故的原因是械跨接器连杆上的螺钉脱落，使机械跨接器无法分断，导致灭磁电阻严重烧坏。处理意见如下：

1）更改跨接器连杆螺钉设置。在正式取消机械跨接器之前，将现有机械跨接器连杆上的螺钉由两组设置为三组，这样即使有一组螺钉脱落连杆上还有两组螺钉，机械跨接器仍能安全可靠动作。

2）组织论证取消机械跨接器的可行性。通过此次事故发现，电子跨接器反向已采用两路独立的回路，其可靠性已经过多年的验证，而机械跨接器的使用还存在一些隐患，建议在必要时，组织专家论证取消机械跨接器的可行性。

3）做好检修维护工作。在日常开机和停机检查时，增加机械跨接器检查的条款。在检修时，补充进行跨接器试验和机械部分的检查工作。

4）思考使用撬棒技术的可行性。方式是采用并联于转子绕组上的可控制投切限流电阻。当检测到转子过电流时，迅速封锁网侧变流器脉冲，并投入撬棒，以消耗过剩能量。

本文编自2021年第10期《电气技术》，论文标题为“某水电厂励磁系统跨接器故障分析”，作者为姜巍。