一起发电机过电压保护动作的分析与探讨
赵贵文
（南方电网调峰调频发电公司鲁布革水力发电厂 云南 罗平 655800）
(CSG Power Generation Company Lubuge Hydropower Station, Luoping, 655800 Yunnan,China)
摘要：某水电厂3号发电机零起升压试验，发电机定子过电压保护动作，通过对励磁系统、保护装置、二次设备及回路检查，确定因励磁系统手动调节模件中Y97放大器损坏，导致励磁电流闭环调节失效，导致定子电压失控直至定子过电压保护动作。
关键词：过电压保护；励磁；调节器
0 引言
某水电厂一次3号发电机小修后，进行零起升压试验，试验过程中，当手动投入励磁时，发电机定子过电压保护动作，机组停机。发电机定子过电压将严重危害发电机定子绝缘，引起绝缘老化，通过对励磁系统、保护装置、二次设备及回路进行检查，确定定子过电压由于励磁系统故障引起，检查发现励磁系统手动调节模件上Y97放大器损坏，导致励磁电流闭环调节失效，导致定子电压失控直至定子过电压保护动作。该厂3号发电机保护装置为西门子7UM622型微机保护，发电机励磁系统采用自并激可控硅励磁方式，外接直流电源起励，励磁调节器为西门子THYRIPOL单通道模拟式调节器。
1 设备概况
1.1发电机过电压保护功能概况
该厂发电机保护为西门子7UM622型微机保护，过电压保护功能用于防止过电压造成定子绕组绝缘老化甚至绕组绝缘击穿事故。保护的整定值设为二级（1.2Un/2s，1.3Un/0.1s），装置测量电压取自于发电机机端电压互感器二次侧，当测量电压大于整定值且达到整定时间，过电压保护动作跳闸停机，以保证发电机定子绕组绝缘的安全。
1.2励磁系统手自动调节概述
该厂励磁系统由励磁电源、整流器及励磁辅助回路、励磁给定、励磁反馈、综合调节器、控制和保护等部分组成。励磁调节器有两套触发装置，一套用于自动电压调节器（AVR），另一套用于手动励磁电流调节单元(FCR)。系统基本参数如下：额定励磁电流1475A，额定励磁电压275 V，空载励磁电流805A，最大空载励磁电流886A。励磁系统原理框图如图
1：
图1中左边部分为AVR控制，右边为FCR控制，励磁系统正常运行采用自动励磁调节方式。自动控制方式下，除基本调节装置外，还有五个限制器（发电机电流限制器、最大励磁电流限制、低励磁限制器、过励磁限制器、电压/频率限制器）及电力系统稳定器(PSS)等辅助装置作用于自动电压调节器，多种综合控制信号保证了自动调节运行时发电机运行在极限工况内，此时，手动控制输出跟随自动调节通道，以保证手自动无扰动切换。
当自动调节故障时，自动切换至手动励磁电流调节，手动励磁电流调节原理如图
2：
手动调节系统主要由手动励磁电流给定模件-Y02、最大最小励磁电流限制模件-U04、检流电阻-R102、转子电流变送器-U1.01、手动控制模件-N03、手动触发模件-N06、同步模件、可控硅等组成，手动励磁电流调节控制过程如下：开机至转速大于90%额定转速，在励磁系统无闭锁信号、无故障报警时，手动合励磁开关，开关合上后联动一起励继电器，接通起励回路，将220V直流起励电源加到发电机转子上起励，当发电机电压大于25%UN或起励1秒后，切除起励电源，发电机自励升压。励磁电流实际值（由-U1.01测定）和手动给定基准值（由-Y02设定，设定范围有上下限，触上限时不能再增，触下限时不能再减）在手动控制模件-N03中比较，其偏差经运算放大器Y97放大处理产生控制电压UC，UC经移相触发模件处理获得可控硅（SCR）触发角a，当实际值与基准值相差较大时，控制电压上升，触发角减小而使励磁电流、励磁电压加大，发电机机端电压将上升。反之，控制电压上升，机端电压将下降。
2故障分析
针对试验中发生的投入励磁遂引起发电机定子过电压保护动作停机问题，对系统做如下检查分析：
2.1保护装置回路检查及功能试验
过电压保护测量电压取自机端电压互感器二次侧，检查发电机机端电压互感器一次、二次回路均正常，发电机过电压保护功能检验数据如表1：
表 1 定子过电压保护功能检验数据 试验
项目 保护 定值 动作值 返回值
115.26V
124.52V
/
/ 返回 系数 0.960 0.958 / / 120.02V U> 120V 130.05V U>> 130V T U> 2.0s 2.03s T U>> 0.1s 0.12s
结论：发电机保护装置定子过电压保护回路及功能正常。
2.2手动励磁电流给定回路功能检查
若增指令回路接点粘死导致增加命令一直存在，励磁电流将一直上升而引起发电机定子过电压。在静态方式下，手动增减励磁给定，观察励磁给定模件上的给定显示值，显示值变化正常，励磁给定加减功能正常，该回路动作正确可靠，功能正常。
2.3实际励磁电流反馈回路功能检查
转子电流实际值在检流电阻-R102上产生压降，通过变送器-U1.01测量（2500A/-10V），如其不能正常反应转子实际电流，将导致-N03判断偏差过大，将引起错误的调节指令，可能引起过电压。对变送器实际加压检查，其线性度变化良好，变送器运行正常，反馈回路功能正常。
2.4励磁电流控制器-N03功能测试
静态方式下检测-N03输出电压，S2测点电位为+10.0V；励磁电流控制器-N03用于产生控制电压UC。
模拟发电机并网，手动增加励磁电流给定，输入相应的励磁电流值（UIF）,测量控制电压UC变化情况，UC变化范围在-10V至-7V之间。控制电压与励磁电流对应关系见图3：
从图3可看出，空载励磁电流（805A）对应控制电压UC为-3.75V，最大空载励磁电流（886A）对应控制电压UC为-4.12V 。-10V至-7V之间的控制电压，系统处于强励输出状态，强励输出导致发电机励磁电流过大而引起发电机定子过电压。
可以判定：励磁电流控制器-N03工作不正常。
2.5手动触发模件-N06功能测试
静态方式下，模拟输入控制电压UC，检测可控硅触发角，当控制电压UC=0V时，触发角a0=90度；控制电压UC=10V时，触发角aW=135度（逆变状态），当输入控制电压UC=-10V时，触发角aG=7度（强励状态），触发装置控制特性范围见图4：
结论：手动触发模件-N06功能正常。
2.6励磁系统可控硅功能检查
检测可控硅阳极A与阴极K之间的正、反向电阻，均为无穷大；测量门极G与阴极K之间的正、反向电阻值，正向电阻值较小，反向电阻值较大，测量阳极A与门极G之间的正、反向电阻，阻值均为几百千欧姆。可控硅完好无损，触发性能良好。
3故障处理
针对励磁电流控制器-N03工作不正常情况，更换备用板件测试，因备用板件与原运行板件不是同批次产品，存在性能差异，对照前述方法测试，控制电压UC变化范围也不正常。分析-N03工作原理，因其输出控制电压UC超出对应空载励磁控制电压范围（UC正常在-3.75V至-4.12V之间），初步判断板件上运算放大器Y97工作不正常，更换Y97后，模拟机组并网测试，调整板件上分压器H2档位，测量UC变化范围在-10V至0V之间，模拟灭磁，UC电压为+6V，从图3、图4可看出，电流控制器-N03的输出已能正常完成调节功能，静态方式下，手动调节系统运行已正常。
全面检查发电机定子、转子系统绝缘良好，励磁系统其他控制板件无异常，开机起励，检查手动、自动方式下，励磁系统均能正常调节，确认励磁系统已经恢复正常，确认故障已经排除。
4 防范探讨
鉴于该厂励磁系统配置状况，只有一自动一手动调节通道，调节系统无自检功能，不能反应备用调节系统内部元件故障，应采取以下措施，检查系统的运行状况，确保调节系统在可控在控状态下运行。
1、 认真仔细做好设备的检修维护工作，因电厂励磁系统投运时间长，存在的元件老化等安全隐患，应定期（每月一次）检查励磁手/自动切换功能，发现问题及时处理，确保两套调节回路都正常运行，确保自动电压调节方式故障时能自动切换到手动励磁电流调节方式运行。
2、 发电机手动励磁电流方式运行时，因各限制器不起作用，缺乏保护功能，而发电机定子过电压会引起定子局部过热、甚至局部烧伤，使铁芯绝缘受损，危及机组和人身的安全。应临时降低发电机过电压保护的定值，且不带时限（修改为：1.1Un/0s）。自动运行方式时及时恢复正常定值。
3、 若发电机励磁系统自动调节通道故障，机组被迫手动励磁方式运行时，值班人员应严密监视转子电流、定子电压等情况，并根据负荷变化情况，及时调整励磁电流，应尽量减少手动励磁运行时间。
参考文献：
[1] 刘忠源．同步电机可控硅励磁系统[M]．北京：水利电力出版社，1992．
[2] 竺士章．发电机励磁系统试验[M]．北京：中国电力出版社，2005．
[3] 西门子公司，机电设备运行维护手册，1987．
[4] DL/T491-2008，大中型水轮发电机自并励励磁系统及装置运行和检修规程[S]．
[5] DL/T489-2006，大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置试验规程[S]．
收稿日期：2010-8-3
作者简介：赵贵文（1971—），男，工程师，从事水电厂电气二次设备检修试验工作。（E-mail：）
联系手机：[1**********]
一起发电机过电压保护动作的分析与探讨
赵贵文
（南方电网调峰调频发电公司鲁布革水力发电厂 云南 罗平 655800）
(CSG Power Generation Company Lubuge Hydropower Station, Luoping, 655800 Yunnan,China)
摘要：某水电厂3号发电机零起升压试验，发电机定子过电压保护动作，通过对励磁系统、保护装置、二次设备及回路检查，确定因励磁系统手动调节模件中Y97放大器损坏，导致励磁电流闭环调节失效，导致定子电压失控直至定子过电压保护动作。
关键词：过电压保护；励磁；调节器
0 引言
某水电厂一次3号发电机小修后，进行零起升压试验，试验过程中，当手动投入励磁时，发电机定子过电压保护动作，机组停机。发电机定子过电压将严重危害发电机定子绝缘，引起绝缘老化，通过对励磁系统、保护装置、二次设备及回路进行检查，确定定子过电压由于励磁系统故障引起，检查发现励磁系统手动调节模件上Y97放大器损坏，导致励磁电流闭环调节失效，导致定子电压失控直至定子过电压保护动作。该厂3号发电机保护装置为西门子7UM622型微机保护，发电机励磁系统采用自并激可控硅励磁方式，外接直流电源起励，励磁调节器为西门子THYRIPOL单通道模拟式调节器。
1 设备概况
1.1发电机过电压保护功能概况
该厂发电机保护为西门子7UM622型微机保护，过电压保护功能用于防止过电压造成定子绕组绝缘老化甚至绕组绝缘击穿事故。保护的整定值设为二级（1.2Un/2s，1.3Un/0.1s），装置测量电压取自于发电机机端电压互感器二次侧，当测量电压大于整定值且达到整定时间，过电压保护动作跳闸停机，以保证发电机定子绕组绝缘的安全。
1.2励磁系统手自动调节概述
该厂励磁系统由励磁电源、整流器及励磁辅助回路、励磁给定、励磁反馈、综合调节器、控制和保护等部分组成。励磁调节器有两套触发装置，一套用于自动电压调节器（AVR），另一套用于手动励磁电流调节单元(FCR)。系统基本参数如下：额定励磁电流1475A，额定励磁电压275 V，空载励磁电流805A，最大空载励磁电流886A。励磁系统原理框图如图
1：
图1中左边部分为AVR控制，右边为FCR控制，励磁系统正常运行采用自动励磁调节方式。自动控制方式下，除基本调节装置外，还有五个限制器（发电机电流限制器、最大励磁电流限制、低励磁限制器、过励磁限制器、电压/频率限制器）及电力系统稳定器(PSS)等辅助装置作用于自动电压调节器，多种综合控制信号保证了自动调节运行时发电机运行在极限工况内，此时，手动控制输出跟随自动调节通道，以保证手自动无扰动切换。
当自动调节故障时，自动切换至手动励磁电流调节，手动励磁电流调节原理如图
2：
手动调节系统主要由手动励磁电流给定模件-Y02、最大最小励磁电流限制模件-U04、检流电阻-R102、转子电流变送器-U1.01、手动控制模件-N03、手动触发模件-N06、同步模件、可控硅等组成，手动励磁电流调节控制过程如下：开机至转速大于90%额定转速，在励磁系统无闭锁信号、无故障报警时，手动合励磁开关，开关合上后联动一起励继电器，接通起励回路，将220V直流起励电源加到发电机转子上起励，当发电机电压大于25%UN或起励1秒后，切除起励电源，发电机自励升压。励磁电流实际值（由-U1.01测定）和手动给定基准值（由-Y02设定，设定范围有上下限，触上限时不能再增，触下限时不能再减）在手动控制模件-N03中比较，其偏差经运算放大器Y97放大处理产生控制电压UC，UC经移相触发模件处理获得可控硅（SCR）触发角a，当实际值与基准值相差较大时，控制电压上升，触发角减小而使励磁电流、励磁电压加大，发电机机端电压将上升。反之，控制电压上升，机端电压将下降。
2故障分析
针对试验中发生的投入励磁遂引起发电机定子过电压保护动作停机问题，对系统做如下检查分析：
2.1保护装置回路检查及功能试验
过电压保护测量电压取自机端电压互感器二次侧，检查发电机机端电压互感器一次、二次回路均正常，发电机过电压保护功能检验数据如表1：
表 1 定子过电压保护功能检验数据 试验
项目 保护 定值 动作值 返回值
115.26V
124.52V
/
/ 返回 系数 0.960 0.958 / / 120.02V U> 120V 130.05V U>> 130V T U> 2.0s 2.03s T U>> 0.1s 0.12s
结论：发电机保护装置定子过电压保护回路及功能正常。
2.2手动励磁电流给定回路功能检查
若增指令回路接点粘死导致增加命令一直存在，励磁电流将一直上升而引起发电机定子过电压。在静态方式下，手动增减励磁给定，观察励磁给定模件上的给定显示值，显示值变化正常，励磁给定加减功能正常，该回路动作正确可靠，功能正常。
2.3实际励磁电流反馈回路功能检查
转子电流实际值在检流电阻-R102上产生压降，通过变送器-U1.01测量（2500A/-10V），如其不能正常反应转子实际电流，将导致-N03判断偏差过大，将引起错误的调节指令，可能引起过电压。对变送器实际加压检查，其线性度变化良好，变送器运行正常，反馈回路功能正常。
2.4励磁电流控制器-N03功能测试
静态方式下检测-N03输出电压，S2测点电位为+10.0V；励磁电流控制器-N03用于产生控制电压UC。
模拟发电机并网，手动增加励磁电流给定，输入相应的励磁电流值（UIF）,测量控制电压UC变化情况，UC变化范围在-10V至-7V之间。控制电压与励磁电流对应关系见图3：
从图3可看出，空载励磁电流（805A）对应控制电压UC为-3.75V，最大空载励磁电流（886A）对应控制电压UC为-4.12V 。-10V至-7V之间的控制电压，系统处于强励输出状态，强励输出导致发电机励磁电流过大而引起发电机定子过电压。
可以判定：励磁电流控制器-N03工作不正常。
2.5手动触发模件-N06功能测试
静态方式下，模拟输入控制电压UC，检测可控硅触发角，当控制电压UC=0V时，触发角a0=90度；控制电压UC=10V时，触发角aW=135度（逆变状态），当输入控制电压UC=-10V时，触发角aG=7度（强励状态），触发装置控制特性范围见图4：
结论：手动触发模件-N06功能正常。
2.6励磁系统可控硅功能检查
检测可控硅阳极A与阴极K之间的正、反向电阻，均为无穷大；测量门极G与阴极K之间的正、反向电阻值，正向电阻值较小，反向电阻值较大，测量阳极A与门极G之间的正、反向电阻，阻值均为几百千欧姆。可控硅完好无损，触发性能良好。
3故障处理
针对励磁电流控制器-N03工作不正常情况，更换备用板件测试，因备用板件与原运行板件不是同批次产品，存在性能差异，对照前述方法测试，控制电压UC变化范围也不正常。分析-N03工作原理，因其输出控制电压UC超出对应空载励磁控制电压范围（UC正常在-3.75V至-4.12V之间），初步判断板件上运算放大器Y97工作不正常，更换Y97后，模拟机组并网测试，调整板件上分压器H2档位，测量UC变化范围在-10V至0V之间，模拟灭磁，UC电压为+6V，从图3、图4可看出，电流控制器-N03的输出已能正常完成调节功能，静态方式下，手动调节系统运行已正常。
全面检查发电机定子、转子系统绝缘良好，励磁系统其他控制板件无异常，开机起励，检查手动、自动方式下，励磁系统均能正常调节，确认励磁系统已经恢复正常，确认故障已经排除。
4 防范探讨
鉴于该厂励磁系统配置状况，只有一自动一手动调节通道，调节系统无自检功能，不能反应备用调节系统内部元件故障，应采取以下措施，检查系统的运行状况，确保调节系统在可控在控状态下运行。
1、 认真仔细做好设备的检修维护工作，因电厂励磁系统投运时间长，存在的元件老化等安全隐患，应定期（每月一次）检查励磁手/自动切换功能，发现问题及时处理，确保两套调节回路都正常运行，确保自动电压调节方式故障时能自动切换到手动励磁电流调节方式运行。
2、 发电机手动励磁电流方式运行时，因各限制器不起作用，缺乏保护功能，而发电机定子过电压会引起定子局部过热、甚至局部烧伤，使铁芯绝缘受损，危及机组和人身的安全。应临时降低发电机过电压保护的定值，且不带时限（修改为：1.1Un/0s）。自动运行方式时及时恢复正常定值。
3、 若发电机励磁系统自动调节通道故障，机组被迫手动励磁方式运行时，值班人员应严密监视转子电流、定子电压等情况，并根据负荷变化情况，及时调整励磁电流，应尽量减少手动励磁运行时间。
参考文献：
[1] 刘忠源．同步电机可控硅励磁系统[M]．北京：水利电力出版社，1992．
[2] 竺士章．发电机励磁系统试验[M]．北京：中国电力出版社，2005．
[3] 西门子公司，机电设备运行维护手册，1987．
[4] DL/T491-2008，大中型水轮发电机自并励励磁系统及装置运行和检修规程[S]．
[5] DL/T489-2006，大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置试验规程[S]．
收稿日期：2010-8-3
作者简介：赵贵文（1971—），男，工程师，从事水电厂电气二次设备检修试验工作。（E-mail：）
联系手机：[1**********]