电站励磁系统典型故障模式识别与预防策略研究

前言： 现代励磁装置大多采用自并励静止可控硅整流技术进行控制，由励磁变压器，功率整流柜以及数字调节器等多个部分组成，具备实时响应和动态控制等多项功能。励磁装置的动态性能好坏将直接影响机组并网稳定性和暂态响应状况，特别当电网遭遇扰动之时，励磁系统反应速度和控制精准度会直接影响到发电机组运行的稳定性，所以探讨电站励磁系统典型故障模式识别与预防策略很有必要。

1.电站励磁系统

转子磁场在同步发电机机电能量转换中发挥着重要作用[1]。整个励磁系统由四个子系统共同构成，各子系统相互配合才能完成整个系统的功能，首先是电源供给单元，它把交流电源转变成适合转子绕组的直流电源，其次调节控制单元，采用微处理器技术，执行闭环控制，保证系统动态响应有效且及时，第三是磁场形成单元，由转子绕组及其支撑结构组成，产生电机运转所需的磁场，最后是安全保护单元，在系统出现故障或者紧急停机时，迅速消耗磁场能量，保障设备安全。在直流电流的影响之下，转子绕组便会产生一个定向磁场。当转子转动起来时，这个磁场就会同定子绕组之间产生相对运动，依照电磁感应的基本原理，定子侧就会出现感应电动势，如果想要精确地控制发电机所发出的电压，就要准确地控制励磁电流的强弱程度。

2. 电站励磁系统典型故障模式的识别研究

2.1 失磁故障

同步发电机的磁场异常故障主要表现为励磁电流供给中断的情况，当发生故障时，转子绕组的直流电压基本上都会立即出现阶跃式的下降，在0.5 秒以内就会下降到额定值的 30% 以下，导致发电机失去同步转矩。此时定子侧就会出现周期性的功率振荡，这些振荡的幅度过大时，甚至能够达到正常值的 150%～200%^0/2] 。从根源上探究，电源回路接触不良也是造成磁场异常的主要原因，拿功率单元交流侧开关辅助触点氧化来说，它会导致接触电阻明显变大，当这个数值超过 0.5Ω 时，就会引起励磁电流的断续供给。

2.2 熔断器爆裂

快速熔断器说励磁系统中的关键保护元件，它出现异常熔断会直接引发发电机组出现非计划停机，这种故障产生的时候，通常会有比较明显的声光效应，熔管内部压力也许会在一瞬间到达 2 到 3 兆帕，进而引发金属蒸汽电弧和壳体破裂现象，短路过程中或许会产生大约50 千安培的故障电流。有大量的研究显示造成保护性能下降的关键原因不是熔体材料自身，而是由于熔体材料的热老化，持续运行时熔体的晶格结构会因为温度的起伏而改变，动作特性曲线就会出现明显的偏移，当耐受电流数值降到额定参数的 80% 时，误动作的危险性就逐渐体现出来。

2.3 励磁机故障

旋转励磁机是整个系统当中励磁能量转换的关键设备，绝缘系统的故障所占比例达到励磁机故障总数的 65% 以上，处在湿热环境里的环氧云母绝缘材的介质损耗角正切数值每年都会增大，一旦超越 3% ，局部放电现象大概率出现，这就容易引发匝间短路或者对地击穿，给系统增添更大的危险性，电磁绕组的异常情形也是典型的故障种类，当线圈的绝缘存在薄弱之处时，交变磁场所产生的机械应力就会致使导线之间产生微米级别的相对位移。

3. 电站励磁系统典型故障的预防策略研究

3.1 智能监控与实时定位

现代励磁监测系统采取先进的分布式传感器网络，可以对32 项转子电流、励磁电压、功率器件温度等参数进行毫秒级实时采集，同时结合红外热成像技术和接触式测温实施全维度温度监测。系统中数据采集单元利用工业以太网把采集到的数据及时传递给中央处理器，随即建立起设备状态数据库，并与长短期记忆网络（LSTM）这种类型的神经网络模型联合使用，对时间序列数据加以分析，最终找出参数异常波动问题，在系统的故障分析方面，可建立故障分析平台，把设备运作数据、环境状况以及维修历史信息整合起来，形成一个完整的多维分析模型，自动产生包含故障原因，波及范围以及处置建议的评价报告，并以多种格式输出，例如PDF，XML等，按照 IEEE 标准给出的137 项处置规程的专家知识库，保证所有的决策建议都是规范而有效，随后根据故障处置的实际成果来调整系统运行方式。

3.2 接线与细节优化处理

水电站中的励磁装置是同步发电机中非常关键的控制单元，它稳定运行，势必会给电力系统的电压调整以及无功功率的经营产生直接关联。有人研究显示，大概有六成五的励磁系统故障来源于接线错误、接触电阻变大之类的基本技术问题，这些隐患在开始阶段不容易被察觉到，但是慢慢会显露出来，最后也许会引发严重的运行事故。所以从设计小节开始，改善系统的构造，对于保证水电机组长久稳定地运转有着极其关键的意义。在进行电气连接时，选取镀银铜质的连接件可以明显减小接触电阻，实验表明它的接触电阻值比一般材料要低 20% 以上。针对重要的连接点，可以用 力矩扳手 按照标准的扭矩加以拧紧，保障机械连接的可靠性。而且在选择电缆时，需结合它的载流量，把额定电流的1.5 倍当作截面积的参照。布线方面，采用分层布线策略是改良连接系统的一种办法，功率电缆与控制信号电缆应当维持物理隔离，二者之间的距离要达到 30mm 以上，为了有效地压制共模干扰，敏感信号线最好选用双绞屏蔽构造，屏蔽层的一端应当接地，从整流柜到转子绕组的直流母线最好用全封闭金属桥架，这样既能削减涡流损失，又能防范异物引发的短路。要想保证端子连接的品质，就得创建起一个端子紧固力矩数据库，包含 M4，M6，M8，M10，M12 等不同规格的建议紧固数值，定时用微欧计去监测连接电阻，当测出的阻值比最初值超出 20% 时，就务必立即重新处理。在电缆穿管的地方，需要对应添加耐磨套管，弯曲半径不低于电缆外径的 8 倍。在机柜内部的线束采取分段固定，每隔30 公分就设置一个尼龙扎带固定点，缩减线束的移动和磨损，任何设备的接地电阻都不能超过 0.5 欧姆。从硬件角度来讲，把功率柜做成 N+1 的并联形式，即便单个桥臂出现故障，也能自动均摊负载，随后配备两套完全独立的励磁变压器，利用智能切换装置完成10 毫秒级的无感切换，备用励磁机保持热，当主系统失磁后，在2 秒内重新建立磁场。

3.3 做好设备维护与质量管控

要想保证水轮发电机组安全又持续稳定地运转，制订起一套正规的励磁系统守护及修理制度，缩减设备故障出现的频率，从而延长机组的寿命。电气连接部件的维护需要按照《GB/T32506-2016》标准，每季度做一次绝缘电阻检测以及接触电阻测定。发电机组核心功能单元，比如励磁变压器，功率整流器之类的装置，每年应当开展绕组直流电阻检测，绝缘油色谱分析等预防性实验，还要创建起设备状况评定档案，从而迅速察觉可能出现的隐患。在机械部件维护方面，旋转部件磨损情况最为重要。

结语：水轮发电机组励磁系统的运行维护，需要通过智能化的监测系统、精细化的养护流程及标准化的经营操作来开展，日后研究需要放在人工智能在故障识别上的实际应用上，还要关注新式电力电子器件给系统结构带来的改变，从而为日后智能电站的创建提供强有力的科技支撑。

参考文献：

[1]黄宜勤.某电站水轮发电机组励磁系统故障的分析及处理[J].小水电,2015,(04):48-49.

[2]徐国强,马金华.赋石水库电站励磁系统故障分析与处理[J].小水电,2012,(05): :73+77 .