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广东省罗定市金银河水电枢纽工程管理区
摘要：保持励磁系统良好状态，对于水电站安全生产具有十分重要的作用，因此本文对励磁系统工作原理、常见故障及其应对措施进行了探讨。
关键词：故障；措施；励磁系统；水轮发电机
励磁系统（excitation system）是向水轮发电机转子绕组提供磁场电流的装置，其主要作用是维持发电机电压在给定水平上、合理分配无功以及提高电力系统运行稳定性[1]。可见，维护和调试好励磁系统对于保障水电生产的安全运行意义重大。但是我们也知道任何设备在运行中都可能出现故障，如何针对故障快速诊断和排除是维护人员重要职责和任务，励磁系统自然也不例外，因此本文对水轮发电机励磁系统常见故障与应对措施进行了探讨。
1 水轮发电机励磁系统工作原理
1.1 关于励磁方式
水轮发电机的励磁方式分他励和自励两大类。他励主要是以励磁机作为励磁电源的一种励磁方式，自励的励磁电源取自发电机自身。虽然他励方式不受发电机运行状态影响，励磁可靠性较高，但是结构较为复杂，多出现在旧式励磁系统中，目前基本上采用自励方式。在自励方式中，应用较多的是可控硅静态励磁方式，它没有旋转部分，维护相对简单。可控硅静态励磁方式又分为自并励和自复励两种形式，两者比较起来自并励方式从技术、维护、可靠性和造价等方面都更为成熟和适用，因而应用更广泛，故此本文将自并励方式作为讨论的基础。
1.2 自并励系统的原理与构成
如图1所示，自并励系统利用接在发电机端的励磁变压器励磁交流电源，通过晶闸管整流装置变换为直流励磁电源。再结合图2，水轮发电机励磁系统由励磁调节器、励磁整流装置、起励装置、灭磁装置、励磁变压器以及保护、测量等装置组成。其中励磁系统由励磁调节器与功率灭磁单元构成，励磁调节器根据所检测到的发电机电压、电流等信号，按照一定的控制准则自动调节功率灭磁单元的输出；而励磁控制系统则涵盖了励磁系统和同步发电机，通过励磁控制系统可以实现对发电机电压、电力系统无功分配的控制。可见，励磁系统由众多相互关联的环节所组成，任一环节出现故障都可能影响发电机的运行。
2 水轮发电机励磁系统常见故障与应对措施
2.1 起励失败
起励失败是指励磁系统下达投励指令后，发电机无法建立初始电压的故障现象[2]。由于水轮发电机励磁系统型号众多，参数设置和信号显示也有所差异，就以EXC9000励磁系统为例说明，在10s内机端电压仍低于发电机额定电压的10%，调节器显示屏会报“起励失败”信号。造成起励失败的原因非常多，比较常见的有[3-4]：（1）开机检查有疏漏，如功率柜交直流刀闸、起励开关、灭磁开关、PT高压侧刀闸、同步变压器保险座开关等没有合上。（2）起励回路有故障，如线路松动或元器件损坏。（3）调节器故障。（4）采用“残压起励”模式，而转子侧剩磁不够。（5）新手操作生疏，按压起励按钮时间太短，不足5s。
解决办法：（1）严格按照程序检查开机状态，复核所有环节，避免疏漏。（2）细心观察，如怀疑起励回路故障，通过观察起励接触器动作、吸合声响判断，无声响可能是回路故障；若是调节器故障，可观察调节器I/O板第9号开关输入指示灯是否常亮，灯不亮依次检查接线和上位机指令是否发出。（3）设备检修后，检查人机界面起励方式是否合适，通过调整起励方式或更换通道重新开机。（4）维护检修后的故障，不少是先前操作留下的，耐心回想一下曾动过什么就能发现一些苗头，如转子与励磁输出的电缆是否接反了。
2.2 励磁不稳定
发电机运行过程中，励磁波动过大，例如励磁系统运行数据增大，但有时又正常，无规律可循，并且仍可以进行加减磁的调节。可能原因是：（1）移相脉冲控制电压输出不正常。（2）环境温度变化以及元器件受到振动、氧化等影响出现故障。针对第1种原因，应先检查励磁电源是否正常，应分别检查给定值和经适配单元处理后的测量值（发电机电压或励磁电流）是否正常。对第2种原因，利用示波器观察整流波形是否完整，再用万用表检查可控硅性能是否正常，线路焊接状态和元器件特性发生变化就会出现此类故障，平时应加强维护和调试并及时更换有问题的元器件，可降低此类故障发生几率。
2.3 灭磁不正常
水轮发电机组与电网解列后，灭磁装置要将励磁装置中的剩磁尽快衰减。灭磁方法有逆变灭磁、电阻灭磁等。逆变灭磁失败的原因有回路原因、可控硅控制极故障、交流电源异常、逆变换相超前触发角 角过小等。而EXC9000励磁系统有时会出现灭磁开关多次合闸不成功的故障，其主要原因是直流磁场断路器开关卡涩引起的。由于EXC9000采用了ABB公司的直流磁场断路器，该断路器分闸回路与合闸回路通过机械连杆闭锁，在分闸不到位的情况下，无法通过操作按钮正常合闸。而合闸拒动的原因多半是机构内积灰和弹簧拉力减小，因此解决办法是加强日常维护，定期清理设备内的灰尘，再对灭磁断口、灭弧栅等部位涂抹导电膏，以防止机构卡涩。
2.4 励磁变压器相序不正确
励磁系统对可控硅同步信号的要求非常严格，励磁变压器相序、相位都不能弄错。某水轮发电机调试过程中，成功起励、建压后，继续增磁时发电机过压，灭磁开关跳开，经检查确认是励磁变压器接线有误。原来该励磁变压器采用Y/△11接法，输入端三相电缆接线相序为C、B、A，安装人员误以为输出端的相序也必然为C、B、A，忽略了该励磁变压器采用Y/△11接法的要求。按照要求调整输出端的接法，励磁系统也就恢复正常了。另一个例子是调试励磁系统时，由于A、C相反接，虽然励磁装置升压、并网都正常，但不能实现软起励，发电机升压太快，而在调整接法后故障消失，这是因为相序错误导致可控硅触发脉冲与其阳极电压不同步所致。采用示波器、相序表和万用表可查出此类错误。采用万用表的方法是检测母线与励磁变压器输入端电压差，同相电压差应为零。
2.5 其他常见故障
一般微机励磁装置，出现故障时调节柜显示屏上会有故障警示，仍以EXC9000为例，冷却风机故障显示“1#（或2#）功率柜风机电源故障”，电压互感器PT断线会显示“1（或2）PT故障”，REC站通信故障显示“REC1（REC）2站通信故障”等，按照信号提示检查一般都可以发现故障根源，进而消除故障。风机故障的原因包括风压限位开关损坏、交流进线电源消失、过流保护的固态继电器损坏、风机接线松动或损坏等，其中以风压限位开关损坏原因居多，不论哪种原因适当准备一定数量的备件都是必要的。PT断线故障原因可能是PT回路二次接线松动、PT高压侧保险丝熔断及模拟量总线板、调节器DSP板故障等，一般以外部接线松动原因居多，所以应先排查外部原因，再考虑内部器件问题。REC站通信故障主要原因有通信故障、智能板保险松动或损坏、智能板损坏等，如果是通信故障只需复位智能板并重启程序就能消除故障，而智能板损坏应更换同型号备板。
3 结语
要保持水电站励磁系统状态良好，除了加强维护管理，定期进行除尘、检测和试验以外，还应重视常见故障的分析和总结。就像应急预案一样，将常见故障处理流程、方法梳理清楚，可以大大降低故障处理时间，为保证水电站安全生产、提高发电效率打下坚实基础。
参考文献：
[1]梁维燕，邴凤山，饶芳权，等.中国电气工程大典.第5卷，水力发电工程[M].北京：中国电力出版社，2009.
[2]梅占甲.水利发电机组励磁系统常见故障及处理方式浅析[J].四川水力，2014，35（3）：14-15，25.
[3]许斌，郭大安，安蔚华.自并励励磁系统常见故障分析与处理[J].电工电气，2013（9）：57-59.
[4]林旭升，刘智锋.水轮发电机组无法自动起励故障分析及其处理[J].广西水利水电，2011（2）：55-57.
摘要：保持励磁系统良好状态，对于水电站安全生产具有十分重要的作用，因此本文对励磁系统工作原理、常见故障及其应对措施进行了探讨。
关键词：故障；措施；励磁系统；水轮发电机
励磁系统（excitation system）是向水轮发电机转子绕组提供磁场电流的装置，其主要作用是维持发电机电压在给定水平上、合理分配无功以及提高电力系统运行稳定性[1]。可见，维护和调试好励磁系统对于保障水电生产的安全运行意义重大。但是我们也知道任何设备在运行中都可能出现故障，如何针对故障快速诊断和排除是维护人员重要职责和任务，励磁系统自然也不例外，因此本文对水轮发电机励磁系统常见故障与应对措施进行了探讨。
1 水轮发电机励磁系统工作原理
1.1 关于励磁方式
水轮发电机的励磁方式分他励和自励两大类。他励主要是以励磁机作为励磁电源的一种励磁方式，自励的励磁电源取自发电机自身。虽然他励方式不受发电机运行状态影响，励磁可靠性较高，但是结构较为复杂，多出现在旧式励磁系统中，目前基本上采用自励方式。在自励方式中，应用较多的是可控硅静态励磁方式，它没有旋转部分，维护相对简单。可控硅静态励磁方式又分为自并励和自复励两种形式，两者比较起来自并励方式从技术、维护、可靠性和造价等方面都更为成熟和适用，因而应用更广泛，故此本文将自并励方式作为讨论的基础。
1.2 自并励系统的原理与构成
如图1所示，自并励系统利用接在发电机端的励磁变压器励磁交流电源，通过晶闸管整流装置变换为直流励磁电源。再结合图2，水轮发电机励磁系统由励磁调节器、励磁整流装置、起励装置、灭磁装置、励磁变压器以及保护、测量等装置组成。其中励磁系统由励磁调节器与功率灭磁单元构成，励磁调节器根据所检测到的发电机电压、电流等信号，按照一定的控制准则自动调节功率灭磁单元的输出；而励磁控制系统则涵盖了励磁系统和同步发电机，通过励磁控制系统可以实现对发电机电压、电力系统无功分配的控制。可见，励磁系统由众多相互关联的环节所组成，任一环节出现故障都可能影响发电机的运行。
2 水轮发电机励磁系统常见故障与应对措施
2.1 起励失败
起励失败是指励磁系统下达投励指令后，发电机无法建立初始电压的故障现象[2]。由于水轮发电机励磁系统型号众多，参数设置和信号显示也有所差异，就以EXC9000励磁系统为例说明，在10s内机端电压仍低于发电机额定电压的10%，调节器显示屏会报“起励失败”信号。造成起励失败的原因非常多，比较常见的有[3-4]：（1）开机检查有疏漏，如功率柜交直流刀闸、起励开关、灭磁开关、PT高压侧刀闸、同步变压器保险座开关等没有合上。（2）起励回路有故障，如线路松动或元器件损坏。（3）调节器故障。（4）采用“残压起励”模式，而转子侧剩磁不够。（5）新手操作生疏，按压起励按钮时间太短，不足5s。
解决办法：（1）严格按照程序检查开机状态，复核所有环节，避免疏漏。（2）细心观察，如怀疑起励回路故障，通过观察起励接触器动作、吸合声响判断，无声响可能是回路故障；若是调节器故障，可观察调节器I/O板第9号开关输入指示灯是否常亮，灯不亮依次检查接线和上位机指令是否发出。（3）设备检修后，检查人机界面起励方式是否合适，通过调整起励方式或更换通道重新开机。（4）维护检修后的故障，不少是先前操作留下的，耐心回想一下曾动过什么就能发现一些苗头，如转子与励磁输出的电缆是否接反了。
2.2 励磁不稳定
发电机运行过程中，励磁波动过大，例如励磁系统运行数据增大，但有时又正常，无规律可循，并且仍可以进行加减磁的调节。可能原因是：（1）移相脉冲控制电压输出不正常。（2）环境温度变化以及元器件受到振动、氧化等影响出现故障。针对第1种原因，应先检查励磁电源是否正常，应分别检查给定值和经适配单元处理后的测量值（发电机电压或励磁电流）是否正常。对第2种原因，利用示波器观察整流波形是否完整，再用万用表检查可控硅性能是否正常，线路焊接状态和元器件特性发生变化就会出现此类故障，平时应加强维护和调试并及时更换有问题的元器件，可降低此类故障发生几率。
2.3 灭磁不正常
水轮发电机组与电网解列后，灭磁装置要将励磁装置中的剩磁尽快衰减。灭磁方法有逆变灭磁、电阻灭磁等。逆变灭磁失败的原因有回路原因、可控硅控制极故障、交流电源异常、逆变换相超前触发角 角过小等。而EXC9000励磁系统有时会出现灭磁开关多次合闸不成功的故障，其主要原因是直流磁场断路器开关卡涩引起的。由于EXC9000采用了ABB公司的直流磁场断路器，该断路器分闸回路与合闸回路通过机械连杆闭锁，在分闸不到位的情况下，无法通过操作按钮正常合闸。而合闸拒动的原因多半是机构内积灰和弹簧拉力减小，因此解决办法是加强日常维护，定期清理设备内的灰尘，再对灭磁断口、灭弧栅等部位涂抹导电膏，以防止机构卡涩。
2.4 励磁变压器相序不正确
励磁系统对可控硅同步信号的要求非常严格，励磁变压器相序、相位都不能弄错。某水轮发电机调试过程中，成功起励、建压后，继续增磁时发电机过压，灭磁开关跳开，经检查确认是励磁变压器接线有误。原来该励磁变压器采用Y/△11接法，输入端三相电缆接线相序为C、B、A，安装人员误以为输出端的相序也必然为C、B、A，忽略了该励磁变压器采用Y/△11接法的要求。按照要求调整输出端的接法，励磁系统也就恢复正常了。另一个例子是调试励磁系统时，由于A、C相反接，虽然励磁装置升压、并网都正常，但不能实现软起励，发电机升压太快，而在调整接法后故障消失，这是因为相序错误导致可控硅触发脉冲与其阳极电压不同步所致。采用示波器、相序表和万用表可查出此类错误。采用万用表的方法是检测母线与励磁变压器输入端电压差，同相电压差应为零。
2.5 其他常见故障
一般微机励磁装置，出现故障时调节柜显示屏上会有故障警示，仍以EXC9000为例，冷却风机故障显示“1#（或2#）功率柜风机电源故障”，电压互感器PT断线会显示“1（或2）PT故障”，REC站通信故障显示“REC1（REC）2站通信故障”等，按照信号提示检查一般都可以发现故障根源，进而消除故障。风机故障的原因包括风压限位开关损坏、交流进线电源消失、过流保护的固态继电器损坏、风机接线松动或损坏等，其中以风压限位开关损坏原因居多，不论哪种原因适当准备一定数量的备件都是必要的。PT断线故障原因可能是PT回路二次接线松动、PT高压侧保险丝熔断及模拟量总线板、调节器DSP板故障等，一般以外部接线松动原因居多，所以应先排查外部原因，再考虑内部器件问题。REC站通信故障主要原因有通信故障、智能板保险松动或损坏、智能板损坏等，如果是通信故障只需复位智能板并重启程序就能消除故障，而智能板损坏应更换同型号备板。
3 结语
要保持水电站励磁系统状态良好，除了加强维护管理，定期进行除尘、检测和试验以外，还应重视常见故障的分析和总结。就像应急预案一样，将常见故障处理流程、方法梳理清楚，可以大大降低故障处理时间，为保证水电站安全生产、提高发电效率打下坚实基础。
参考文献：
[1]梁维燕，邴凤山，饶芳权，等.中国电气工程大典.第5卷，水力发电工程[M].北京：中国电力出版社，2009.
[2]梅占甲.水利发电机组励磁系统常见故障及处理方式浅析[J].四川水力，2014，35（3）：14-15，25.
[3]许斌，郭大安，安蔚华.自并励励磁系统常见故障分析与处理[J].电工电气，2013（9）：57-59.
[4]林旭升，刘智锋.水轮发电机组无法自动起励故障分析及其处理[J].广西水利水电，2011（2）：55-57.