燃气轮发电机励磁系统灭磁开关故障原因分析与处理

0引言

某天然气热电有限公司一期工程2×460 MW级燃气—蒸汽联合循环热电联产机组于2022年7月25日竣工投产,采用分轴布置方式,1台燃气轮机+1台燃气轮发电机构成1台燃气轮发电机组,1台汽轮机+1台汽轮发电机构成1台汽轮发电机组。其中,燃气轮机 型 号M701FU(又称M701F4+ 或M701F4 的 改进型),是国内比较少见的机型,由东方汽轮机有限公司设计制造。燃气轮发电机励磁系统采用由东方电气自动控制工程有限公司组装生产的瑞士ABB公司UNITROL6800自并励静止励磁装置。灭磁开关为瑞士赛雪龙公司DC110V—M型产品。

上述燃气轮发电机组在调试期间以及投产1.5年内发生了多次灭磁开关故障,严重影响了机组运行的安全性、可靠性和经济性。从文献梳理结果来看,造成灭磁开关故障的原因有很多,如:陈小清[1]介绍了主回路常开,动、静触头严重过热故障;董俊杰等人[2]提出了合闸脉冲过窄时合闸线圈得电时间过短,会造成触头合闸时动力不足,致使合闸失败;郑祥云、王夏洋等人[3—4]揭示了灭磁装置选型落后、灭磁开关机构老化、氧化锌非线性灭磁电阻已达使用年限等原因均会导致类似事件。但此类事件多发生于机组长期运行服役后,且多集中于水电及燃煤发电机组,本次事件发生于燃气发电机组投产1.5年内,具有差异化参考价值。

1 故障概况

2023年10月15日,1号燃气轮发电机临修中发现灭磁开关动、静触头严重烧灼、发黑,动、静触头表面出现严重凸凹不平,如图1所示。

从灭磁开关触头分断后的情况可以看到,动、静触头表面均有多处烧蚀的凹坑,用手触摸时,表面有凹凸不平的触感。因停机时间短,仅用金相砂纸进行了打磨处理,将触头清理干净,对灭磁开关进行回路电阻测试,分合测试几次后接触电阻才从32.7μΩ降至23.7μΩ,回路电阻阻值偏大。

2024年1月12日,检查3号燃气轮发电机灭磁开关,发现了同样现象,进行了同样处理。

2 故障诊断

2.1现场排查

现场检查灭磁开关,外观无异常,与灭磁开关直接连接的铜排正常,无过热痕迹,连接螺丝无松动。灭弧罩外观正常,弧栅无发黑或发黄迹象。灭磁开关两侧引弧条螺丝紧固,控制用航空插头无松动。执行机构动作灵活,无变形、无卡涩。灭磁开关动、静触头表面有轻微不平整。

2.2 原因分析

2.2.1选型调查

厂家根据机组参数,对灭磁开关的电压、电流、弧压等参数都进行了充分的计算和验证。该型号灭磁开关已在同类型机组安全运行10年多,选型设计合理可靠,满足每日启停的调峰运行方式。

2.2.2痕迹鉴定

灭磁开关、灭弧栅罩内部均有电弧熏黑的痕迹,是电弧扫过时的高温留痕,属正常现象。这是因为:

1)灭磁开关在带负荷分断转子线圈中的励磁电流时,触头间会产生电弧,电弧温度极高,中心温度高达20000℃ ,边沿温度高达6000℃ 。在所有金属导体中,钨的熔点温度最高,约为3 410℃ ,因此,灭磁开关金属触头通常由铜钨合金\银钨合金等材料制成,但即便如此,其熔点也远低于电弧的温度。

2)为了避免电弧对触头的烧蚀,灭磁开关通常会采用一些灭弧措施以确保灭磁开关能长期安全可靠地运行。瑞士赛雪龙公司DC110V—M型灭磁开关在拉开触头、切断电路时所产生的电弧通过电动力拉入灭弧罩内的栅片中,被分割成数十段并迅速冷却,从而起到电弧熄灭的效果,是一种典型的栅片窄缝灭弧法。

据了解, 目前各电厂采用的赛雪龙灭磁开关均采用了这种灭弧机理及灭弧装置,也存在灭磁开关触头灼伤情况[5],如:同区域同类某电厂,1台M701F3机组在基建调试期(2007年)也曾发现灭磁开关的触头有烧灼痕迹,打磨处理后长期运行如常;其6台机组多年长期运行中,灭磁开关触头有烧灼痕迹并不少见,每次都是打磨处理、测电阻合格后继续投用。

实践已经证实,每日启停运行方式下灭磁开关的触头有烧灼痕迹实属正常现象,只是在调试及投产初期即发生严重灼伤较为罕见。

2.2.3原因调查

以3号燃气轮发电机为样本,分析其从调试到投产1.5年间的运行情况。同时,与同区域同类某电厂的运行情况进行横向对比,分析造成本次事故的关键原因。

1)3号燃气轮发电机从调试到投产1.5年间累计正常并网达227次,年均启停151次,灭磁开关分断次数累计近500次。对比同区域同类某电厂,2023年3台M701F3机组累计启停456台次,累计连运284台次,平均每台机组年启停152次;3台M701F4机组累计启停243台次,累计连运351台次,平均每台机组年启停81次,结果尽管尚属正常范围内,但明显偏于高值。因此,机组启停次数多\灭磁开关分闸次数多应是灭磁开关触头有烧灼痕迹的基础性原因。

2)3号燃气轮机压气机水洗采用高盘吹扫运行方式,频率为2~3个月1次,已累计水洗约8次。每次水洗时,从停机开始进行高盘冷却到水洗结束,一般需要高盘吹扫约9次,每次吹扫结束后就直接跳开灭磁开关,即灭磁开关跳开时需分断500 A负荷电流。这种方式下高频次带负荷跳开灭磁开关所产生的电弧,将显著增加其对灭磁开关触头表面灼伤烧蚀的累积效应,对触头表面的影响十分不利[6]。这对比同区域同类电厂有两个显著的不同点:

(1)在执行厂家定期水洗要求时,某电厂M701F3燃气轮机进气过滤器自改造成高效过滤器(板翅式两级配置,精度分别为M5、E10)之后,累计水洗次数几乎是零;M701F4燃气轮机原始配置即是高效过滤器(板翅式三级配置,分别为G4、F9、E12),累计水洗次数也几乎是零。而3号燃气轮机压气机累计水洗次数8次,年水洗次数最高达5次,与某电厂每台机组年水洗次数相比明显偏高,灭磁开关分闸总次数过多。

(2)3号燃气轮机水洗中高盘吹扫结束后,即带负荷紧急跳开灭磁开关(类同于紧急停机方式),灭磁开关分断的电流很大,对灭磁开关触头的影响就很大。某电厂M701F3和M701F4燃气轮机在高盘吹扫结束后采用正常停机方式,励磁系统先是工作在逆变方式下,将转子线圈中的直流磁场能量逆变为交流电能,再通过励磁变反送到电网系统中;当转子上的磁场能量降低到一定程度时,灭磁开关再进行分断操作,这时灭磁开关分断的电流很小(几乎为零),对灭磁开关触头影响就较小。粗略估计,市面上大多数同类电厂在高盘吹扫结束后均采用正常停机方式。

2.2.4原因推定

由于调试期即发现灭磁开关动、静触头有轻微不平整,因此,灭磁开关动、静触头出厂质量缺陷应是产生灼伤痕迹的首要原因,也是其后故障扩展并演变为严重烧灼的诱因。

其次,灭磁开关分闸总次数多是产生灼伤痕迹的根本原因,具体分析如下:

1)两班制运行方式下启停总次数多是灭磁开关触头灼伤的基础性原因,尤其是在电力现货竞价市场机制下,燃气轮发电机组启停特别频繁,有时一天需要启停两次。

2)燃气轮机压气机水洗次数多,高盘吹扫次数就多,灭磁开关分闸次数也多,这是加剧灭磁开关触头灼伤的关键原因。

3)高盘吹扫方式下带负荷直接跳开灭磁开关方式带来的大电流是灭磁开关触头严重灼伤的决定性原因。

3 故障处理

3.1 临时处理措施

对灭磁开关触头再次进行打磨处理(图2),安装完毕后进行灭磁开关试验,在灭磁开关闭合状态下进行触头表面接触电阻测量,电阻值为22μΩ,在合格范围内。启动机组后,3号燃气轮发电机运行正常。

3.2检修措施

为彻底解决问题,于2024年3月9日利用两套机组检修期间,联系厂家到厂提供技术支持和灭磁开关调试工作,将1号及3号燃气轮发电机灭磁开关触头更新为新的合格触头并调试动、静触头之间距离位置。更换新触头后,两套机组燃气轮发电机灭磁开关回路电阻均合格。

3.3 更换触头后现象

2024年3月18日,两台燃气轮发电机在更换完灭磁开关触头后进行第一次高盘试验,试验结束后,1号及3号燃气轮发电机灭磁开关触头均出现烧灼痕迹,如图3所示。

该现象进一步证实,高盘吹扫方式下带负荷直接跳开灭磁开关方式带来的大电流是灭磁开关触头严重灼伤的决定性原因。

3.4进一步实施技术改进措施

1)尽快将高盘吹扫方式下带负荷直接跳开灭磁开关方式,改为与正常停机时相同的先逆变、再跳开灭磁开关的方式[7]。

2)适时推动燃气轮机进气过滤器升级为高效过滤器,使燃气轮机压气机水洗次数近零。

3)在燃气轮机进气过滤器升级为高效过滤器改造之前,转变设备管理思路,借鉴同类电厂经验,以状态管理替代定期水洗,以过滤器差压为判断标准,辅以季节性(如类似于“回南天”的重度潮湿、等同于台风的重度扬尘等)目视检查,判断进气室滤网堵塞情况,逐渐优化并减少水洗次数。

4结束语

灭磁开关是非常重要的电气设备。在发电机组运行过程中,应进一步优化电力现货竞价策略,尽可能减少启停次数,从而避免燃气轮发电机灭磁开关频繁动作造成的触头磨损、触头灼烧等情况。同时,还要严把质量关,加强燃气轮发电机灭磁开关的缺陷与隐患治理,以避免灭磁开关故障导致的非计划停机。尤其是要加强灭磁开关日常维护与定期检修,及时分析处理故障,方能保障机组长周期安全可靠运行。

[参考文献]

[1] 陈小清.发电机灭磁开关故障原因分析与检修[J].电工技术,1998(12):17.

[2]董俊杰,窦博文,余涛,等.大型蓄能机组灭磁开关合闸异常分析及处理 [J].水 电与抽水 蓄 能 ,2022 ,8(2):113-116.

[3]郑祥云,刘勇,蒋建旭.发电机励磁系统的灭磁及过电压保护装置改造[J].电工技术,2014(8):61-62.

[4] 王夏洋,王国仁,贺鹏.发电机灭磁异常的分析及处理[J].山西电力,2017(6):46-49.

[5]高方文.发电机组励磁系统故障分析与处理[J].电世界,2018,59(1):19.

[6]关汝聪.分析发电机灭磁开关故障原因[J].科技创业家,2013(7):128-129.

[7]高雷,肖立军.低压灭磁开关触头发热分析及处理[J].江苏电机工程,2014,33(1):54-55.

《机电信息》2025年第22期第16篇