抽水蓄能电站静止变频器运行及故障分析

邱雪俊，汪卫平

(华东琅琊山抽水蓄能有限责任公司，安徽　滁州　239000)

【摘　要】　抽水蓄能电站机组水泵方向启动优先采用静止变频器(SFC)拖动。本文以琅琊山抽水蓄能电站SFC系统为例，简述了SFC系统的基本配置，SFC运行启动机组工作流程中与监控及励磁系统的配合关系，着重分析了琅琊山抽水蓄能电站及同类型SFC在应用中出现的典型故障并提出了解决办法。

【关键词】　静止变频器;水泵方向启动;运行;故障分析

0　引言

琅琊山抽水蓄能电站(以下简称琅琊山电站)安装4台单机容量为150MW的混流可逆式水轮发电机组，机组于2007年全部投入商业运行。SFC是抽水蓄能电站重要的设备之一，用于拖动机组水泵工况运转直到机组并网，因其具有启动平稳、迅速可靠、成功率高、维护量小且自诊断能力强等优点，所以是机组水泵工况方向启动的主要、首选方式，背靠背同步启动作为备用。本文结合琅琊山电站工程实例，对SFC系统进行运行及故障分析。

1　系统介绍

1.1　SFC系统的基本配置

琅琊山电站SFC由法国ALSTOM公司生产，型号为SD7000系统，变频单元冷却方式为水循环强迫风冷。SFC系统主要由输入单元、变频单元、输出单元、控制单元、保护单元及辅助单元6部分组成。SFC系统一次设备结构图见图1。

1.2　SFC系统的运行特点

SFC启动机组时分为低速运行阶段(f<5Hz)和高速运行阶段(f>5Hz)，可平稳产生从零到额定频率值的变频电源，同步地将机组拖动起来。低速运行阶段采用脉冲耦合强迫换相方式，高速运行阶段采用同步换相方式。SFC的功率元件不宜长期运行，加速时间为5min，同期转速调整时间为2min，工作循环周期为120min，额定电流运行30min，停止运行90min。

2　SFC启动机组工作流程

SFC启动机组过程由监控、SFC和励磁系统共同配合完成[1]，当机组同期并网后SFC启动机组工作流程结束。监控系统LCU1～LCU4为1～4号机组现地控制单元，LCU5为地下厂房公用设备现地控制单元。下面以SFC拖动1号机组启动为例，结合图2简要介绍SFC启动工作流程[2]。

(1)1号机组SFC启动令发出后，LCU1启动1号机组技术供水泵、调速器油泵、推力高压油泵等辅助设备。

(2)LCU5判断SFC 1号输入隔离开关IPI01或2号输入隔离开关IPI02是否有一把隔离开关在合位，若两把隔离开关均在分位，则优先合IPI01。LCU5发令合启动母线1号机组侧隔离开关，开启SFC冷却水电磁阀并检测流量正常，LCU1发令将励磁设为SFC运行模式。

(3)LCU5发“SFC启动”命令，SFC接收到信号后输入断路器VCB1，启动冷却风扇运行，SFC随后进入“启动准备好”状态，等待1号机组压水成功、机械制动退出。

(4)SFC发令合输出断路器VCB2、投入1号机励磁，励磁投入后转子电流开始建立，SFC收到“励磁已投入”信号后计算转子初始位置，判断转子初始位置成功后触发相应桥臂的可控硅，开始拖动机组。

(5)当机组转速达到约10%额定转速时，调节器闭锁触发脉冲，定子电流为0后分开S2隔离开关，随后合上S1隔离开关，调节器解锁，拖动电流重新建立，进入高速运行阶段。

(6)当机组转速大于99%额定转速后，监控同期装置投入，SFC接收同期装置的加速和减速命令，励磁装置接收同期装置的增磁和减磁命令，进行机组同期并网调节。

(7)同期条件满足，GCB合闸并网后SFC立即封锁触发脉冲，断开VCB2，分开S1隔离开关及启动母线隔离开关。SFC恢复到“启动准备好”状态，SFC整个启动过程约6min。

(8)随后SFC可以去拖动另外一台机组启动，当拖动机组启动任务全部完成后中控室值班人员可通过上位机发“SFC可用(SFC停止)”令分开VCB1、停止冷却风扇运行，SFC恢复“SFC可用”初始状态。

3　典型故障分析及解决办法

3.1　转子初始位置检测失败

SFC拖动机组启动过程中曾连续多次出现转子初始位置检测故障[3]，导致机组启动失败。对2007年10月至2008年12月间该故障发生的情况进行统计，共发生10次，其中1～4号机组发生故障的次数分别为2次、5次、1次、2次。故障出现后对转子位置检测回路接线、板卡及二次元器件进行详细检查、测试，均未发现异常情况，且各台机组励磁系统在机组SFC启动时的相关参数完全一样。该故障在SFC拖动各台机组时都曾发生，每次故障的现象几乎完全一样，现地复归报警后多次拖动机组均成功，可见该故障具有偶发性。

查看SFC转子初始位置检测控制程序可知在进行转子初始位置计算时要检测定子绕组感应磁通的幅值，幅值不能低于2.5%额定磁通，否则转子初始位置将检测失败。转子初始位置检测通过感应电压法的原理，SFC拖动机组开始启动前，发电机转子处于静止状态，通过励磁系统在转子绕组中加入励磁电流，加入励磁电流的初始阶段会在定子三相绕组中产生感应出电动势，利用这些电动势相位和大小可计算出转子初始位置。但随着转子电流逐渐上升到稳定值，定子三相绕组感应电动势将逐渐减小至0，因此转子初始位置检测需要在较短的时间内检测出来，否则将检测失败。

结合转子初始位置的原理分析，维护人员记录了10次机组SFC拖动启动时的初始计算磁通Ф以及从SFC下令投入励磁到收到“励磁已投入”信号的时间t，数据记录见表1。

从表1可以看出10次启动中励磁系统的动作反馈时间较稳定，虽然全部启动成功，但第6次4号机组及第7次2号机组启动时磁通幅值的安全空间已较小(接近最小值2.5%)。为增大定子绕组中的初始感应磁通，将机组SFC启动时励磁电流初始设定值由原来的0.5957倍额定励磁电流增大到0.6457倍，并于2009年1月实施。实施后已运行7年，因励磁电流初始设定值偏小导致转子初始位置检测失败故障再未出现。维护人员定期对机组SFC启动时的磁通进行录波检查，其初始磁通幅值稳定在6%～7%额定磁通之间，较最小磁通2.5%有较大安全空间。

3.2　Keypad(控制键盘)烧坏

Keypad(控制键盘)和控制器CPU板卡连接，通过Keypad可以查看SFC系统报警、跳闸等相关故障、错误信息，在Keypad中输入登录密码后可对SFC进行相关设备测试及试验。Keypad工作电源取自控制回路24V直流母线，与控制回路电源公用，经电阻分压后为Keypad提供8V直流电源，投产后5年内Keypad烧坏3个，原因为分压电阻长期工作温度升高，阻值偏移，同时与控制回路公用24V电源容易受到干扰，电阻分压后输出异常电源，导致其使用寿命下降直至烧坏。

为了解决此问题，对Keypad供电回路进行小改造，用独立的开关电源输出8V电源来替代分压电阻供电，有效提高了供电质量。采用开关电源供电后Keypad运行近5年未出现烧坏情况。

3.3　风压计故障

SFC系统设有风压检测仪用来检测当风机启动后风量是否正常，其原理为差压式。SFC启动过程中“SFC辅助设备已启动”信号用来监视SFC风机接触器状态及风压反馈信号是否正常。为确保冷却风量满足变频单元设备冷却要求，若未收到风压正常信号，SFC将判断为“SFC风压计故障”并发出跳闸信号，SFC启动失败。

SFC因风压检测故障导致启动失败后，检查风压测量管路无堵塞、无破损，SFC冷却柜门密封完好。现地手动启动风机后，通过软件在线诊断发现风压计变位的信号不稳定，状态一直为不动作或信号抖动，故确认为风压计本体故障。拆开风压计，检查发现故障的风压计卡塞、动作不灵敏。更换了故障的风压计，并参照整定值进行整定，多次手动启动风机对风压计进行测试，测试过程中进行同期录波，观察风量正常信号和风量低信号的波形均正常，信号不抖动。针对此类元器件、设备机构卡塞、动作不灵敏的问题，已在SFC定期维护时对各相关信号的波形进行录波检查，提前发现缺陷并处理。

3.4　控制器机架内部电源模块故障

SFC控制器机架内部电源模块为机架板卡提供5V、+12V、-12V电源，电源模块故障后整个SFC控制器电源丢失，SFC系统无法启动工作，SFC和监控系统通信中断，监控系统发出SFC通信异常报警。该电源模块安装在机架内部，并且和机架是配套产品，需要将机架上所有板卡拆下，机架抽出后打开后背板才能看到此电源模块，日常维护容易遗漏。

当该电源模块故障时，对新的备件先进行负载通电测试，测量各输出电压是否在正常范围内、是否稳定，确认新电源模块工作正常后对故障电源模块进行更换。

4　其他工程同类型SFC典型故障分析

4.1　系统重启后PIB100E板无法达到正常状态“-1”

SFC系统维护重新启动后，PIB100E板显示“2”或“3”，无法达到正常状态“-1”，可能的原因有板卡硬件故障、板卡接触不良、关键接线头松动。根据具体的情况采取不同的处理措施，建议在处理该故障时外接一台显示器到控制器CPU板卡的VGA接口上，观察系统提示信息以便快速准确地处理故障。

4.2　网桥或机桥可控硅告警

SFC系统停机状态出现网桥或机桥可控硅告警，原因为对应的可控硅隔离驱动板接触不良或故障，处理时可以先尝试调换两块相邻的板卡，根据故障是否已随之转移来判断并作出相应的处理。SFC拖动机组启动过程中出现此告警，将导致SFC跳闸，基本可确定为对应的可控硅损坏，需要进行更换。运行多年的SFC系统，对可控硅进行定期检查、测试非常有必要，能提前发现可控硅老化迹象。

4.3　S1或S2隔离开关未动作导致起机失败

在SFC启动过程中S1或S2隔离开关未动作，隔离开关的驱动电机驱动轴断裂，原因为隔离开关手动操作摇柄安装在电机驱动轴上，电机工作时手动操作摇柄与电机驱动轴产生共振，经过长时间的运行导致电机驱动轴断裂。在无备件情况下可临时将轴焊接，有备件则直接更换新轴，同时务必要将手动操作摇柄从机身上取下，并在定期维护时检查S1、S2隔离开关工作噪声。

4.4　系统频繁重启或死机

SFC系统频繁出现自动重启或死机现象，原因为控制器CPU风扇故障停运，处理措施为更换风扇备件或对风扇进行修复。在SFC定期维护中对SFC控制器机架CPU、板卡进行灰尘清理及检查CPU风扇工作状态。

5　结语

抽水蓄能电站SFC是机组水泵工况启动的关键设备，多数抽水蓄能电站只配备了一台SFC装置，该装置能否可靠、稳定运行尤为重要。本文通过对琅琊山电站SFC的运行、故障分析及其他工程同类列SFC的典型故障分析，能提高运维人员对SFC系统的掌控能力，同时对其他工程也有一定的借鉴作用。

参考文献:

[1]杨文道，郑重.桐柏抽水蓄能电站SFC启动机组的自动控制[J].水电厂自动化，2006，109(4): 190-193.

[2]王熙，刘聪，冯刚声.静止变频器(SFC)启动机组泵工况过程分析[J].水电站机电技术，2015，38(7):69-72.

[3]汪卫平，吴培枝，毕扬，等.琅琊山抽水蓄能电站机组变频启动中转子位置计算的运行分析[J].水电自动化与大坝监测，2014，38(2):76-79.

作者简介:

邱雪俊(1986—　)，男，安徽滁州人，大学本科，助理工程师，主要从事抽水蓄能电站运行维护工作。E -mail:qxjun@vip.qq.com