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某抽水蓄能电站SFC系统典型故障分析及处理

2023-10-25 121 上传者：管理员

摘要：本文对某抽水蓄能电站关键设备SFC系统的典型故障进行研究，基于设备工作原理和故障现象，对运行中出现的输入变压器辅助设备信号异常、内循环去离子水温度过高以及转子初始位置检测失败故障等进行分析，根据SFC程序中故障逻辑，缩小故障排查范围，针对偶发和难以再现的故障，利用在线录波软件对相关测值或变量录波分析，理清故障原因，更加快速准确地找到故障点，采取相应的措施处理。本文相关故障处理方法和经验可供其他类似电站参考借鉴。

关键词：
SFC;抽水启动
内循环
抽水蓄能
故障
设备信号
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抽水蓄能电站是当前技术最成熟的大规模储能方式，具有调峰、调频、调相、储能、系统备用和黑启动功能，随着新能源大规模接入电网，抽水蓄能电站扮演着越来越重要的角色。抽水蓄能电站机组抽水工况启动有静止变频器(Static Frequency Converter, 简称SFC)启动和背靠背启动两种方式，其中SFC启动是首选方式，其原理是在发电电动机转子建立磁场以后，通过SFC调节定子绕组的电流频率，让产生的电磁力矩拖动机组逐渐提升转速，直至机组同期并网[1]。

1、SFC系统配置及运行方式

某抽水蓄能电站共设有2套SFC,每套额定功率18 MW,额定电压5 kV,不设背靠背启动，1号SFC正常用于启动1、2、3号机组，2号正常用于启动4、5、6号机组，2套SFC通过启动母线联络闸刀互为备用[2]。SFC系统主要设备包括输入和输出电抗器、输入和输出开关、输入和输出变压器、变频器、平波电抗器及相关辅助设备，电气一次接线如图1所示。

以1号SFC使用2号主变低压侧电源启动3号机组为例，各电气设备动作顺序如下：首先监控系统发令合上3号机组启动闸刀，调用SFC启动流程，SFC系统依次合上2号机侧输入开关和1号SFC输出开关，再将1号SFC切换闸刀合于旁路位置，然后解锁脉冲将3号机组拖至10%额定转速，此时再将1号SFC切换闸刀合于1号SFC输出变压器位置，将3号机组拖至额定转速后由监控系统发令合上3号机组出口开关同期并网，最后SFC系统断开1号SFC输出开关，将1号SFC切换闸刀合于接地位置，断开2号机侧输入开关，监控系统发令断开3号机组启动闸刀，1号SFC恢复到备用状态[3]。

图1 电气一次接线图

2、故障分析及处理

2.1 输入变压器辅助设备信号异常

2.1.1 输入变压器油泵运行信号异常复归

2019年6月至10月，1号SFC拖动机组抽水工况启动过程中，多次出现输入变压器油泵运行信号异常复归，造成启机失败。

故障原因分析：输入变压器油泵电源取自SFC控制柜，通过接触器KM453控制启停，在变压器箱体上设有电源开关S101,该开关正常处于合位状态。接触器KM453和电源开关S101通过辅助触点将位置信号送至SFC控制系统，用于SFC启动过程中油泵运行状态的判断。因此可能造成故障的原因一是油泵电源回路故障，包括接触器合闸失败、电源开关异常跳闸以及连接的动力电缆故障；二是信号回路故障，包括各辅助触点接点异常、信号电缆接线松动以及信号受干扰抖动等。

根据上述分析，故障原因排查如下：首先检查电源开关和动力电缆接线未见异常，通过SFC控制程序强制油泵电源接触器KM453合闸，油泵运行正常，因此排除电源回路故障的可能。下一步检查信号回路，测量接触器KM453和开关S101辅助触点回路电阻，阻值均正常。利用录波软件对该故障进行监视，对信号和变量进行录波。经过多次录波分析，发现输入变压器油泵电源开关S101的合位信号W25117:Seq.Proc.TR1PumpSftySwOn受到干扰出现抖动，如图2所示。该信号抖动时间6～50 ms不等，会进一步导致变量W21102:TR1.AUX.IP抖动，这是造成故障的直接原因，程序中各变量关系如图3所示。

图2 油泵信号抖动波形

图3 变量逻辑运算模块

针对该故障原因，故障处理如下：在SFC控制程序中对W25117信号增加2 s延时，更换电源开关及其辅助触点，紧固接线端子，之后未在出现该故障。

2.1.2 输入变压器压力释放阀动作信号异常

2019年11月，1号SFC拖动机组抽水工况启动过程中，多次出现输入开关合闸后，输入变压器压力释放阀动作，造成启机失败。

经分析，可能造成故障的原因一是由于变压器内部出现故障、呼吸系统堵塞或油温过高等原因造成压力增大，进而导致压力释放阀真实动作；二是压力释放阀动作信号回路异常，出现假报警。

根据上述分析，故障原因排查如下：首先查看变压器保护装置，没有发现报警，排除变压器内部故障。检查变压器呼吸器及其管路，未见堵塞，查看运行监视数据，SFC系统运行过程中，变压器油温在40℃左右，温度正常。排除以上原因确保安全后，对SFC启机观察，发现输入变压器带电运行过程中，压力释放阀实际未动作，判断故障为假报警。随即对相关信号进行监视录波，发现在输入开关合闸后，输入变压器压力释放阀动作信号Seq.Proc./TR1PressureFlt出现抖动，如图4所示。

图4 压力释放阀信号抖动波形

进一步对压力释放阀动作信号回路检查，最终发现端子箱至SFC控制柜的信号电缆金属屏蔽层接地线脱开。在SFC启动过程中，输入开关合闸瞬间，输入变压器空载合闸，由于信号电缆金属屏蔽层未接地，传输的DC24V信号受电磁干扰，造成信号抖动，这是输入变压器辅助设备信号异常的根本原因。

针对该故障原因，对信号电缆金属屏蔽层重新制作接线鼻子并接地，经录波观察，信号抖动消除，未再出现压力释放阀动作信号。

2.2 内循环去离子水温度过高故障

2019年6月30日，2号SFC拖动4号机组抽水启动过程中，在机组准备同期并网时出现去离子水温度过高故障，造成启机失败。

故障原因分析：SFC启动过程中，冷却柜内的循环水泵运行，利用去离子水带走变频器热量。当去离子水进水温度超过40℃时，冷却柜内三通阀开启，外部冷却水通过板式换热器对去离子水进行冷却。去离子水出水温度高报警和过高故障设定阈值分别为65℃和70℃。根据冷却原理和故障逻辑，造成去离子水温度过高故障的原因主要有水泵或三通阀未正常动作、水管路或换热器堵塞导致热量无法带走、温度传感器测值异常、外部冷却水温度过高造成换热效果差等。

故障排查如下：首先校验温度传感器，排除测值有误，然后强制开启水泵和三通阀，查看内外冷却水回路流量，均在正常范围内。为了再现故障，利用录波软件对相关温度量进行在线监视，并连续拖动机组。通过查看温度变化波形，发现SFC连续启动两台机组后，去离子水出水温度达到60℃,但此时进水温度只达到35℃左右，三通阀未开启。当SFC启动第三台机时，三通阀开启，但变频器电流大、产热快，去离子水温度下降缓慢，出水温度超过70℃导致故障发生。

经分析，可采取降低三通阀动作值来增加冷却时间的方式避免温度过高故障，但是该动作值不能太低，防止去离子水温度下降太快，低于环境温度造成冷却管路出现结露。具体处理方法如下：将SFC控制程序中三通阀动作值由40℃逐渐降低，期间通过录波观察温度下降趋势，当动作值为35℃,冷却效果良好，连续拖动机组未再出现故障。更改前后去离子水温度变化如图5、图6所示。

图5 更改前去离子水温度变化

2.3 转子初始位置检测失败故障

2021年3月，1号SFC拖动机组抽水启动过程中，多次出现转子初始位置检测失败故障，造成启机失败。

该电站SFC采用机端电压矢量计算的方法来确定转子位置：在SFC启动初始阶段，励磁电流从零升至空载额定值的过程中，SFC实时测量机端三相感应电压，计算得到α-β坐标系下的电压Eα、Eβ和磁通Φα、Φβ,最后由CPU计算得到转子初始位置[4]。查看SFC程序中故障判断逻辑，当磁通幅值Φ(Φα和Φβ的算数平方根)小于设定值0.04(标幺值),就会出现转子初始位置检测失败故障，初始位置检测模块如图7所示。

图6 更改后去离子水温度变化

图7 程序中初始位置检测模块

根据检测原理和故障判断逻辑可知，造成故障的原因：①SFC与励磁系统起励时间配合不好，测得的机端电压较小，导致磁通幅值低于0.04;②机端电压采集回路测值失准，造成机端电压测值有误，同样会导致磁通幅值低于0.04;③机组启动过程中，转轮充气压水后，转子位置发生了变化，也会导致转子初始位置检测失败[5]。

故障排查过程如下：由于监控流程中延后了机组机械刹车退出时间，首先可排除机组充气压水导致转子位置变化的原因，因此重点查看机端电压值和磁通幅值是否合格。利用SFC录波软件对机端电压测值和磁通计算值录波，发现在初始位置检测时间段内，磁通幅值低于0.04,故障波形如图8所示。进一步在SFC启机过程中对励磁电流波形进行监视，通过与以往正常波形比较分析，排除SFC与励磁电流时间配合不好的原因，所以将原因锁定在SFC电压采集回路上，最终检查校验机桥侧电压检测板发现其测值失准，更换备件并校验后SFC启机正常，故障未再出现。

图8 初始位置检测失败故障波形

3、结语

SFC是抽水蓄能电站的关键设备，运行过程复杂，大部分抽水负荷都集中在夜间，启动间隔时间短，故障处理时间紧迫，给设备运行维护带来困难。

本文对某电站SFC系统典型故障进行研究，故障分析处理过程中根据设备工作原理和故障现象，理清故障原因，并根据SFC程序中故障逻辑，缩小故障排查范围，针对偶发和难以再现的故障，利用在线录波软件对相关测值或变量录波分析，更加快速准确地找到了故障点。本文相关故障处理方法和经验可供其他类似电站参考借鉴。

参考文献:

[1]刘攀,梁里鹏,樊建强.抽水蓄能电站在电力系统中的作用与发展[J].水电与新能源,2016,30(11):18-20

[2]胡雪琴.抽水蓄能电站静止变频起动装置应用情况总结与探索[J].水力发电,2007,33(5):51-54,85

[3]魏力,许涛,吕斌.抽水蓄能电站两套静止变频启动装置控制回路设计与应用[J].电工技术,2021(20):29-31

[4]仲鸣,高从闯,杨剑,等.溧阳抽水蓄能电站SFC系统缺陷分析与处理[J].水力发电,2018,44(10):60-61,83

[5]彭连成.大型抽水蓄能电站静止变频启动器(SFC)的运行故障分析[D].广州:华南理工大学,2015

文章来源:杨剑,陈忠宾,仲鸣.某抽水蓄能电站SFC系统典型故障分析及处理[J].水电与新能源,2023,37(10):49-52.