龍灘水電站勵磁系統(tǒng)運行實踐

張明,鄧曉春

(龍灘水電開發(fā)有限公司，廣西天峨547300)

0 概述

龍灘水電站的勵磁系統(tǒng)由廣科所引進瑞士ABB公司UNITROLR5000型產(chǎn)品。該勵磁系統(tǒng)是1998年推出的數(shù)字式同步發(fā)電機靜止勵磁系統(tǒng)，是UNITROL系列的第五代勵磁系統(tǒng)，采用了DSP數(shù)字信號處理技術(shù)、可控硅整流橋智能化均流技術(shù)、低殘壓快速起勵技術(shù)、完善的通訊功能和多種調(diào)試手段、ARCnet現(xiàn)場總線技術(shù)等。龍灘水電站勵磁系統(tǒng)主要零配件國外進口，整體設(shè)備國內(nèi)組裝。該型勵磁系統(tǒng)在國內(nèi)大型火電機組有一定的運行經(jīng)驗，龍灘投產(chǎn)前在單機700MW級水電站應(yīng)用較少。本文介紹該該勵磁系統(tǒng)主要功能特點及在龍灘水電站的應(yīng)用情況。

1 勵磁系統(tǒng)特點

1.1 勵磁系統(tǒng)主要參數(shù)

1.2 功能單元模塊化

UNITROLR5000型勵磁系統(tǒng)在硬件設(shè)計方面功能單元模塊化，功率柜由整流橋、阻容吸收單元、風(fēng)機單元、控制單元4部分組成，每一部分均實現(xiàn)模塊組件化，物理結(jié)構(gòu)層次非常清晰，盤柜布置合理，運行維護方便。

UNITROLR5000具有強大的串行通訊功能。一方面，它可以通過串行通訊實現(xiàn)與電站監(jiān)控系統(tǒng)的接口，支持Modbus,Modbus+和Profibus等協(xié)議。另一方面，在勵磁系統(tǒng)內(nèi)，控制和狀態(tài)信號的交換是通過ARCnet網(wǎng)實現(xiàn)的。磁場斷路器跳閘回路還附加了硬件回路。

在本勵磁系統(tǒng)中，將ARCNET網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)用于勵磁系統(tǒng)內(nèi)部調(diào)節(jié)器、功率柜、滅磁柜、人機界面等設(shè)備的相互連接，進行控制和信息交換，采用令牌傳輸，數(shù)據(jù)信息量大，可以減少柜間接線，提高工藝水平，提高系統(tǒng)運行可靠性。ARCNET網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)提高了設(shè)備工藝水平，大大降低了運行維護工作量。

1.3 多種起勵功能

UNITROLR5000型勵磁系統(tǒng)提供了殘壓、輔助電源交、直流三種起勵方式。正常運行時采用殘壓起勵方式。電子控制回路能夠正常工作的可控硅整流器陽極電壓僅為10～20V，有效保證了殘壓起勵的可靠性。當(dāng)機端電壓達到發(fā)電機額定電壓的10%時，起勵回路自動退出，軟起勵過程開始并將發(fā)電機電壓升到預(yù)定水平。整個起勵過程的控制和監(jiān)測都是通過AVR軟件實現(xiàn)的。在殘壓起勵不成功時，可采用輔助交流和直流起勵方式，利用廠用400V交流電源和220V直流電源起勵。有效保證了長期停機后殘壓過低等情況下的正常啟動。由于備用起勵回路限流電阻很高，起勵回路僅需要一個較小的電流，對電站的直流系統(tǒng)幾乎沒有任何沖擊。

在實際運行中，龍灘水電站機組空轉(zhuǎn)時的機端殘壓正常情況下為238V左右，功率柜陽極電壓達到13～15V，滿足殘壓啟勵條件。從投產(chǎn)至今，機組的建壓過程全部采用殘壓來完成。

1.4 完善的滅磁功能

勵磁系統(tǒng)正常停機時采用逆變滅磁。事故時通過跳滅磁開關(guān)，利用SiC滅磁電阻移能滅磁。按照最惡劣工況下轉(zhuǎn)子能量Wfmax9.35MJ，預(yù)留20%的裕度，選取SiC電阻容量為12MJ。滅磁過程中，在斷開滅磁開關(guān)的同時關(guān)斷脈沖并通過控制回路使滅磁回路可控硅導(dǎo)通接通滅磁電阻滅磁。由于采取了脈沖關(guān)斷的措施，勵磁變副邊交流電壓被疊加到磁場斷路器的電弧電壓上，可以縮短滅磁時間。

龍灘水電站在應(yīng)用時考慮到跳閘信號復(fù)歸后，滅磁回路的導(dǎo)通由通過滅磁回路電流的大小決定，當(dāng)滅磁電流小于可控硅的維持電流時，則回路截止。為了可靠滅磁，對原滅磁回路作了下改進，把滅磁開關(guān)的常閉接點串聯(lián)接進滅磁控制回路中，只要滅磁開關(guān)動作滅磁回路一直導(dǎo)通，徹底消耗轉(zhuǎn)子能量。

1.5 轉(zhuǎn)子正向過電壓保護功能

發(fā)電機端出現(xiàn)故障，如短路、錯誤的同步和/或異步運行，會引起反向的感應(yīng)磁場電流，該電流在轉(zhuǎn)子回路中會產(chǎn)生過電壓。過電壓必須被限制到足夠安全的水平，而且應(yīng)低于整流器可控硅的峰值反向電壓。

跨接器電路通常用于直流側(cè)過壓保護。在UNITROLR5000型勵磁系統(tǒng)中，該電路采用雪崩二極管用于探測轉(zhuǎn)子回路中的正向和反向過電壓。當(dāng)雪崩二極管被擊穿，相連的可控硅則被觸發(fā)，立即將滅磁電阻器并聯(lián)連接到轉(zhuǎn)子回路上。同時發(fā)出跳閘令使磁場斷路器立即斷開。

龍灘水電站轉(zhuǎn)子正向過電壓動作設(shè)計值為3200V，即轉(zhuǎn)子正向電壓要超過該值后才能觸發(fā)正向可控硅，滅磁回路才會并入轉(zhuǎn)子回路。由于滅磁電阻SIC漏電流較大，過壓后有可能無法關(guān)閉跨接器，根據(jù)龍灘水電站的運行要求，發(fā)電機組在正常運行出現(xiàn)短時間轉(zhuǎn)子正向過電壓不允許跳閘的情況，在UNITROLR5000型勵磁系統(tǒng)原有功能的基礎(chǔ)上，進行了一定的改進。發(fā)電機組運行時出現(xiàn)轉(zhuǎn)子正向過電壓時，若在0.5s內(nèi)只出現(xiàn)1次過壓則封脈沖，關(guān)閉正向?qū)煽毓?，瞬間解除封脈沖令，勵磁系統(tǒng)返回正常工作狀態(tài)；若在0.5s內(nèi)出現(xiàn)＞1次過壓情況，則發(fā)“跨接器故障”跳滅磁開關(guān)。為了確保功能動作正確性，利用機組投產(chǎn)時模擬機組過壓專門做了試驗，試驗結(jié)果動作正確。

1.6 交流側(cè)過電壓保護

區(qū)別于傳統(tǒng)的整流柜交流側(cè)集中式過壓保護裝置，UNITROLR5000型勵磁系統(tǒng)在每個整流橋的交流側(cè)設(shè)置過電壓保護，吸收由晶閘管整流而引起的電壓尖峰及陽極側(cè)可能產(chǎn)生的過電壓。過電壓保護裝置主要由1個三相二極管整流橋和1個電容組成。對于高頻過電壓而言，電容代表1個低阻抗并且起濾波器的作用。與電容并聯(lián)的有個放電電阻器，在電容放電時吸收能量。這種用途的電容應(yīng)能支持較高的di/dt。二極管整流橋的AC側(cè)由帶接點指示的熔斷器保護。

1.7 手動控制

當(dāng)手動控制模式下運行時，UNITROLR5000以同步發(fā)電機的磁場電流作為反饋量進行調(diào)節(jié)。手動控制模式的給定功能與AVR控制模式的給定功能相同。為了避免在手動模式下突然甩負荷引起的過電壓，手動模式具有自動返回空載的功能。在發(fā)電機斷路器跳閘的情況下，一個脈沖信號傳送給調(diào)節(jié)器，使手動給定值立即恢復(fù)到預(yù)定值。在需要所謂的手動限制的情況下，手動控制的最小和最大控制點可以按照作為當(dāng)前有功和無功功率水平的函數(shù)，或發(fā)電機實際電壓的函數(shù)來計算。

2 設(shè)備運行情況

2.1 運行評價

自2007年5月首臺機組投產(chǎn)以來，UNITROLR5000勵磁系統(tǒng)在龍灘水電站總體運行狀況良好，未曾發(fā)生過異常調(diào)節(jié)現(xiàn)象，完全滿足機組及電網(wǎng)實際運行要求。在調(diào)節(jié)性能方面，相關(guān)指標(biāo)遠遠優(yōu)于規(guī)范要求，同等情況下，其調(diào)節(jié)時間是國標(biāo)要求的1/3，超調(diào)量是國標(biāo)要求的1/2，振蕩次數(shù)為0.5次，其獨特的動態(tài)均流技術(shù)，使得7臺機組中均流系數(shù)最低達到96.2%，最高到達99.7%，遠遠高于85%的規(guī)范要求；在限制、保護功能方面，配置齊全，完全滿足規(guī)范要求；在電網(wǎng)功能要求方面，其配置的電功率及轉(zhuǎn)子角頻率雙輸入信號的PSS-2A型電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，對低頻振蕩有良好的抑制作用，且不會產(chǎn)生反調(diào)現(xiàn)象，有利于提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

2.2 主要問題及處理措施

該勵磁系統(tǒng)總體符合規(guī)程規(guī)范要求，但由于在水電站運行經(jīng)驗較少，投入運行后根據(jù)缺陷和隱患排查情況進行了一些功能改進和完善。

(1)功率柜冷卻系統(tǒng)性能不可靠

勵磁功率柜原設(shè)計冷卻風(fēng)機由自用電、廠用電兩路電源供電經(jīng)切換中間繼電器向主備用兩組4臺風(fēng)機供電。正常運行方式下以自用電為主，在起勵過程中或自用電故障情況下自動切至由廠用電供電。當(dāng)主用風(fēng)機出現(xiàn)故障后，出風(fēng)口的擋板會自動掉下，通過位置開關(guān)的接點作用，將風(fēng)機運行狀態(tài)反饋給控制單元，啟動備用風(fēng)機，實現(xiàn)主、備風(fēng)機的相互切換。

由于電源切換回路采用中間繼電器，接點容量不足易燒損而導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)失電停機事故，在國內(nèi)曾發(fā)生該類故障案例。龍灘取消原設(shè)計中廠用電、自用電電源切換回路，采用自用電、廠用電分別向主用風(fēng)機和備用風(fēng)機供電。有效避免通過繼電器接點容量不足、切換不可靠的問題，實現(xiàn)了主備用冷卻風(fēng)機的完全備用，提高了設(shè)備的可靠性。

由于原設(shè)計風(fēng)機啟動電容安裝在風(fēng)機單元線槽內(nèi)，元件不易散熱，經(jīng)長時間運行后電容品質(zhì)下降，甚至損壞導(dǎo)致風(fēng)機不能正常啟動或功率柜不能正常運行。該現(xiàn)象是龍灘勵磁系統(tǒng)在投產(chǎn)初期的主要故障。通過改變電容參數(shù)改善熱容量性能，提高了穩(wěn)定性；改變電容安裝位置，改善元件運行環(huán)境，提高了可靠性。經(jīng)過改造后，故障消除，設(shè)備運行穩(wěn)定。

(2)功率柜元件布置不合理

該勵磁系統(tǒng)投運行初期發(fā)現(xiàn)，整流柜陽極側(cè)阻容保護電阻安裝位置處于功率柜頂部且偏后靠近柜門，加上柜體密封，電阻產(chǎn)生的熱能不容易散熱，致使柜殼、柜體溫度上升，電阻本體最高溫度達165℃，整流柜柜門溫度達到43℃以上。功率柜阻容保護電容器安裝在整流橋正上方，電容損壞電容液體飛濺會直接落到晶閘管處，極易造成短路爆炸事故。這些反映出元件布置不合理的問題，如不改善，將影響設(shè)備穩(wěn)定性和安全性。

為改善阻容保護單元的電阻散熱條件，將其轉(zhuǎn)移至功率柜冷卻風(fēng)道正上部，使整流柜冷卻風(fēng)機的風(fēng)量帶走阻容保護電阻的熱能。改造后功率柜門溫度降至28～30℃，與周邊環(huán)境溫度相同，阻容保護電阻本體溫度在85～150℃之間變化，散熱效果非常明顯。為防止阻容保護電容故障造成設(shè)備事故，將該電容器移至功率柜后部，與其它元件有效隔離，提高了設(shè)備運行安全性能。

(3)通訊故障冗余能力弱

由于ARCnet總線承擔(dān)著勵磁系統(tǒng)控制和狀態(tài)信號交換，它的故障冗余能力將直接影響整套設(shè)備乃至發(fā)電機組的安全、穩(wěn)定性能。龍灘水電站勵磁系統(tǒng)運行中多次出現(xiàn)勵磁系統(tǒng)故障、整流橋報警、起勵閉鎖、通道報警、整流橋失靈、整流橋被閉、備用通道報警等信號。檢查發(fā)現(xiàn)是調(diào)節(jié)器通訊總線T型、Y型接頭接觸不良，運行中極易引發(fā)故障，甚至事故停機。由于總線結(jié)構(gòu)在設(shè)備制造后很難進一步改進，龍灘目前只能通過提高工藝手段改善總線連接可靠，不能從根本上解決通訊冗余問題。

控制總線方式無論從設(shè)備制造工藝水平、系統(tǒng)運行可靠性能，還是現(xiàn)場運行維護方便來講，都應(yīng)當(dāng)值得肯定。為提高其可靠性，建議采用雙總線方式，實現(xiàn)通訊故障和控制冗余。建議控制信號與事故信號分別通訊，并增加系統(tǒng)故障、事故邏輯判斷，增加勵磁系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定性能。

3 結(jié)論

經(jīng)過幾年的運行，從UNITROLR5000型勵磁系統(tǒng)的實踐經(jīng)驗看，該型調(diào)節(jié)器在勵磁控制領(lǐng)域，使用了許多新技術(shù)和新器件，無論從硬件、軟件還是工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，均有獨到之處。存在的大部分問題得到了處理，并在行業(yè)內(nèi)其他水電站得到了推廣，提高了該型產(chǎn)品的整體穩(wěn)定水平。盡管個別問題暫時無法徹底解決，但由于采取了相應(yīng)的措施，能夠滿足電力生產(chǎn)要求。