火電廠勵磁系統(tǒng)主、備勵切換可靠性的改造

程威，史運峰

(1.廣州珠江電廠，廣東 廣州 511457;2.廣州艾博電力設(shè)計院公司，廣東 廣州 510080)

1 系統(tǒng)概況

廣州某火電廠300 MW機組配備主勵和備勵2套可以互相切換的勵磁系統(tǒng)。該電廠發(fā)電機為哈爾濱電機有限公司的QFSN－300－2發(fā)電機，勵磁系統(tǒng)為有副勵磁機的它勵整流三級勵磁，永磁副勵磁機輸出400 Hz交流，一路經(jīng)主勵交流開關(guān)41E為自動電壓調(diào)節(jié)(AVR)可控硅整流裝置供電。另一路經(jīng)感應(yīng)調(diào)壓器和隔離變壓器以及備勵直流開關(guān)2ZKK為二極管整流裝置供電。副勵磁機輸出經(jīng)整流后為主勵磁機提供勵磁電流，主勵磁機輸出100 Hz交流經(jīng)三組三相二極管橋式整流裝置整流后為發(fā)電機提供勵磁。主勵采用的勵磁調(diào)節(jié)器是南瑞電氣控制公司SAVR－2000勵磁調(diào)節(jié)器。備勵采用感應(yīng)調(diào)壓器來調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁，控制方式是“人－機”開環(huán)方式。在正常運行時，由AVR主勵實現(xiàn)對極端電壓的閉環(huán)控制以及PSS，AVC等附加控制功能。當主勵故障且退出運行時，切換至備勵由值班員根據(jù)極端電壓和系統(tǒng)無功需求手動調(diào)節(jié)勵磁［1］。系統(tǒng)一次接線如圖1所示。

2 勵磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)換過程的異常情況

2.1 備勵切主勵導(dǎo)致失磁

圖1 系統(tǒng)一次接線圖

該廠自1994年投運以來，因AVR卡件故障、AVR裝置電源丟失、AVR電源板故障、AVR誤強勵、AVR失靈等原因經(jīng)歷過幾十次勵磁系統(tǒng)主、備勵切換。該廠采用的主、備勵切換方式是并列式(轉(zhuǎn)移負荷法)，在主、備勵的直流輸出并列、解列瞬間多次出現(xiàn)無功波動大、發(fā)電機失磁報警甚至發(fā)電機失磁保護動作跳機、發(fā)電機轉(zhuǎn)進相運行等異常現(xiàn)象和事故。2002年9月22日，#4機組AVR失靈故障處理完后進行了備勵轉(zhuǎn)換主勵的操作(當時機組有功負荷為200 MW，無功負荷為63 MV·A)，合上主勵交流開關(guān)41E后，增主勵輸出，減備勵輸出，維持無功負荷在63～78.0 MV·A之間，備勵輸出降至最小后，投入微機勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的補償開關(guān)2KK［1］，在無功負荷為 78.0 MV·A 時，手動切開備勵開關(guān)“2ZKK”，此時，無功負荷從78.0 MV·A跌至1.7 MV·A，運行人員立即搶合備勵開關(guān)2ZKK，同時按“備勵增磁”按鈕，但發(fā)電機失磁保護已動作，機組主開關(guān)及41E，滅磁(FMK)開關(guān)跳閘，并聯(lián)跳機、爐。

2.2 備勵切主勵導(dǎo)致無功大波動

2010年5月3日，#2機組因檢查AVR可控硅柜下橋脈沖開關(guān)跳閘將主勵切備勵運行(當時機組有功負荷為220 MW，無功負荷為65 MV·A)，備勵調(diào)至最低輸出后，投入微機勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的補償開關(guān)2KK，合2ZKK使主備勵并列后開始增備勵輸出，減主勵輸出維持無功在60 MV·A左右，值班員為確保斷開主勵交流開關(guān)41E前主勵可控硅輸出盡可能小，點擊了3次以上分散控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)上“主勵減磁”按鈕，發(fā)現(xiàn)無功沒有減小，作者認為在此情況下斷開41E開關(guān)最保險，值班員隨后斷開41E開關(guān)，機組無功突然由56 MV·A升至209 MV·A，機組6 kV廠用母線電壓由6.3 kV升至6.7 kV，經(jīng)值班員迅速減備勵輸出才恢復(fù)正常。

2.3 備勵升壓試驗過程中的過激磁

2010年3月21日，該廠#1機組大修后進行了發(fā)電機空載試驗和勵磁系統(tǒng)特性試驗。在發(fā)電機用備勵升壓至額定電壓20 kV后，值班員接令降壓后滅磁，在減備勵至機端電壓為1 kV以下后，繼續(xù)點擊“備勵減磁”按鈕，點擊2下后機端電壓突升至23.75 kV，“發(fā)電機過激磁”聲光報警出，值班員迅速切開FMK開關(guān)。

3 原因分析

3.1 2套整流裝置換流過程不一致

主、備勵并列運行后，發(fā)電機主勵磁機的勵磁整流裝置為可控硅整流和二極管整流的并列，由文獻［2］可知，當2套整流裝置交流輸入一致時，整流裝置是帶續(xù)流二極管的可控硅整流，而實際是二極管整流裝置的交流輸入使得調(diào)壓器T1和隔離變壓器T2電壓的幅值和相位發(fā)生了變化。

可控硅整流交流輸入為

二極管整流交流輸入為

取一個時間點t0來分析2套整流系統(tǒng)的換流過程(此分析中將換流器的換流過程理想化，不影響結(jié)論):假設(shè)t0點為二極管整流裝置U2cb向U2ab換相的自然換相點，那么它的直流輸出為Ud2(t0+τ)=U2ab，即二極管整流在t0處換相后至下一個換相點間的直流輸出，τ∈(0～π/12)。

可控硅整流的換相點受到觸發(fā)角α的控制和交流輸入角度差θm的影響，在二極管整流的自然換相點處其觸發(fā)導(dǎo)通的相別可能為(θm按銳角計)

在上面的公式中:UFL為副勵磁機輸出400 Hz交流電壓有效值;m為調(diào)壓器變比，取值范圍為0～1;θm為隨調(diào)壓器變比變化的相角偏移值;U1a為可控硅整流的交流輸入A相瞬時值;U1b為可控硅整流的交流輸入B相瞬時值;U1c為可控硅整流的交流輸入C相瞬時值;U2a為副勵二極管整流的交流輸入A相瞬時值;U2b為副勵二極管整流的交流輸入B相瞬時值;U2c為副勵二極管整流的交流輸入C相瞬時值;Ud1為可控硅整流的直流輸出;Ud2為副勵二極管整流的直流輸出;t為t0起至下一換相點之間的時間間隔。

由上述分析不難看出，當存在換流不一致時，在2套整流裝置的內(nèi)部將出現(xiàn)相間環(huán)流、同相的并聯(lián)回路環(huán)流，如此一來，勢必會影響勵磁主回路的勵磁電流供給。本文第2.2章節(jié)中的無功突升就是因為主勵減勵磁時觸發(fā)角α增大，使得2套整流裝置的環(huán)流過大、輸出給主勵磁機的勵磁電流銳減。

3.2 備勵調(diào)壓器的調(diào)節(jié)方向跳變

該廠的備勵調(diào)壓器作用于調(diào)節(jié)二極管整流裝置的交流輸入，從而調(diào)節(jié)備勵的直流輸出。備勵調(diào)壓裝置是由調(diào)壓電機、減速裝置、限位裝置和自耦變壓器組成。從備勵調(diào)壓器最低輸出位至最高輸出位為180°角調(diào)節(jié)區(qū)域，0°和180°處分別設(shè)有限位開關(guān)。限位開關(guān)的作用是在0°和180°的兩極處切開調(diào)壓電機的接觸器以防止其轉(zhuǎn)到180°～360°的區(qū)域。一旦限位開關(guān)失靈，在0°附近(備勵最低輸出)繼續(xù)按減磁按鈕就會使自耦變壓器的觸頭移至最大輸出處，出現(xiàn)本文第2.3章節(jié)中的過激磁甚至過電壓現(xiàn)象。在本文第2.1章節(jié)中，事故的原因是在升主勵、減備勵至最低過程中，備勵的調(diào)壓器出現(xiàn)調(diào)節(jié)方向的跳變至某一個較大位置，在分開2ZKK后備勵這一路直流輸出失去，使得發(fā)電機勵磁銳減，其后AVR強勵過程中脈沖電源又出故障，最終由欠勵發(fā)展為失磁事故。

4 解決方法

4.1 監(jiān)視整流裝置環(huán)流的措施

為了避免主、備勵并列運行后可控硅整流和二極管整流的換流不一致，在2套整流裝置的內(nèi)部出現(xiàn)相間環(huán)流和同相的并聯(lián)回路環(huán)流，在2010年度4臺機組輪修時，分別在AVR主勵可控硅裝置的直流輸出端和備勵二極管整流裝置的輸出端增設(shè)帶極性的直流分流器用來監(jiān)視并列運行的2套整流裝置的直流輸出大小和極性，如圖1所示。這樣，可有效監(jiān)視2套整流裝置間的環(huán)流，為值班員正確倒勵磁負荷、切換勵磁裝置提供參考。

4.2 監(jiān)視整流裝置環(huán)流的措施

為了防止備勵調(diào)壓器出現(xiàn)調(diào)節(jié)方向的跳變，在2010年度4臺機組輪修時，在備勵調(diào)壓器的0°和180°處分別增設(shè)1個限位開關(guān)，2個限位開關(guān)全部采用歐姆龍的D4A系列小型重載開關(guān)，2個限位開關(guān)的輸出并聯(lián)來作用于調(diào)壓電動機的控制回路，這樣，會在很大程度上避免限位失靈導(dǎo)致的備勵調(diào)壓器調(diào)節(jié)方向跳變。

2011年2月，改造后的#1，#2機組停機前在主、備勵倒換試驗過程中有效地監(jiān)視到了2套整流裝置間不穩(wěn)定的環(huán)流并依據(jù)環(huán)流進行了調(diào)整，實現(xiàn)了小擾動切換。從2010年改造至今，該廠4臺次機組檢修后，進行了勵磁系統(tǒng)試驗、空載試驗的備勵升/降壓，沒有出現(xiàn)過備勵過調(diào)現(xiàn)象。

5 結(jié)論

本文通過對廣州某電廠勵磁系統(tǒng)主、備勵切換出現(xiàn)異?，F(xiàn)象和事故的分析，從可控硅整流和二極管整流并列運行的電路模型、備勵調(diào)壓器的調(diào)節(jié)特性2個方面出發(fā)，總結(jié)出了該電廠主、備勵切換異常的原因并給出了提高主、備勵切換可靠性的方法。通過技術(shù)改造，該廠的主、備勵切換可靠性得到了提高，避免了大型火電機組勵磁系統(tǒng)主、備勵切換過程中機組對系統(tǒng)無功、電壓、靜態(tài)穩(wěn)定性的沖擊，避免機組失磁事故的發(fā)生。

［1］邱關(guān)源.電路［M］.4 版.北京:高等教育出版社，2004.

［2］王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)［M］.5版.北京:機械工業(yè)出版社，2009.