岳永潤
(海南核電有限公司,海南昌江 572700)
二十世紀(jì)六十年代以前,由于簡單、可靠以及運(yùn)行只與發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)有關(guān),外部電網(wǎng)的干擾故障不會(huì)影響勵(lì)磁機(jī)的正常運(yùn)行,發(fā)電機(jī)大多采用同軸直流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁方式。但是其維修工作量巨大,檢修勵(lì)磁機(jī)的時(shí)候必須停機(jī)的缺點(diǎn)限制了直流勵(lì)磁機(jī)的發(fā)展。后來,隨著勵(lì)磁系統(tǒng)的發(fā)展,硅整流元件在勵(lì)磁系統(tǒng)的大量引用,整流器和同軸交流勵(lì)磁機(jī)逐漸進(jìn)入人們的視界并逐步取代直流勵(lì)磁機(jī)。但是由于可控硅元件電流電壓定額的局限性,在出現(xiàn)初期并沒有大規(guī)模采用他勵(lì)式可控硅靜止勵(lì)磁系統(tǒng),該方式只有被應(yīng)用于三機(jī)交流整流勵(lì)磁系統(tǒng)主勵(lì)磁機(jī)。七十年代中期,無刷勵(lì)磁裝置研制成功,諧波勵(lì)磁系統(tǒng)以及雙繞組電抗分流勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)在我國中小型發(fā)電機(jī)的領(lǐng)域相繼投入使用(由于諧波繞組和主繞組絕緣困難,制造工藝復(fù)雜,只適用于中小電機(jī))。
在很長的一段時(shí)間內(nèi),發(fā)電機(jī)自并勵(lì)方案并不被人們所接受:其故障時(shí)沒有足夠的短路電流,不能保障繼電保護(hù)的正確動(dòng)作,而且無強(qiáng)勵(lì)能力等缺點(diǎn)也一直被人們所詬病。但是自并勵(lì)方案動(dòng)作響應(yīng)快,只要適當(dāng)提高強(qiáng)勵(lì)倍數(shù),缺點(diǎn)是可以克服的。隨著技術(shù)的完善,自并勵(lì)的勵(lì)磁方式已經(jīng)應(yīng)用在我國大部分電廠。除了自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)以外,無刷勵(lì)磁系統(tǒng)因?yàn)闆]有電刷,可以免維護(hù)、避免電刷可能產(chǎn)生的火花造成爆炸等危險(xiǎn),有利于延長使用壽命等,應(yīng)用在很多無人電站。
2.1.1 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的作用
發(fā)電機(jī)是通過磁場將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的,而實(shí)現(xiàn)的方式之一便是勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)。電廠發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí),核能、熱能、水、風(fēng)等形式產(chǎn)生的機(jī)械能使汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn),從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子通過勵(lì)磁系統(tǒng)建立轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場,在定子內(nèi)產(chǎn)生感生電流,從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,達(dá)到發(fā)電的目的。在這個(gè)過程中,勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)并穩(wěn)定在額定電壓的核心:在電廠與電網(wǎng)并網(wǎng)前,勵(lì)磁系統(tǒng)通過自身功能調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)同步所需的空載電壓,并網(wǎng)后勵(lì)磁系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)與電網(wǎng)交換的無功功率。所以,維持發(fā)電機(jī)額定電壓是勵(lì)磁控制系統(tǒng)最主要的任務(wù)。
(1)通過勵(lì)磁系統(tǒng)來保證電網(wǎng)的運(yùn)行安全。城市電網(wǎng)的電力運(yùn)行設(shè)備都有額定電壓和最高電壓,只有保證電廠發(fā)電機(jī)的額定電壓才可能實(shí)現(xiàn)電廠及城市電網(wǎng)的電力運(yùn)行設(shè)備安全運(yùn)行。電網(wǎng)運(yùn)行過程中常常會(huì)受到各種故障或擾動(dòng),勵(lì)磁系統(tǒng)必須在靜態(tài)下或在大擾動(dòng)后的穩(wěn)態(tài)下依然保證發(fā)電機(jī)電壓在給定的容許水平上,從而實(shí)現(xiàn)其安全功能。
(2)保證發(fā)電機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。發(fā)電機(jī)在額定電壓運(yùn)行時(shí)具有最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性。如果勵(lì)磁系統(tǒng)故障導(dǎo)致發(fā)電機(jī)額定電壓下降,不僅會(huì)使定子電流增加、損耗增加,還有可能成為電廠安全運(yùn)行的巨大隱患。
(3)勵(lì)磁控制系統(tǒng)通過對發(fā)電機(jī)額定電壓的調(diào)節(jié)控制,能夠顯著改善電網(wǎng)電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定,并且是最為簡單、經(jīng)濟(jì)有效的方式。
2.1.2 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁和電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理
(1)主發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流和電壓反饋給數(shù)字式自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器。
(2)發(fā)電機(jī)機(jī)端自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)通過勵(lì)磁變壓器從發(fā)電機(jī)自身獲得勵(lì)磁電源,經(jīng)整流后再供應(yīng)其自身勵(lì)磁。
(3)數(shù)字式自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器以手動(dòng)或自動(dòng)控制使發(fā)電機(jī)端電壓保持為20 kV。
(1)直流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)。應(yīng)用于二十世紀(jì)七十年代以前,優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、體積小且勵(lì)磁電源可靠,不受電力系統(tǒng)電壓波動(dòng)的影響,控制簡便、運(yùn)行可靠性高。
(2)交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)。交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生于二十世紀(jì)八九十年代,由于直流勵(lì)磁機(jī)械制造容量有限,大型機(jī)組普遍采用交流勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)。
(3)無刷勵(lì)磁系統(tǒng)。用于勵(lì)磁電流大(6000 A以上)的超大型機(jī)組。無刷勵(lì)磁系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)明顯,不需要滑環(huán)、電刷等轉(zhuǎn)動(dòng)接觸元件,從而大大減少機(jī)組維護(hù)的工作量,提高設(shè)備運(yùn)行可靠性。但是旋轉(zhuǎn)半導(dǎo)體的無刷勵(lì)磁方式對硅元件的可靠性要求較高,以往的滅磁裝置在無刷勵(lì)磁系統(tǒng)中并不適用。
(4)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)。圖1為自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的接線方式,通過一臺接在機(jī)端的勵(lì)磁變壓器作為勵(lì)磁電源,由可控硅整流裝置直接控制發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁。優(yōu)點(diǎn)是:勵(lì)磁變壓器放置自由,縮短了機(jī)組的長度,勵(lì)磁調(diào)節(jié)速度快,設(shè)備和接線比較簡單,具有較高的可靠性,造價(jià)低。
圖1 自并勵(lì)磁接線原理
(1)勵(lì)磁變壓器。勵(lì)磁變壓器的作用是將高電壓隔離并轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)牡碗妷?,供整流器使用。一般接線組別為Y/d-11,其額定容量要滿足發(fā)電機(jī)1.1倍額定勵(lì)磁電流的要求。同時(shí),勵(lì)磁變的二次電壓的大小要滿足勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)勵(lì)的要求,絕緣等級為F級或H級,額定最大溫升為80 K或100 K。
(2)可控硅整流橋??煽毓枵鳂虻倪\(yùn)行方式是通過采用三相全控可控硅整流橋來實(shí)現(xiàn)把交流電轉(zhuǎn)換為可控的直流電,為發(fā)電機(jī)提供所需要的勵(lì)磁電流。
(3)滅磁系統(tǒng)。轉(zhuǎn)子電感是大的儲能元件,電感中的電流是不能突變的。快速把轉(zhuǎn)子電感中儲存的大電流釋放以保證發(fā)電機(jī)安全的過程被稱為滅磁。
(4)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制的運(yùn)行方式有自動(dòng)方式和手動(dòng)方式兩種,前者是勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制的主要運(yùn)行方式,由兩部分組成,分別是AVR(自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器)及PSS(電力系統(tǒng)穩(wěn)定器)附加控制。后者為勵(lì)磁電流負(fù)反饋閉環(huán)控制,用于維持勵(lì)磁電流恒定、穩(wěn)定。在發(fā)電機(jī)端PT回路出現(xiàn)故障、自動(dòng)方式采集的機(jī)端電壓出現(xiàn)異常情況時(shí),勵(lì)磁調(diào)節(jié)器自動(dòng)切換為手動(dòng)方式運(yùn)行,防止勵(lì)磁系統(tǒng)出現(xiàn)誤強(qiáng)勵(lì)。
其中,AVR為機(jī)端電壓負(fù)反饋閉環(huán)控制,實(shí)現(xiàn)機(jī)端電壓穩(wěn)定。為使勵(lì)磁系統(tǒng)有良好的靜、動(dòng)態(tài)性能,AVR可采用兩級超前—滯后校正環(huán)節(jié)。PSS做為AVR的附加控制,用于增加電力系統(tǒng)的正阻尼,從而抑制電力系統(tǒng)有功低頻振蕩。它不降低勵(lì)磁系統(tǒng)AVR調(diào)節(jié)的增益,不影響勵(lì)磁控制系統(tǒng)的暫態(tài)性能。Kavr關(guān)系到發(fā)電機(jī)端電壓的調(diào)節(jié)精度,在保證AVR閉環(huán)調(diào)節(jié)穩(wěn)定的前提下,Kavr越大機(jī)端電壓的調(diào)節(jié)精度越高、機(jī)端電壓越恒定。超前—滯后環(huán)節(jié)的參數(shù)整定,保證AVR閉環(huán)控制穩(wěn)定,并有良好的動(dòng)態(tài)特性。
國內(nèi)某電廠一、二號機(jī)組發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)為機(jī)端自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng),該系統(tǒng)分別由連接在發(fā)電機(jī)端的勵(lì)磁變壓器、自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器(AVR)、整流橋、滅磁及過電壓保護(hù)裝置、起勵(lì)裝置及其他的輔助測量、保護(hù)及報(bào)警裝置組成。其勵(lì)磁變壓器采用容量為7200 kV·A,變比20 kV/1000 V,接線形式為Dy11的三相干式變壓器;AVR采用數(shù)字微機(jī)型。
該電廠勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁電源取自發(fā)電機(jī)機(jī)端。起勵(lì)開始時(shí),發(fā)電機(jī)的起勵(lì)能量來自發(fā)電機(jī)殘壓。當(dāng)可控硅的輸入電壓升到10~20 V時(shí),可控硅整流橋和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器就能夠投入正常工作,由AVR控制完成軟起勵(lì)過程。如果因長期停機(jī)等原因造成發(fā)電機(jī)的殘壓不能滿足起勵(lì)要求時(shí),則可以采用380 VDC電源起勵(lì)方式,當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓上升到規(guī)定值時(shí)起勵(lì)回路自動(dòng)脫開,然后可控硅整流橋和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器投入正常工作,由AVR控制完成軟起勵(lì)過程。并網(wǎng)后,勵(lì)磁系統(tǒng)工作于AVR方式,調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的端電壓和無功功率,或工作于疊加調(diào)節(jié)方式。
3.2.1 總體配置
該電廠勵(lì)磁系統(tǒng)分別由自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、可控硅整流橋、滅磁回路及轉(zhuǎn)子過壓保護(hù)裝置、起勵(lì)裝置等組成,勵(lì)磁電源引自發(fā)電機(jī)機(jī)端,經(jīng)勵(lì)磁變降壓后供給可控硅整流,然后經(jīng)滅磁開關(guān)送至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子,系統(tǒng)內(nèi)部通信全部采用光纖通信(圖2)。勵(lì)磁系統(tǒng)共配置8面柜子,其中1面調(diào)節(jié)器柜,1面滅磁及過壓保護(hù)柜,5面功率柜,1面交流進(jìn)線柜。
圖2 勵(lì)磁系統(tǒng)配置
3.2.2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器
勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)器共配置3個(gè)調(diào)節(jié)通道,通道1和通道2為兩個(gè)冗余的自動(dòng)通道,通道3為備用手動(dòng)通道。通道1和通道2均可運(yùn)行于自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)模式和勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)模式,通道3的運(yùn)行模式僅為FCR。
正常運(yùn)行時(shí),只有一個(gè)自動(dòng)通道運(yùn)行于AVR,另一個(gè)自動(dòng)通道和備用通道均為熱備用,當(dāng)在線AVR故障時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)切換到另一個(gè)通道的AVR模式,若兩個(gè)通道均故障,系統(tǒng)自動(dòng)切換到在線通道的FCR,當(dāng)兩個(gè)自動(dòng)通道的AVR和FCR均故障,則切換到備用通道FCR。通道之間采用光纖連接進(jìn)行通信。經(jīng)過4次切換后備用通道再故障,出口跳閘(圖3)。
圖3 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器工作原理
3.2.3 功率整流柜
N-1配置是按照當(dāng)其中一個(gè)功率柜故障退出后其余功率柜的容量還能滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行。1+1雙冗余配置是兩套完全冗余的功率柜,即100%冷備用。該電廠勵(lì)磁系統(tǒng)功率柜采用N-1配置,發(fā)電機(jī)額定電流為4487 A,共配置5個(gè)UNL13300型三相全控整流橋,單個(gè)整流橋最大輸出電流為2400 A。每個(gè)整流橋包含6個(gè)可控硅、6個(gè)快速熔斷器、交流側(cè)過壓保護(hù)裝置,互為備用的2個(gè)冷卻風(fēng)機(jī):正常運(yùn)行時(shí),5個(gè)功率柜同時(shí)投入運(yùn)行,自動(dòng)均流;當(dāng)其中一個(gè)故障時(shí)自動(dòng)退出后,其余4個(gè)整流橋可以平穩(wěn)地承載負(fù)荷并滿足勵(lì)磁系統(tǒng)正常運(yùn)行要求(包括強(qiáng)勵(lì)要求);當(dāng)兩個(gè)退出后,其余仍可滿足1.1倍額定勵(lì)磁電流長期運(yùn)行,但不能進(jìn)行強(qiáng)勵(lì)。
3.2.4 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器
電力系統(tǒng)穩(wěn)定器是UNITORL6800測量單元板MUB的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)軟件功能。通過引入附加反饋信號來抑制同步發(fā)電機(jī)的低頻振蕩,提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。其控制算法基于雙輸入型的PSS模型,附加反饋信號為機(jī)組的加速功率信號,由電功率信號和轉(zhuǎn)子角頻率信號綜合而成。
發(fā)電機(jī)的有功功率達(dá)到某一設(shè)定值時(shí),就可以手動(dòng)投入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器,發(fā)電機(jī)電壓則被限制在設(shè)置的給定范圍內(nèi)。PSS可以在任意時(shí)間手動(dòng)退出,如果發(fā)電機(jī)有功功率及電壓超出設(shè)定值或與電網(wǎng)解列,PSS將自動(dòng)退出。
3.2.5 滅磁及轉(zhuǎn)子過壓保護(hù)裝置
其作用是在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)抑制轉(zhuǎn)子過電壓以保護(hù)發(fā)電機(jī),在機(jī)組正常停機(jī)或發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障停機(jī)時(shí),快速減小勵(lì)磁并消耗發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子所儲磁場能量。根據(jù)滅磁開關(guān)安裝的位置可分為交流滅磁開關(guān)和直流滅磁開關(guān)。
正常停機(jī)時(shí),采用逆變滅磁,通過控制可控硅觸發(fā)角使其工作在逆變狀態(tài),將轉(zhuǎn)子磁場能量反饋到交流側(cè);逆變結(jié)束后直流滅磁開關(guān)斷開,跨界器導(dǎo)通將非線性電阻接入轉(zhuǎn)子回路;發(fā)生事故時(shí)滅磁開關(guān)跳開,同時(shí)跨界器觸發(fā)導(dǎo)通,將非線性滅磁電阻接入轉(zhuǎn)子回路進(jìn)行滅磁。機(jī)組運(yùn)行過程中,當(dāng)轉(zhuǎn)子回路出現(xiàn)過電壓時(shí),跨接器觸發(fā)導(dǎo)通將非線性電阻接入轉(zhuǎn)子回路,保護(hù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組,當(dāng)過電壓保護(hù)回路電流大于回路中的電流繼電器整定值,繼電器動(dòng)作將啟動(dòng)滅磁開關(guān)跳閘,從而保護(hù)勵(lì)磁系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)免受過電壓損壞。
2015年10月21日,×××電廠2號機(jī)組處于RP模式:12:02,機(jī)組因發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地檢測電刷故障,主控出現(xiàn)2GPA631KA發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地報(bào)警;15:45,觸發(fā)勵(lì)磁系統(tǒng)故障報(bào)警,汽輪發(fā)電機(jī)組跳閘,15 min后,1號SG高高水位加P7停堆。
事件后分析,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地檢測電刷存在卡澀,無法正常復(fù)位,致使裝置測量出接地電阻小于動(dòng)作閾值,引發(fā)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)繼電器215XZ接地二段保護(hù)動(dòng)作,觸發(fā)勵(lì)磁系統(tǒng)故障保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)。2號機(jī)組轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置采用疊加交流電壓式原理設(shè)計(jì)而成,通過對負(fù)極電刷注入40 V交流電壓,經(jīng)過測量回路電流,計(jì)算接地電阻,低于4 kΩ報(bào)警,低于2 kΩ跳機(jī)。停機(jī)后檢測發(fā)現(xiàn),電刷臟污并卡澀,這樣電刷和滑環(huán)之間的接觸電阻會(huì)影響接地電阻測量的準(zhǔn)確性,使保護(hù)裝置測算到接地電阻小于2 kΩ,導(dǎo)致汽機(jī)跳機(jī)。
2003年2月8日,×××電廠2號機(jī)小修后沖轉(zhuǎn)并網(wǎng),沖至2400 r/min,勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器自動(dòng)零起升壓,發(fā)電機(jī)出口電壓瞬間升至31 kV,又瞬間回到9.6 kV,然后電壓穩(wěn)定在9.6 kV。勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)器A通道跳閘,B通道跳手動(dòng)。運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)電壓異常后,將汽機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在2750 r/min,15 min后汽機(jī)手動(dòng)打閘滅磁。
對原因分析如下:發(fā)電機(jī)端電壓升高可能是AVR電壓環(huán)節(jié)故障,相位超前放大器的祖容反饋電路或微分反饋電路沒有調(diào)好,使自動(dòng)控制回路的響應(yīng)因初始變化而出現(xiàn)過校正,在發(fā)電機(jī)零起升壓過程中引起強(qiáng)勵(lì)和超調(diào);AVR在零起升壓瞬變條件下,由于高電流需求量原因,引起自動(dòng)信號飽和,使AVR總輸出電流限制到350 A,并且由于通道電流不平衡,A通道電流大于237 A,過勵(lì)保護(hù)動(dòng)作,A通道0.6 s后跳閘;此時(shí)全部電流由B通道提供,過勵(lì)保護(hù)動(dòng)作,2 s后跳至手動(dòng),在B通道跳至手動(dòng)后,保持最小勵(lì)磁電流,發(fā)電機(jī)端電壓一直維持在9.6 kV。
勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)是電廠同步發(fā)電機(jī)的重要組成部分,通過勵(lì)磁系統(tǒng)向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供一個(gè)可調(diào)節(jié)的直流勵(lì)磁電源,從而控制發(fā)電機(jī)定子機(jī)端電壓,滿足發(fā)電機(jī)需要。勵(lì)磁系統(tǒng)從最早的同軸直流勵(lì)磁機(jī)發(fā)展到自并勵(lì)靜止勵(lì)磁方式,其設(shè)備已不斷完善,但在近年核電站應(yīng)用中,由于勵(lì)磁故障導(dǎo)致停機(jī)事件也屢見不鮮。本文通過對勵(lì)磁機(jī)基礎(chǔ)知識的介紹,并對歷年勵(lì)磁機(jī)經(jīng)驗(yàn)反饋學(xué)習(xí),希望能對大家有所幫助。