火電廠勵磁均流性能影響因素與治理

聶振勇,楊 斌

（河北國華滄東發電廠,河北 滄州 061113）

隨著交流勵磁機和靜止整流勵磁系統的普遍應用,大功率硅整流元件（二極管和可控硅）的使用越來越廣泛。為提高勵磁系統可靠性,增加勵磁電源容量,一般均采用多柜并聯運行。多個功率單元并列運行時,由于各種因素導致各功率單元出力不一致,影響功率單元壽命和強勵效果,給系統的長期穩定運行帶來隱患。電力部行業標準DL/ T650—1998《大型汽輪發電機自并勵靜止勵磁系統技術條件》和DL/T583—1995《大中型水輪發電機靜止整流勵磁系統及裝置技術條件》規定：功率整流裝置的均流系數一般不小于0.85,而用戶往往要求均流系數不小于0.9[1,2]。

1 影響勵磁功率柜均流系數因素

5個整流橋并列運行勵磁系統主回路電氣原理如圖1所示。

1.1 交流側進線的影響

在勵磁柜設計、安裝過程中,并聯支路元器件與交流母線的距離都不相等,因此,交流母線的磁通對各支路電流分配所產生的影響也不等。母線的長短不一、刀閘的接觸電阻也有很大的不同。由于交流側的電阻、電感的影響,總體規律是電流分配與長度成反比。由于勵磁系統的自并勵方式,改變交流銅排電抗比較困難,而且造價高,因此,采用改變電阻的方式比較經濟和容易。

由于可控硅通態電阻比整流橋交、直流側電阻大,一般達到R1T/（R1a+R1d）≈15[3];當整流橋選擇的可控硅通態電流比較大,由于可控硅通態電阻下降,使兩者比值R1T/（R1a+R1d）≈4,那么交流側進線長度對均流的影響就較明顯。如果為了減小交流進線對均流的影響,在滿足整流橋出力要求下,可控硅通態電流的裕量不要選擇過大[4]。

對于交流側采用銅排互連的整流橋,由于其銅排呈阻性,即電阻遠大于電感,因此,可以通過改變銅排電阻達到均流的目的,如在銅排上刻槽、打孔,通過改變連接銅排接觸電阻改善均流。如果采用改變電感來均流,不僅要花費較多資金,而且加裝電抗器的體積[3]和磁滯損耗發熱比較大,因此不建議采用該方法。

圖1 5個整流橋并列運行勵磁系統主回路電氣原理圖

1.2 可控硅的影響

在多個可控硅元器件并聯時,盡管選用元器件的正向特性完全一致,但也無法達到良好的均流效果。因為多個元器件并聯時,受到元件、快熔等接觸電阻及外界因素的影響,電流出現差異,當某只整流元器件的電流（平均電流）減少時,其他整流元器件的電流將增加,以補償輸出電流的減少,將造成可控硅的門檻電壓壓降變化較大,直接影響輸出電流的分配。可控硅從觸發到完全導通需要滿足門檻電壓VT（TO）,因此,對于VT（TO）值大的可控硅,將滯后于VT（TO）值小的可控硅導通[5]。可控硅達到VT（TO）導通后,可控硅壓降將減小到VT。在整流橋可控硅排列中,需要優先選配可控硅門檻壓降,按照門檻電壓相近原則排列同橋臂可控硅[6]。可控硅通態電阻差異可以根據交直流側進出線長短平衡。如采用交流電纜作為進出線就是一種平衡可控硅通態電阻差異的方法,可控硅觸發時刻的差異也影響電流的分配,時間影響是至關重要的因素。硬件主要選擇特性相同的硅元件,個體差異越小越好。裝配時結構應對稱,如果不是銅排連接,交流進線的電纜長度也要盡量一致,可控硅的散熱效果要好。

1.3 脈沖處理回路的影響

脈沖回路可靠性對功率柜均流可靠性至關重要。脈沖處理回路的移相電阻、電容參數的變化,使移相特性不一致,導致功率柜支路觸發脈沖偏移較大,造成均流失衡[8,9],脈沖易受到電磁干擾,因此在調節器與功率柜距離較遠的系統中,需要設計脈沖變換回路,防止干擾放大,誤觸發可控硅。另外,脈沖單元的移相電阻變值、電容漏電,使移相特性改變,脈沖偏移較大,應采用高性能的脈沖變壓器,保證脈沖觸發前沿的一致性,保證觸發脈沖前沿陡峭,觸發脈沖電流要大,以達到均流的目的。通過微調觸發脈沖位置,使難以開通、通態壓降大、回路阻抗高的可控硅提前觸發,該方法適用于勵磁調節器對各功率柜分別產生觸發脈沖。

2 實例分析

國華黃驊發電廠一期工程勵磁調節系統于2004年投產,UNITROL5000勵磁系統功率柜配有完善的措施對整流橋各部分進行智能檢測和顯示。通過功率柜門的CDP可以了解功率柜的運行狀態。勵磁系統通過軟件實現功率柜的智能均流,現場試驗證明,在機組空載和負載運行情況下,5柜并聯運行時均流系數均保證在97%以上,任意一個整流橋退出時,其余4柜無需人工調整,自動保證均流系數在97%以上[7]。

國華黃驊發電廠二期工程2×660 MW機組采用南瑞電氣控制公司生產的自并勵磁系統,系統配置1臺發電機勵磁調節器、5臺可控硅整流裝置（單臺額定出力3 000 A）、1臺發電機滅磁裝置、1只滅磁電阻。3號機組勵磁系統已投入運行,3號機組額定勵磁電流為960 A,新系統自2006年開始兩功率柜輸出電流較不平衡,嚴重時A柜輸出300 A,B柜達600 A左右,均流問題急待解決。NARI脈沖驅動電路如圖2所示。

該工程勵磁系統配置裕度大,機組滿負荷運行時單臺可控硅整流裝置最大出力900 A,僅為其額定出力的1/3,因此均流系數沒有達到規范要求的0.85,不影響機組安全穩定運行,對機組的正常工況及事故工況沒有影響。交流進線柜位于5臺可控硅裝置的一側,是造成均流系數低的原因之一,但不是惟一的原因,因此,要求南瑞電氣控制公司進行以下工作。

a.在廠內完成5臺可控硅均流試驗,定量分析回路電阻對均流系統的影響。

圖2 NARI脈沖驅動回路

b.在廠內完成可控硅裝置溫升試驗、強勵試驗,確認勵磁系統的實際運行能力。

c.提供溫升試驗和強勵試驗大綱,供使用單位審核。

d.提供其他發電廠勵磁系統加磁環試驗記錄,驗證在交流母排加磁環方法對改善勵磁系統均流系數的效果。

e.考慮并提供在距離交流進線柜遠端的可控硅裝置母排并聯銅排解決均流問題的方案。

完成以上工作后,確定在1、2號功率柜交流進線處加裝磁環,改善3號機組勵磁系統均流系數。4號機勵磁系統將交流進線柜布置在5臺可控硅裝置中間,以改善均流系數,因此,請設計院考慮重新排列5臺可控硅裝置的可行性,實現4號機勵磁系統盤柜優化布置,改善4號機勵磁系統均流系數。加裝磁環前后各整流柜電流分配情況如表1所示,溫度、噪聲測量數據如表2所示。

表1 加裝磁環前后各整流柜電流對比A

表2 溫度/噪聲測量數據

3 結束語

a.盡量選用正向特性相近,且正向動態伏安特性一致的元器件。元器件損壞后,橋臂的元器件全部更換。

b.各并聯支路快熔電阻及其他接觸元器件盡可能一致。

c.推薦采用ABB公司的智能均流方法。均流是為了均功耗、均發熱,在整流元件容量裕度較大、運行工況點較低及整流器散熱能力足夠強時,可適當降低均流系數,只有設計裕量太小時才須“均流”。

[1] 冷增祥,徐以榮.電力電子學基礎[M].南京.東南大學出版社,1992.

[2] 李基成.現代同步發電機勵磁系統設計與應用[M].北京：中國電力出版社,2002.

[3] 許實章.電機學[M].北京：機械工業出版社,1981.

[4] 劉 取.電力系統穩定性及發電機勵磁控制[M].北京：中國電力出版社,2007.

[5] 陸繼明,毛承雄.同步發電機微機勵磁控制[M].北京：中國電力出版社,2006.

[6] 竺士章.發電機勵磁系統試驗[M].北京：中國電力出版社,2005.

[7] 方思立,朱 方.電力系統穩定器的原理及其應用[M].北京：中國電力出版社.1996.

[8] 周雙喜,李 丹.同步發電機數字式勵磁調節器[M].北京：中國電力出版社,1998.

[9] 李基成.現代同步發電機勵磁系統設計及應用[M].北京：中國電力出版社,2002.