火電廠勵磁系統主、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.廣州艾博電力設計院公司，廣東 廣州 510080)

1 系統概況

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。該電廠發電機為哈爾濱電機有限公司的QFSN－300－2發電機，勵磁系統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，一路經主勵交流開關41E為自動電壓調節(AVR)可控硅整流裝置供電。另一路經感應調壓器和隔離變壓器以及備勵直流開關2ZKK為二極管整流裝置供電。副勵磁機輸出經整流后為主勵磁機提供勵磁電流，主勵磁機輸出100 Hz交流經三組三相二極管橋式整流裝置整流后為發電機提供勵磁。主勵采用的勵磁調節器是南瑞電氣控制公司SAVR－2000勵磁調節器。備勵采用感應調壓器來調節發電機勵磁，控制方式是“人－機”開環方式。在正常運行時，由AVR主勵實現對極端電壓的閉環控制以及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極端電壓和系統無功需求手動調節勵磁［1］。系統一次接線如圖1所示。

2 勵磁系統轉換過程的異常情況

2.1 備勵切主勵導致失磁

圖1 系統一次接線圖

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失靈等原因經歷過幾十次勵磁系統主、備勵切換。該廠采用的主、備勵切換方式是并列式(轉移負荷法)，在主、備勵的直流輸出并列、解列瞬間多次出現無功波動大、發電機失磁報警甚至發電機失磁保護動作跳機、發電機轉進相運行等異常現象和事故。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，投入微機勵磁調節系統的補償開關2KK［1］，在無功負荷為 78.0 MV·A 時，手動切開備勵開關“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2ZKK，同時按“備勵增磁”按鈕，但發電機失磁保護已動作，機組主開關及41E，滅磁(FMK)開關跳閘，并聯跳機、爐。

2.2 備勵切主勵導致無功大波動

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)，備勵調至最低輸出后，投入微機勵磁調節系統的補償開關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DCS(Distributed Control System)上“主勵減磁”按鈕，發現無功沒有減小，作者認為在此情況下斷開41E開關最保險，值班員隨后斷開41E開關，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，經值班員迅速減備勵輸出才恢復正常。

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電機空載試驗和勵磁系統特性試驗。在發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，繼續點擊“備勵減磁”按鈕，點擊2下后機端電壓突升至23.75 kV，“發電機過激磁”聲光報警出，值班員迅速切開FMK開關。

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壓器T1和隔離變壓器T2電壓的幅值和相位發生了變化。

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，不影響結論):假設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導通的相別可能為(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為調壓器變比，取值范圍為0～1;θm為隨調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套整流裝置的內部將出現相間環流、同相的并聯回路環流，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章節中的無功突升就是因為主勵減勵磁時觸發角α增大，使得2套整流裝置的環流過大、輸出給主勵磁機的勵磁電流銳減。

3.2 備勵調壓器的調節方向跳變

該廠的備勵調壓器作用于調節二極管整流裝置的交流輸入，從而調節備勵的直流輸出。備勵調壓裝置是由調壓電機、減速裝置、限位裝置和自耦變壓器組成。從備勵調壓器最低輸出位至最高輸出位為180°角調節區域，0°和180°處分別設有限位開關。限位開關的作用是在0°和180°的兩極處切開調壓電機的接觸器以防止其轉到180°～360°的區域。一旦限位開關失靈，在0°附近(備勵最低輸出)繼續按減磁按鈕就會使自耦變壓器的觸頭移至最大輸出處，出現本文第2.3章節中的過激磁甚至過電壓現象。在本文第2.1章節中，事故的原因是在升主勵、減備勵至最低過程中，備勵的調壓器出現調節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，最終由欠勵發展為失磁事故。

4 解決方法

4.1 監視整流裝置環流的措施

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套整流裝置的內部出現相間環流和同相的并聯回路環流，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帶極性的直流分流器用來監視并列運行的2套整流裝置的直流輸出大小和極性，如圖1所示。這樣，可有效監視2套整流裝置間的環流，為值班員正確倒勵磁負荷、切換勵磁裝置提供參考。

4.2 監視整流裝置環流的措施

為了防止備勵調壓器出現調節方向的跳變，在2010年度4臺機組輪修時，在備勵調壓器的0°和180°處分別增設1個限位開關，2個限位開關全部采用歐姆龍的D4A系列小型重載開關，2個限位開關的輸出并聯來作用于調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致的備勵調壓器調節方向跳變。

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視到了2套整流裝置間不穩定的環流并依據環流進行了調整，實現了小擾動切換。從2010年改造至今，該廠4臺次機組檢修后，進行了勵磁系統試驗、空載試驗的備勵升/降壓，沒有出現過備勵過調現象。

5 結論

本文通過對廣州某電廠勵磁系統主、備勵切換出現異常現象和事故的分析，從可控硅整流和二極管整流并列運行的電路模型、備勵調壓器的調節特性2個方面出發，總結出了該電廠主、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主、備勵切換過程中機組對系統無功、電壓、靜態穩定性的沖擊，避免機組失磁事故的發生。

［1］邱關源.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［M］.5版.北京:機械工業出版社，2009.