蒲石河抽水蓄能電站靜止變頻器調(diào)試分析

呂鵬飛，潘立剛，李忠崴

（遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118216）

蒲石河抽水蓄能電站位于遼寧省丹東市寬甸滿族自治縣境內(nèi)，總裝機(jī)容量4×300 MW。設(shè)置一套靜止變頻器SFC(Static Frequency Convertor)，由法國CONVERTEAM公司提供。為獲取較高的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，機(jī)組抽水方向啟動(dòng)方式首選為SFC啟動(dòng)，備用為背靠背啟動(dòng)。SFC拖動(dòng)可逆式機(jī)組作為同步電機(jī)運(yùn)行，啟動(dòng)平穩(wěn)、迅速可靠、成功率高、維護(hù)量小且自診斷能力強(qiáng)。本文結(jié)合蒲石河抽水蓄能電站工程實(shí)例，介紹了SFC系統(tǒng)調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題以及解決辦法。

1 SFC系統(tǒng)調(diào)試問題分析

SFC系統(tǒng)是抽水蓄能電站中比較重要的控制系統(tǒng)，與其他系統(tǒng)相比，它既具有電氣一次系統(tǒng)的高電壓、大電流等特點(diǎn)，也具有電氣二次系統(tǒng)的多輸入輸出，控制調(diào)節(jié)復(fù)雜等特點(diǎn)。目前國內(nèi)還沒有形成一套成熟的關(guān)于SFC系統(tǒng)調(diào)試和應(yīng)用的導(dǎo)則和規(guī)范，電站一般根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的調(diào)試程序進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試。調(diào)試程序分靜態(tài)調(diào)試和動(dòng)態(tài)調(diào)試兩個(gè)階段。靜態(tài)調(diào)試中主要包括SFC系統(tǒng)內(nèi)部輸入輸出量的測(cè)試，SFC系統(tǒng)與其他系統(tǒng)間的通信測(cè)試；動(dòng)態(tài)調(diào)試主要包括軸線啟動(dòng)、電動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速試驗(yàn)、電動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速試驗(yàn)、同期并網(wǎng)試驗(yàn)等。

2 SFC緊急停止

SFC啟動(dòng)過程中，在發(fā)變組保護(hù)動(dòng)作后，原設(shè)計(jì)通過監(jiān)控系統(tǒng)發(fā) “緊急停止”信號(hào)停SFC，但實(shí)際調(diào)試過程中存在保護(hù)直接發(fā)跳閘信號(hào)至輸入輸出開關(guān)的問題。

SFC正常啟動(dòng)機(jī)組過程中，輸入開關(guān)以及輸出開關(guān)處各變量變化情況如圖1、2所示。在輸入開關(guān)處，啟動(dòng)初期網(wǎng)橋觸發(fā)角較大，啟動(dòng)電流逐漸上升，很快便進(jìn)入平穩(wěn)階段。隨后，頻率、電壓和電流都基本保持不變。故緊急跳閘情況下，若開關(guān)遮斷容量和分閘時(shí)間皆滿足相應(yīng)要求，則輸入開關(guān)能可靠拉開故障電流。在輸出開關(guān)處，低頻階段輸出變壓器被旁路，輸出電壓較低，頻率較低，啟動(dòng)電流較大，且直流分量較大。若此時(shí)發(fā)生故障，直接拉開輸出斷路器，則很可能造成直流拉弧開關(guān)損壞。高頻階段時(shí)，雖然輸出變壓器已正常工作，輸出電壓有所提升，但頻率仍較低，啟動(dòng)電流中會(huì)存在大量的直流分量，若此時(shí)跳閘同樣會(huì)導(dǎo)致開關(guān)的損壞。

圖1 啟動(dòng)過程中輸入開關(guān)處各變量變化情況

圖2 啟動(dòng)過程中輸出開關(guān)處各變量變化情況

若未發(fā) “緊急停止”信號(hào)至SFC，而直接跳開斷路器意味著在SFC脈沖未被關(guān)斷的情況下，依靠斷路器切斷啟動(dòng)回路電流，一方面易導(dǎo)致SFC直流電抗器中的能量因無法釋放而產(chǎn)生過電壓擊穿晶閘管，另一方面低頻情況下拉開斷路器也容易產(chǎn)生瞬時(shí)過電壓，拉弧損壞斷路器。

因此，蒲石河電站將實(shí)際流程關(guān)系修改為：先通過監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送 “緊急停止”信號(hào)至SFC，待SFC關(guān)斷所有觸發(fā)脈沖后，由SFC發(fā)出斷路器的分閘信號(hào)，嚴(yán)禁SFC啟動(dòng)機(jī)組過程中保護(hù)直接跳輸出斷路器。

3 SFC接地故障

在SFC正常啟動(dòng)過程中，變頻器輸入端和輸出端均會(huì)出現(xiàn)較高的直流電壓差以及3倍工頻的交流電壓差，它們會(huì)通過中性點(diǎn)接地的輸入變壓器、輸出變壓器、電壓互感器以及電動(dòng)機(jī)本身的中性點(diǎn)等形成交直流環(huán)流。

蒲石河電站在SFC調(diào)試過程中曾多次出現(xiàn)“SFC Ground Fault”接地故障跳閘，同時(shí)，定子100%接地保護(hù)測(cè)值過低也發(fā)出跳閘信號(hào)。通過對(duì)啟動(dòng)回路中所有中性點(diǎn)接地的變壓器、電壓互感器、測(cè)量卡件的詳細(xì)排查，發(fā)現(xiàn)輸入變壓器為中性點(diǎn)直接接地，輸出變壓器為中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地，同時(shí)存在的2個(gè)接地點(diǎn)，使3倍工頻的交流電與直流電形成環(huán)流，導(dǎo)致越限跳閘。拆除輸入變壓器中性點(diǎn)接地線后，經(jīng)再次試驗(yàn)，結(jié)果一切正常。

因此，SFC輸入變壓器中性點(diǎn)應(yīng)采取不接地運(yùn)行方式，而輸出變壓器應(yīng)采取經(jīng)電阻接地運(yùn)行方式，這樣可以隔離直流回路和三倍工頻交流電回路，消除接地故障跳閘隱患。

4 SFC、勵(lì)磁、監(jiān)控系統(tǒng)間的配合

在整個(gè)機(jī)組啟動(dòng)過程中，監(jiān)控系統(tǒng)起到發(fā)令和各設(shè)備間信號(hào)傳遞與判斷的作用。勵(lì)磁系統(tǒng)一方面為轉(zhuǎn)子繞組提供勵(lì)磁電流，建立主極磁場，另一方面與SFC配合，以測(cè)量轉(zhuǎn)子初始位置。上述3者配合之間的任何1個(gè)信號(hào)的延遲或配合出現(xiàn)問題都將導(dǎo)致啟動(dòng)失敗。

在機(jī)組啟動(dòng)初期，SFC、勵(lì)磁、監(jiān)控3個(gè)系統(tǒng)之間的信號(hào)傳遞要求嚴(yán)格分開時(shí)間次序。首先，由監(jiān)控系統(tǒng)發(fā) “Power On”令至SFC，SFC在收到命令以后，啟動(dòng)輔助設(shè)備，待輔助設(shè)備啟動(dòng)正常無故障后向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出 “SFC Ready”反饋信號(hào)。然后，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送 “SFC Mode”令至勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，發(fā)送 “Unit*Selection”信號(hào)至SFC。勵(lì)磁系統(tǒng)在收到命令以后，選擇工作模式為 “SFC Mode”，并發(fā)送反饋信號(hào)至監(jiān)控系統(tǒng)。

SFC收到信號(hào)后向相應(yīng)機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)出“Excitation Released”投入勵(lì)磁的請(qǐng)求信號(hào)，勵(lì)磁系統(tǒng)收到信號(hào)后即合上磁場開關(guān)。SFC收到磁場開關(guān)合閘信號(hào)后開始測(cè)量轉(zhuǎn)子初始位置，進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)。在此階段，勵(lì)磁系統(tǒng)和SFC系統(tǒng)一方面需要精確的時(shí)間配合來保證磁場的建立和SFC檢測(cè)程序之間的時(shí)序同步，另一方面還需要?jiǎng)?lì)磁系統(tǒng)保持電機(jī)的磁通恒定以便SFC實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)。

在機(jī)組頻率達(dá)到5 Hz時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)向SFC發(fā)出“f＞5 Hz”信號(hào)，SFC系統(tǒng)根據(jù)此信號(hào)進(jìn)行輸出刀閘的切換。在機(jī)組轉(zhuǎn)速大于99%額定轉(zhuǎn)速以后，SFC進(jìn)入同期模式，根據(jù)同期裝置發(fā)出的增速 “Faster”或減速 “Slower”命令來調(diào)整機(jī)組轉(zhuǎn)速，直至機(jī)組并網(wǎng)。在收到機(jī)組出口開關(guān)GCB合閘信號(hào)后，SFC閉鎖相關(guān)的觸發(fā)脈沖，分開輸入輸出開關(guān)，啟動(dòng)完成。

5 SFC與發(fā)變組保護(hù)間的配合

SFC拖動(dòng)機(jī)組在低速運(yùn)行模式，以及從低速切換到高速運(yùn)行過程中，發(fā)電電動(dòng)機(jī)的電壓、電流中會(huì)含有大量的高次諧波分量，這些諧波分量的存在將影響到互感器測(cè)量回路的電壓電流，進(jìn)而影響保護(hù)裝置的測(cè)頻、測(cè)壓、測(cè)流模塊，有可能導(dǎo)致發(fā)變組保護(hù)的誤動(dòng)。在設(shè)計(jì)和設(shè)備選型階段需考慮低頻運(yùn)行和高次諧波對(duì)關(guān)聯(lián)設(shè)備的影響，防止啟動(dòng)過程中保護(hù)誤動(dòng)。SFC功率電子控制器在機(jī)組啟動(dòng)過程中會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)啟動(dòng)回路上的電壓、電流、頻率，內(nèi)部設(shè)有變壓器差動(dòng)保護(hù)，機(jī)組的過速保護(hù)，機(jī)橋網(wǎng)橋的過流保護(hù)、差壓保護(hù)、低壓保護(hù)、過壓保護(hù)、接地保護(hù)等。以上保護(hù)與機(jī)組的保護(hù)存在功能重復(fù)，區(qū)域重疊現(xiàn)象，不同的保護(hù)定值和延時(shí)也同樣可能造成保護(hù)誤動(dòng)，啟動(dòng)失敗。

6 SFC系統(tǒng)冷卻水溫度過低問題

蒲石河電站SFC系統(tǒng)安裝于地下GIS室，室內(nèi)空間較大，且位于地下廠房，室溫較低，加之冬季來臨，調(diào)試期間地下GIS室室溫接近0℃，內(nèi)冷卻去離子水溫度最低達(dá)到5℃，遠(yuǎn)低于晶閘管正常運(yùn)行溫度20℃。當(dāng)去離子水水溫達(dá)到0℃時(shí)，去離子水將凝結(jié)，極易導(dǎo)致晶閘管堆和冷卻水管路的損壞。另外，控制盤柜工作環(huán)境溫度過低也容易導(dǎo)致卡件不能正常工作。因此，在電站設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮增加一定的溫控措施來提高SFC工作環(huán)境溫度，或?yàn)镾FC系統(tǒng)設(shè)置單獨(dú)工作空間以免外部溫度變化對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。對(duì)于冬季溫度較低的地區(qū)建設(shè)抽水蓄能電站，應(yīng)注重溫度因素對(duì)SFC設(shè)備安全可靠運(yùn)行的影響，采取措施避免低溫運(yùn)行。

7 SFC系統(tǒng)安裝期間絕緣過低問題

蒲石河電站SFC系統(tǒng)在安裝期間，輸入開關(guān)母線及電纜設(shè)備曾多次出現(xiàn)絕緣過低問題。調(diào)試初期，輸入開關(guān)母線絕緣電阻最低值達(dá)0.9 MΩ，輸入開關(guān)至輸入變壓器電纜絕緣電阻最低達(dá)3 MΩ。對(duì)絕緣電阻較低部分進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，輸入開關(guān)母線積塵較嚴(yán)重，且嚴(yán)重受潮。清理母排積塵并對(duì)受潮部位進(jìn)行烘烤加熱后，絕緣電阻上升超過20 MΩ。由此分析，SFC系統(tǒng)在安裝過程中部分元件受安裝環(huán)境影響較大，系統(tǒng)絕緣降低很有可能導(dǎo)致放電和短路而損壞設(shè)備。

所以，SFC系統(tǒng)安裝期間應(yīng)嚴(yán)格按照要求進(jìn)行組裝，尤其注意對(duì)易受潮、易積塵部位進(jìn)行必要的成品保護(hù)。另外，在安裝期間施工單位應(yīng)注意絕緣電阻的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，嚴(yán)格履行施工單位三級(jí)驗(yàn)收制度以及監(jiān)理旁站監(jiān)督制度，確保安裝質(zhì)量和設(shè)備安全。

8 SFC系統(tǒng)安裝調(diào)試對(duì)蓄能電站首臺(tái)機(jī)組投運(yùn)的影響

一般情況下抽水蓄能電站上、下庫徑流及天然來水總量可以滿足電站蓄水的要求，但個(gè)別抽水蓄能電站的上水庫天然蓄水量不能達(dá)到要求，需考慮其他補(bǔ)水措施來滿足水輪機(jī)方向旋轉(zhuǎn)或啟動(dòng)所需的最小水量。對(duì)于水頭較低的抽水蓄能電站，庫容較大，機(jī)組流量較大，需要的蓄水量較多，上水庫蓄水是制約投產(chǎn)工期的關(guān)鍵因素。

為了減少上水庫補(bǔ)水方案的投資，節(jié)約首臺(tái)機(jī)組投運(yùn)的寶貴時(shí)間，應(yīng)合理安排工期，優(yōu)先安裝和調(diào)試完成SFC系統(tǒng)。這樣，首臺(tái)機(jī)組的首次啟動(dòng)方式選擇水泵工況啟動(dòng)，可以直接利用SFC啟動(dòng)機(jī)組，進(jìn)行水泵工況的動(dòng)平衡以及并網(wǎng)調(diào)相試驗(yàn)，同時(shí)利用外加充水泵向引水系統(tǒng)充水至滿足水泵工況低揚(yáng)程啟動(dòng)的水位。然后機(jī)組以水泵工況啟動(dòng)運(yùn)行，向上水庫充水直至滿足水輪機(jī)工況運(yùn)行所需的水位。

9 結(jié)語

在SFC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，一方面應(yīng)做好輸出開關(guān)的選型工作，另一方面應(yīng)謹(jǐn)慎考慮拖動(dòng)過程中故障的預(yù)防和處理。純抽水蓄能電站首臺(tái)機(jī)組首次啟動(dòng)采用SFC啟動(dòng)方式，可縮短工期，節(jié)省投資。