U N I T R O L5000型勵磁系統(tǒng)在首鋼京唐自備電站的應(yīng)用

張海忠

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司能源與環(huán)境部，河北唐山063200）

1 引言

首鋼京唐公司自備電站位于河北省唐山市曹妃甸工業(yè)區(qū)，是國家十一五規(guī)劃內(nèi)首鋼搬遷工程中最重要的項目之一，設(shè)計裝機(jī)容量為2×300M W，電能主要供京唐公司生產(chǎn)使用，因此，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行才能保證全公司的生產(chǎn)順利進(jìn)行，而勵磁系統(tǒng)作為整個發(fā)電系統(tǒng)中最重要的組成部分，其控制性能的好壞直接影響電網(wǎng)的質(zhì)量。

2 發(fā)電機(jī)的勵磁方式

從汽輪發(fā)電機(jī)的發(fā)展歷史來看，其勵磁系統(tǒng)主要分為如下幾種：

（1）直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)

早期的中小型汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)容量較小，所需的勵磁容量也較小，因此采用直流勵磁機(jī)勵磁，結(jié)構(gòu)較簡單，操作也比較方便。直流勵磁機(jī)是與主發(fā)電機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)，速度較高，受換向器（整流子）的限制，容量不能做得太大，一般使用于50M W以下的汽輪發(fā)電機(jī)[1]。

（2）交流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)

交流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)又稱之為三機(jī)勵磁系統(tǒng)，是由發(fā)電機(jī)、主勵磁機(jī)、副勵磁機(jī)三者在同一軸上一起旋轉(zhuǎn)，如圖1所示，副勵磁機(jī)一般采用永磁電機(jī)或中頻電機(jī)（400～500H z），主勵磁機(jī)為交流勵磁機(jī)（100～200H z），副勵磁機(jī)整流橋一般為半控橋，主勵磁機(jī)整流橋一般為二極管不控橋。其中又根據(jù)主勵磁機(jī)整流橋是否旋轉(zhuǎn)，三機(jī)勵磁系統(tǒng)可分為交流勵磁機(jī)靜止勵磁系統(tǒng)和交流勵磁機(jī)旋轉(zhuǎn)勵磁系統(tǒng)（即無刷勵磁系統(tǒng)）。

在交流勵磁機(jī)靜止勵磁系統(tǒng)中，主勵磁機(jī)整流裝置是靜止的，主勵磁機(jī)的勵磁繞組為轉(zhuǎn)子，電樞繞組為定子。和直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)一樣需要配滑環(huán)、碳刷、滅磁電阻和滅磁開關(guān)等部件。因有滅磁回路，當(dāng)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)發(fā)生故障時能盡快切除機(jī)組，減輕事故。它的滅磁時間較短，切機(jī)時間較快，對系統(tǒng)穩(wěn)定性有好處。這種系統(tǒng)原蘇聯(lián)的發(fā)電機(jī)采用較多，我國100M W及以上的汽輪發(fā)電機(jī)多數(shù)也是這種勵磁方式。

在交流勵磁機(jī)旋轉(zhuǎn)整流勵磁系統(tǒng)中，主勵磁機(jī)為旋轉(zhuǎn)電樞同步電機(jī)，其勵磁繞組為定子，電樞繞組為轉(zhuǎn)子，主勵磁機(jī)整流裝置和三機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)，其優(yōu)點是無碳刷、滑環(huán)、整流子等，不會有碳刷的冒火問題，運行維護(hù)方便；不產(chǎn)生碳粉和銅末，因此不會導(dǎo)致電機(jī)繞組絕緣污染而降低絕緣水平。缺點是勵磁回路無滅磁裝置，電機(jī)或系統(tǒng)發(fā)生事故而跳閘后，電機(jī)靠自然滅磁，時間相對較長；無法直接測量和觀察勵磁電流和電壓。采用無刷勵磁系統(tǒng)以美國西屋、德國西門子、法國阿爾斯通等公司居多。我國引進(jìn)西屋技術(shù)生產(chǎn)的300M W和600M W發(fā)電機(jī)也采用這種勵磁方式[1]。

圖1 交流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)

三機(jī)勵磁系統(tǒng)的優(yōu)點為勵磁機(jī)為交流發(fā)電機(jī)，勵磁容量不受限制；缺點是旋轉(zhuǎn)部件較多，勵磁系統(tǒng)發(fā)生故障的可能性也較多，另外軸系較長、軸承座較多，易引發(fā)機(jī)組震動超標(biāo)。

（3）自并勵勵磁系統(tǒng)

自并勵勵磁系統(tǒng)又稱靜止勵磁系統(tǒng)，如圖2所示。這種勵磁系統(tǒng)的特點是：無主、副勵磁機(jī)，勵磁電源取自發(fā)電機(jī)端，經(jīng)勵磁變壓器及可控硅整流器供給發(fā)電機(jī)勵磁繞組勵磁；無旋轉(zhuǎn)部件，結(jié)構(gòu)簡單，軸系短，軸承座少；勵磁回路中有滑環(huán)、碳刷、滅磁裝置，響應(yīng)速度快；可以提供較大的勵磁功率[2]。

圖2 自并勵靜止勵磁系統(tǒng)

自并勵勵磁系統(tǒng)的優(yōu)點是：①軸系長度短，軸承座少，從而可以降低軸和軸承座的振動值，提高機(jī)組安全運行水平。②旋轉(zhuǎn)部件少，故障率大為降低，可靠性高，維護(hù)量小。③響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，可以提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。

由于該勵磁方式的突出優(yōu)點，且隨著電力電子器件和控制技術(shù)的日漸成熟，其成本在不斷降低，可靠性不斷提高，因此該勵磁方式在國內(nèi)外大中型機(jī)組已普遍采用。

（4）電壓源可控整流勵磁系統(tǒng)（G e n e r e x-P S S）

電壓源可控整流勵磁系統(tǒng)屬于靜止勵磁系統(tǒng)范圍，它是美國G E公司近年來開發(fā)的一種新型勵磁系統(tǒng)，但與自并勵勵磁系統(tǒng)又有較大區(qū)別，這種勵磁系統(tǒng)的特點是：勵磁電源取自定子繞組內(nèi)獨立的一套附加繞組，經(jīng)勵磁變和整流裝置后供給發(fā)電機(jī)勵磁。因勵磁電源取自發(fā)電機(jī)內(nèi)部，因此不受系統(tǒng)干擾的影響，另外其滅磁方式也較為特殊，G e n e r r e x-P S S勵磁系統(tǒng)與自并勵系統(tǒng)一樣無旋轉(zhuǎn)部件，縮短了軸長，減少2～3個軸承座，可改善軸系振動值，提高軸系穩(wěn)定性；但該系統(tǒng)也需滑環(huán)和碳刷[1]。

3 系統(tǒng)的組成和功能

本公司2×300M W自備電站項目主要的大型設(shè)備均為國產(chǎn)，汽輪機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)廠制造，型號為C N 300-16.7/537/537型（合缸），型式為亞臨界一次中間再熱單軸兩缸兩排氣，單抽供熱凝氣式汽輪機(jī)。發(fā)電機(jī)為哈爾濱發(fā)電機(jī)廠制造，鑒于自并勵勵磁系統(tǒng)的優(yōu)點和國外設(shè)備的成熟可靠，本系統(tǒng)采用A B B公司的 U N I T R O L5000型靜止勵磁系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)及勵磁系統(tǒng)主要的參數(shù)如下：

發(fā)電機(jī)型號：Q F S N-300-2

視在功率：353M V A

有功功率：300M W

最大連續(xù)輸出功率：330M W

功率因數(shù)：0.85（滯后）

定子電壓：20k V

定子電流：10190A

勵磁電壓（計算值）：365V

勵磁電流（計算值）：2642A

頻率：50H z

轉(zhuǎn)速：3000r/m i n

效率：99.02%

定子繞組接線方式：Y Y

相數(shù)：3

勵磁方式：自并勵靜止勵磁

UNITROL L5000是UNITROL系列的第五代勵磁調(diào)節(jié)器，用于同步發(fā)電機(jī)靜止勵磁系統(tǒng)，通過可控硅整流橋控制勵磁電流來調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)端電壓和無功功率。系統(tǒng)主要包括四個主要部分：勵磁變壓器（T02），兩套相互獨立的勵磁調(diào)節(jié)器（A 10，A 20）；可控硅整流橋單元（G 31……G 34）；起勵單元（R03，V03，Q03）和滅磁單元（Q02，F(xiàn)02，R02），如圖 3所示[3]。

圖3 U N I T R O L5000系統(tǒng)原理框圖

其工作原理為：在靜態(tài)勵磁系統(tǒng)中，勵磁電源取自發(fā)電機(jī)機(jī)端，同步發(fā)電機(jī)的磁場電流經(jīng)由勵磁變壓器T02、磁場斷路器Q02和可控硅整流橋G 31…G 34供給。勵磁變壓器將發(fā)電機(jī)端電壓降低到可控硅整流橋所需要的輸入電壓、為發(fā)電機(jī)端電壓和磁場繞組提供電氣隔離以及為可控硅整流橋提供整流阻抗。可控硅整流橋G 31…G 34將交流電流轉(zhuǎn)換成受控的直流電流Ⅰf。

本公司所采用的勵磁裝置具體型號為A 5 S-O/U 2 n 1-A x x x x，勵磁調(diào)節(jié)器為雙通道自動方式，n-1冗余設(shè)計；整流器件型號為U N L13300，整流橋的每個橋臂為一個可控硅器件，三相六脈沖；交流斷路器安裝在勵磁變壓器低壓側(cè)。每套系統(tǒng)包含5個控制柜，從左到右依次為：勵磁調(diào)節(jié)器柜1個、滅磁起勵和直流出線柜1個、功率柜3個、交流進(jìn)線和磁場開關(guān)柜1個。

（1）勵磁調(diào)節(jié)裝置

根據(jù)系統(tǒng)要求，勵磁調(diào)節(jié)器采取雙通道（A 10和A 20）結(jié)構(gòu)。每個通道是一個主要由主控板（C O B）和測量單元板（M U B）構(gòu)成的獨立的處理系統(tǒng)，主控板C O B是調(diào)節(jié)器的核心，所有的調(diào)節(jié)、限制保護(hù)、控制及脈沖生成等功能均在C O B中發(fā)生。測量單元板M U B用于快速處理發(fā)電機(jī)出線端的三相電壓和電流型號，并將調(diào)理后的信號送至勵磁調(diào)節(jié)器。

接口模塊如快如輸入輸出板（F I O）和主回路信號接口板（P S I）等可以為上述控制板提供測量信號和控制信號的電氣隔離。

U N I T R O L5000還具有強(qiáng)大的串行通信功能，如具備M o d b u s串聯(lián)接口。在勵磁系統(tǒng)內(nèi)，控制和狀態(tài)信號是通過A R C n e t網(wǎng)實現(xiàn)的。磁場斷路器跳閘回路還附加了硬件回路。

勵磁調(diào)節(jié)裝置具有發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓調(diào)節(jié)、勵磁電流調(diào)節(jié)。勵磁監(jiān)視保護(hù)功能和可編程邏輯軟件等功能。

（2）起勵單元

一般情況下，U N I T R O L5000可實現(xiàn)殘壓起勵，連續(xù)觸發(fā)可控硅整流橋，以二極管整流橋模式將電壓升至電子控制回路能夠正常工作10V～20V的范圍。

如果因長期停機(jī)等原因造成在幾秒鐘內(nèi)無法用殘壓建立起正常工作所需要電壓，則啟用備用起勵回路，由V03、R03和Q03組成，用他勵方式建立這一電壓。當(dāng)機(jī)端電壓達(dá)到發(fā)電機(jī)額定電壓的10%時，整流橋已能接管勵磁控制，起勵單元自動退出，軟起勵過程開始并將發(fā)電機(jī)電壓升到預(yù)定水平。整個起勵過程的控制和監(jiān)測都是由A V R軟件實現(xiàn)的。

備用起勵回路需要的電流很小，從而可以在大容量發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)中實現(xiàn)直流起勵，并且由于起勵電阻的阻值可以很高，起勵時的勵磁時間常數(shù)（L/R）也隨之大為減少。

（3）整流裝置

本系統(tǒng)配置3面整流柜（+E G.1～+E G.3），對應(yīng)3組整流單元，每個整流單元包括：三相可控硅整流橋，整流橋接口板（C I N）、門極驅(qū)動板（G D I）和整流橋顯示單元（C D P）。3個整流單元互為備用。

可控硅整流橋可以連續(xù)提供1.1倍額定強(qiáng)勵電流和頂值強(qiáng)勵電流，由6只雙側(cè)冷卻的可控硅組成，每只可控硅上都串聯(lián)一個快速熔斷器，可將有故障的可控硅分支隔離，保護(hù)其他可控硅和快熔免受損壞，熔斷器動作時彈簧帶動微動開關(guān)進(jìn)行控制和報警。

整流橋接口板C I N是一個獨立的控制和調(diào)節(jié)部件，主要功能是向門極驅(qū)動板G D I發(fā)送用于觸發(fā)三相全控整流橋的的脈沖列，并完成整流裝置部件的監(jiān)控和控制、通過A R C n e t與C O B進(jìn)行通信等功能。

門極驅(qū)動板G D I采用脈沖變壓器為主回路和控制回路之間提供電氣隔離，并將脈沖信號放大到晶閘管觸發(fā)所必需的電壓水平，脈沖變壓器一般安裝在G D I板上。

單個機(jī)柜采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，兩組風(fēng)機(jī)冗余冷卻方式，風(fēng)機(jī)的運行和故障信息可在功率柜的C D P上顯示和報警。C D P還可以顯示整流橋各臂的導(dǎo)通狀態(tài)、C I N狀態(tài)以及整流橋輸出電流等。

（4）滅磁單元

滅磁設(shè)備的作用是將磁場回路斷開并盡可能快地將磁場能量釋放。滅磁回路主要由磁場斷路器Q02，滅磁電阻R02、晶閘管跨接器F02及其相關(guān)的脈沖閉鎖元件組成。

在額定勵磁電流小于 4500A的發(fā)電機(jī)組中，一般采用交流滅磁。首先，在整流橋出現(xiàn)內(nèi)部短路的情況下，它能可靠地將整流橋與電源斷開，防止事故擴(kuò)大。此外，在電源側(cè)為檢修和維護(hù)工作提供了明確的斷開點，保證了操作人員的安全。當(dāng)勵磁電流更大時，則采用快速直流磁場開關(guān)方案。

滅磁過程由來自發(fā)電機(jī)保護(hù)的或內(nèi)部的勵磁保護(hù)跳閘命令啟動，同時作用于斷開交流磁場斷路器，閉鎖脈沖和觸發(fā)跨接器，將轉(zhuǎn)子電流導(dǎo)入滅磁電阻。由于脈沖被閉鎖，勵磁變副邊交流電壓被疊加到磁場斷路器的電弧電壓上，可以縮短滅磁時間。

滅磁電阻的額定值與磁場斷路器的弧壓和勵磁繞組允許的最大電壓相匹配。其能容選擇則以能夠吸收故障條件下勵磁繞組中因感應(yīng)電流而存儲的最大滅磁能量為準(zhǔn)。

并網(wǎng)后，勵磁系統(tǒng)可工作于A V R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，實現(xiàn)恒功率因數(shù)控制、恒無功調(diào)節(jié)以及可以接受電廠調(diào)度指令的成組調(diào)節(jié)等。

4 小結(jié)

自1#機(jī)組2009年5月投運以來，其勵磁系統(tǒng)已正常運行將近一年時間，設(shè)備工況基本穩(wěn)定，但也發(fā)生過因勵磁系統(tǒng)故障導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)跳機(jī)事故，從中也暴露出目前所存在的一些問題：

（1）勵磁系統(tǒng)中，有些特定的報警或跳機(jī)定值設(shè)定未結(jié)合本廠的實際情況，依賴設(shè)備提供方專家的經(jīng)驗值，可能造成系統(tǒng)誤報警或者誤動作。需對本廠設(shè)備的一些參數(shù)進(jìn)行重新測定和標(biāo)定，綜合考慮本廠實際工況和專家經(jīng)驗值，對重要的參數(shù)定值進(jìn)行重新確定，在保證系統(tǒng)安全正常工作的前提下，盡量減小誤報警和誤動作，從而避免一些不必要的停機(jī)事故，減小損失，提高生產(chǎn)效率。

（2）技術(shù)問題過度依賴設(shè)備廠家，本單位相關(guān)專業(yè)人員對設(shè)備的結(jié)構(gòu)和原理等知識儲備和相關(guān)經(jīng)驗嚴(yán)重不足。當(dāng)勵磁系統(tǒng)出現(xiàn)一些報警或者常見故障時，無法及時采取合理有效的措施進(jìn)行處理，使得設(shè)備故障演變成跳機(jī)停產(chǎn)甚至不可挽回的永久性設(shè)備損壞。設(shè)備管理人員應(yīng)該高度重視專業(yè)技術(shù)水平的提高，有針對性的進(jìn)行學(xué)習(xí)提高，單位也應(yīng)當(dāng)組織相關(guān)的設(shè)備廠家對本單位的專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行強(qiáng)化培訓(xùn)，提供完善的技術(shù)資料，組織完成勵磁裝置常見故障處理預(yù)案。可能的情況下，有必要對電氣或自動化專業(yè)進(jìn)行細(xì)分，抽調(diào)相關(guān)專業(yè)人員組建傳動控制小組，專門負(fù)責(zé)部控設(shè)備的大中型勵磁系統(tǒng)、變頻系統(tǒng)、軟起動設(shè)備等傳動控制裝置的專業(yè)技術(shù)工作。能夠及時處理常見的故障，減少停機(jī)次數(shù)或縮短停機(jī)時間。

（3）勵磁系統(tǒng)的維檢單位技術(shù)力量薄弱，無法完成設(shè)備的維護(hù)工作。應(yīng)當(dāng)加對強(qiáng)維檢單位的技術(shù)要求，督促其不斷提高設(shè)備維護(hù)的技術(shù)水平。本單位設(shè)備管理人員和設(shè)備廠家技術(shù)支持人員進(jìn)行溝通協(xié)調(diào)，準(zhǔn)備一些常見的易損件做備用，并能夠獨立組織完成部件的檢查更換等維護(hù)工作。

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