淺談三板溪電廠UNITROL5000勵磁系統

魯秉宸（三板溪水電廠，貴州 錦屏 556700）

淺談三板溪電廠UNITROL5000勵磁系統

魯秉宸
（三板溪水電廠，貴州 錦屏 556700）

摘要：三板溪電廠勵磁系統采用了ABB公司生產的UNIRTOL5000型靜態勵磁系統，文章介紹了三板溪電廠勵磁系統的組成、技術特點和應用情況。對勵磁系統在運行中發現的問題進行分析，并提出了解決方案。

關鍵詞：三板溪；UNITROL5000勵磁系統；應用；故障分析

0　引言

三板溪電廠位于沅水上游清水江，貴州省黔東南苗族侗族自治區錦屏縣境內，距錦屏縣縣城25km，距湖南省懷化市直線距離約140km，是沅水干流上唯一具有多年調節能力的龍頭電站。電廠總裝機容量1000MW，安裝4臺250MW混流式機組，年均發電量為24.28億kW·h，采用一回500kV線路輸出，接入華中網調，送電至湖南。

1　三板溪電廠勵磁系統概況

三板溪電廠勵磁系統選用瑞士ABB公司生產的UNITROL5000型靜態勵磁系統，該設備由廣州擎天實業有限公司提供，是ABB公司UNITROL系列的第五代產品，不僅包含了前兩代勵磁調節器UNITROLF和UNITROLP的核心技術，同時還吸收了目前數字控制領域內最先進的研究成果和工藝，如DSP數字信號處理技術。UNITROL5000勵磁系統除了具備基本調節限制功能，還具有轉子溫度測量、定子電流限制器、獨特的疊加調節裝置、完善的ARCnet網絡通訊功能和多種調試手段的應用及監視保護功能，不但提高了勵磁系統的數字化程度，還提高了勵磁系統的可靠性及工藝水平，確保了勵磁系統、發電機組和電網的安全、穩定、經濟可靠運行。

三板溪電廠發電機勵磁系統主要參數：額定功率250MW，額定電壓15.75kV，額定電流10183A，額定功率因數0.9，額定勵磁電壓353V，額定勵磁電流1 540A，空載勵磁電壓145V，空載勵磁電流927A，勵磁變容量：3×630kVA，勵磁變變比：15.75kV/705V。

2　勵磁系統應用

三板溪電廠勵磁系統采用自并勵方式，勵磁電源取自發電機機端，勵磁變采用單項干式變壓器。每套勵磁系統都包含5個控制柜，依次為勵磁調節柜、滅磁開關柜、功率Ⅰ柜、功率Ⅱ柜、開關切換柜。可分為4個主要的功能單元：勵磁變壓器、兩套相互獨立的勵磁調節器、起勵單元和滅磁單元、可控硅整流器單元。

2.1勵磁調節器

勵磁調節器主要負責勵磁系統的控制部分，也叫自動電壓調節器（AVR），控制方式分2種。①自動方式，它根據機端電壓來調節可控硅的觸發角，維持發電機機端電壓在給定值附近。當發電機受到系統影響發生改變時，它能自動調節電壓，維持穩定，同時在自動方式下還有多種限制功能，能把勵磁電流限制在安全范圍之內。②手動方式，控制功能是維持勵磁電流保持不變，但該方式在系統發生擾動時不能自動調整電壓以維持穩定，而且一般沒有限制功能。機組在正常運行時需將勵磁系統控制方式切至自動方式。

三板溪電廠采用的勵磁裝置具體型號為A5S-A/U221-D2000，調節器采用雙通道配置，每個通道都是一個由主控板（COB）和測量單元板（MUB）構成獨立的處理系統，如圖1所示。

因兩個通道配置完全相同，都具備自動和手動

圖1A5S型-整流器n-1型配置，調節器為雙通道

兩種調節方式，故可選任一通道為運行通道，而備用通道總是自動跟蹤運行通道。正常運行情況下，兩個通道可以任意切換，在故障情況下通道切換邏輯如圖2所示。

圖2通道切換邏輯

2.2可控硅整流器

每套勵磁系統配置2個功率柜（+EG.1、+EG. 2），每個功率柜對應1組整流器，每個整流器包括：三相可控硅整流橋、整流器接口板（CIN）、門極驅動板（GDI）和整流器顯示單元（CDP）。

每組可控硅整流器都由一個全控整流橋組成，包含6個雙側冷卻可控硅。每個可控硅上串聯一個快速熔斷器，它的主要目的是將分支與有故障的可控硅隔離開，從而保護其他可控硅及其快熔免受破壞。快熔一旦熔化，通過一個彈簧起動側面一個微動開關（熔斷器的一個組成部分）用于指示報警。

為了減少整流過程中尖峰電壓，可控硅整流器采用了一個RC吸收回路，該回路直接連接到整流橋的交流電源側，它還可以吸收出現在可控硅整流橋副邊的過電壓。

整流器接口板（CIN）和門極驅動板（GDI）負責實現觸發脈沖信號的形成、放大及可控硅的驅動，門極驅動板（GDI）也用于主回路和控制回路之間的電氣隔離。

整流器顯示單元（CDP）安裝在功率柜柜門上，用于指示整流器的工作狀況及顯示整流器輸出電流，除此之外還能顯示每個晶閘管橋臂的導通狀態，如果有橋臂發生故障也可以在整流器顯示單元（CDP）指定的LED上顯示出來。

2.3起勵單元

三板溪電廠在投產時，勵磁系統采用了殘壓起勵方式，整個起勵過程和順序控制是通過AVR軟件實現的，即起勵時首先投入殘壓起勵，高脈沖不間斷的觸發可控硅整流橋，當可控硅整流橋輸入端電壓達到10～20V時即可正常工作。但如果殘壓起勵投入5s后發電機機端電壓仍未達到額定電壓的10%，勵磁系統默認殘壓起勵失敗，備用起勵回路啟動。

因三板溪電廠屬于調峰調頻電廠，機組停機備用時間較多，且在實際運行過程中發現，當機組停機時間過長或機組檢修后，殘壓起勵失敗頻率明顯增多，導致機組開機時間增加的次數也明顯增多，經研究討論最終決定取消殘壓起勵方式，采用220V直流起勵的方式。220V直流電源取自機旁直流饋電分屏，起勵時程序直接驅動起勵接觸器動作，導通直流起勵回路，在發電機機端電壓達到額定電壓的10%時，起勵接觸器動作復歸，直流起勵回路退出，立即開始軟起勵過程并建壓到額定機端電壓。

2.4滅磁單元

滅磁設備的作用是將磁場回路斷開并盡可能快的將磁場能量釋放。滅磁回路主要由磁場斷路器Q2、滅磁電阻R02、跨界器F02及其相關的脈沖閉鎖元件組成。

三板溪電廠勵磁系統正常采用逆變滅磁、事故情況采用滅磁開關和滅磁電阻快速移能滅磁，滅磁開關選用ABBE2N/E-MS2000型四斷口滅磁開關，通過跨接器（CROWBAR）回路與滅磁電阻連接，當事故停機時啟動跨接器將轉子回路磁場能轉移到滅磁電阻實現可靠滅磁。滅磁電阻選用SiC非線性滅磁電阻，既用于事故滅磁，也用于轉子過電壓保護，考慮極端工況下移能需要，SiC電阻的容量配置為3MJ。

3　勵磁系統現場運行出現的問題及分析處理

3.1滅磁開關輔助觸點聯跳GCB改造

三板溪電廠機組勵磁系統原設計方案中采用兩組跳閘線圈的輸出繼電器K01、K02聯跳GCB的運行方式。后考慮到繼電器的損壞可能性較大，根據中南勘測設計研究院的要求，三板溪水電廠采用了利用滅磁開關的輔助接點聯跳GCB的運行方式，即當勵磁系統IE限制器、P/Q限制器等失效時，勵磁系統先跳滅磁開關，然后再聯跳GCB。這種運行方式的優點是較直接利用跳閘線圈的輸出繼電器聯跳GCB的方式可靠性更高，弊端就是GCB的跳閘時間較滅磁開關的跳閘時間滯后，在這個時間差內，機組為欠勵并網運行狀態，存在較大的安全隱患，是國家和行業技術規范所不允許的。

鑒于以上原因，對三板溪水電廠1號～4號機組勵磁系統聯跳GCB的運行方式進行改造，在保留滅磁開關輔助接點聯跳GCB功能的前提下，增加跳閘線圈聯跳GCB的功能，以確保滅磁開關在第一時間聯跳GCB，提高機組運行的安全可靠性。具體接線如圖3所示。

圖3聯跳回路

X22:6/X22:56與X22:8/X22:58分別連接的是滅磁開關輔助觸點的兩對常閉接點，X21:2/X21:52與X21:5/X21:55分別連接的是勵磁系統內部跳閘繼電器K01、K02的一對常開接點。

三板溪電廠采用發電出口開關GCB分、合閘實現機組同期并網，滅磁開關在停機備用時，也一直處于合閘狀態。當勵磁系統正常內部無跳閘命令或滅磁開關正常合閘時，GCB跳閘回路不會導通；只有當勵磁系統內部有跳閘命令輸出促使K01、K02繼電器動作或滅磁開關本體跳閘時才會聯跳GCB。

3.2通道“風機電源1消失”報警程序完善

自投產以來3號、4號機組勵磁系統走電制動停機過程中，經常出現當電制動即將結束時“電制動投入令”復歸到達瞬間，勵磁系統報故障，1s后故障復歸。對兩通道報警記錄進行查看發現，備用通道報：ALARM117“Fansupply1fail”（風機電源1消失）。

（1）通道報“Fansupply1fail”（風機電源1消失）邏輯分析

圖4為通道報“Fansupply1fail”（風機電源1消失）故障邏輯圖：走電制動停機流程時，電源取自400V廠用外來電源且勵磁系統在投入狀態，自用電故障10813輸入恒為“1”，勵磁系統投入10307輸入為“1”，經過“與門”功能模塊SP113，12669輸出為“1”，風機電源1模式412程序默認參數值為“=1”，輸入值恒為“1”：1）如果此時電制動投入令12722動作，輸入為“1”，經過“取反”功能模塊SP014，12605輸出為“0”，“與門”功能模塊SP114輸出值12607為“0”，通道不會報“風機電源1消失”故障；2）如果此時電制動投入令復歸，即12722輸入為“0”，經過“取反”功能模塊SP014，12605輸出為“1”，“與門”功能模塊SP114輸出值12607為“1”，通道報“風機電源1消失”故障。

圖4“風機電源1消失”報警邏輯

如表1所示，節選了2012年9月20日3號機組正常停機流程部分重要節點，可以看出當電制動即將結束時，“勵磁系統退出”信號先于“電制動投入令”復歸信號動作，也就是勵磁系統投入10307輸出為“0”先于電制動投入令12722輸入為“0”，正常情況下10307先于12722變為“0”，圖1中風機報警邏輯不滿足，無論是主用還是備用通道都不會報“風機電源1消失”故障。

表1正常停機流程

（2）備用通道報“Fansupply1fail”（風機電源1消失）的原因

對勵磁系統硬件及軟件回路仔細分析發現：1）“勵磁系統退出”信號由主用通道發出，通過快速輸入輸出板FIO1上開關量輸出接點直接傳輸給上位機，而備用通道接收“勵磁系統退出”即10307輸入為“0”信號，是通過主用通道與備用通道連接的16芯扁平電纜由勵磁軟件程序進行傳輸的；2）當上位機接收到“勵磁系統退出”信號后立刻發“電制動投入令”復歸即12722輸入為“0”信號，并通過快速輸入輸出板FIO2上開關量輸入接點直接傳輸給主用通道和備用通道；3）當3號、4號機組勵磁系統運行一段時間后，就會出現主、備用通道間“勵磁系統退出”即10307輸入為“0”信號傳輸存在偶爾的毫秒級滯后情況，使得備用通道接收12722輸入為“0”信號正好先于備用通道接收10307輸入為“0”信號，所以才會發生當電制動即將結束時“電制動投入令”復歸到達瞬間，勵磁系統報故障，1s后“勵磁系統退出”信號到達，故障復歸。

（3）處理方法

如圖5所示，依照上述原因對勵磁系統主、備用通道中報警邏輯程序進行了完善修改，在12722信號后面增加了一個10s的“下降延時”功能模塊SP339，即當12722信號由“1”變為“0”信號到達時，通過功能模塊SP339，輸出信號12851延遲10s由“1”變為“0”，這樣就躲過了因主、備用通道間10307信號傳輸偶爾存在毫秒級滯后情況，導致備用通道接收12722輸入為“0”信號先于備用通道接收10307輸入為“0”信號，有效的避免了備用通道滿足報“風機電源1消失”邏輯程序的情況。

圖5完善后報警邏輯

3.3調節器主控板（COB板）故障

（1）故障現象

三板溪電廠4臺機組，每臺機組勵磁系統配置2個勵磁調節器，共8個勵磁調節器，2011年以來已有4個調節器內COB板出現故障，其中2個勵磁調節器內COB板在斷電后重新上電時報“E02（RAM儲存器故障）”告警信號，即COB板上RAM儲存電路存在故障，根據《UN5000維護和故障排除指南》中提出的處理措施，多次重啟UNITROL5000系統后報警未消失，對報警COB板進行更換后調節器恢復正常。

另外2個COB板同樣在斷電檢修后重新上電時報“E02（RAM儲存器故障）”告警信號，經過多次重啟UNITROL5000系統后“E02”報警消失，但隨后報出ALARM108“RAM-backupfailed”（RAM備份失敗）故障告警，即COB板經過長期儲存或斷電超過一定時間后，儲存器RAM的供電電容儲能耗盡，必須給該板通電至少0.5h，使RAM供電電容得到足夠高的電壓，然后關閉整個勵磁系統重新啟動。但2個COB板實際充電均超過2h，重啟系統報警重復出現，對COB板進行更換后調節器也恢復正常。

（2）故障原因

三板溪電廠屬于地下室廠房，設備環境潮濕、惡劣，電子元器件老化速度較快；勵磁調節器停、送電次數頻繁，觸碰COB板時靜電影響等，都可能導致COB板報“E02”故障。

（3）解決方法

將廠房通風除濕系統長期開啟，以改善設備運行環境；盡量不要過于頻繁的停、送調節器電源以免影響COB板上電子元器件的工作壽命；COB板檢查或勵磁系統檢修時必須帶防靜電護腕，防止靜電損壞電子元器件。

4　結語

UNITROL5000靜態勵磁系統功能強大、技術先進，自三板溪電廠投產以來運行工況良好，對電廠機組的安全穩定運行起到了重要作用。但隨著運行年份增加，需加大對勵磁系統檢修維護力度，以確保勵磁系統的控制與調節性能。

參考文獻：

[1]ABBUNITROL5000型數字勵磁調節器功能說明[Z].

[2]UNITROL5000User'Manual[Z].

中圖分類號：TV734.4

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）01-0030-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.01.010

收稿日期：2014-04-24

作者簡介：魯秉宸（1984-），男，助理工程師，從事水電廠勵磁設備檢修維護與技術管理工作。