抽水蓄能機組勵磁系統(tǒng)優(yōu)化改造

熊 照

（惠州蓄能發(fā)電有限公司，廣東 惠州 516100）

0 引 言

勵磁系統(tǒng)對提高電力系統(tǒng)并聯(lián)機組的穩(wěn)定性具有相當大的作用。尤其是現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展導致機組穩(wěn)定極限降低的趨勢，對勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行的要求越來越高，促使勵磁技術不斷發(fā)展。根據(jù)對抽水蓄能電廠自運行以來出現(xiàn)故障的原因跟蹤分析發(fā)現(xiàn)，多起機組故障是因勵磁系統(tǒng)的勵磁交、直流開關回路異常導致勵磁系統(tǒng)故障引起的。因此，勵磁系統(tǒng)可靠性的提高，對水輪發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行很重要，對勵磁系統(tǒng)交、直流開關的優(yōu)化改造就很有必要。

1 勵磁系統(tǒng)介紹

某抽水蓄能電廠機組的勵磁系統(tǒng)采用的是自并勵方式，其電源是經勵磁變壓器從主變低壓側取得。正常運行時，勵磁交流電源經交流開關，再經整流器整流，最后由直流開關輸送至轉子。勵磁系統(tǒng)的主要組成有勵磁變壓器、可控硅整流器、滅磁裝置、轉子繞組過電壓保護裝置和交流側過電壓保護裝置、起勵裝置、勵磁調節(jié)器、勵磁變低壓側交流開關和直流側磁場開關、控制、保護、測量及通信系統(tǒng)等，如圖1所示。

圖1 勵磁系統(tǒng)示意圖

勵磁系統(tǒng)交、直流開關回路改造前，勵磁交流開關和勵磁直流開關的動作邏輯是每次開機時，勵磁交流開關先合閘，然后勵磁直流開關合閘，兩個開關均動作；機組停機時，先斷開勵磁直流開關，然后斷開勵磁交流開關。兩個開關在動作過程中存在相互閉鎖的關系。當勵磁交流開關在分閘位置時，如果有跳閘命令，會導致跳閘線圈一直勵磁。

2 勵磁系統(tǒng)的優(yōu)化改造

2.1 勵磁直流開關結構優(yōu)化改造

勵磁直流開關與直流母排的連接原是采用插拔式的活動連接結構（見圖2）。該活動結構有兩個缺點，具體如下。（1）勵磁直流開關本體上的連接觸頭僅靠彈簧及銷釘固定在一起，所用的彈簧和銷釘較多，并且彈簧和銷釘易松動，造成觸頭松動，可靠性較差[1]。（2）當勵磁直流開關處于工作位置時，母排的固定觸頭嵌入勵磁直流開關觸頭的爪形結構中，兩者接觸部分為爪形結構的前端向內凹的部位。該連接方式使開關與母排的連接處接觸面積小，且容易受開關合閘時的振動影響接觸面積[1]。這兩個缺點均增加連接處的接觸電阻，當勵磁系統(tǒng)通過大的勵磁電流時，容易發(fā)熱，嚴重時造成開關燒毀。

圖2 原有的活動連接

#6機組曾在泵工況停機電氣制動過程中，勵磁系統(tǒng)出現(xiàn)勵磁二級故障?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，勵磁直流開關與勵磁銅排連接處燒熔，其中勵磁直流開關與勵磁銅排1個連接觸頭燒壞。經分析，其原因為勵磁直流開關與直流母排接觸不良，導致兩者連接處接觸電阻變大，當通過很大的勵磁電流時引起發(fā)熱，導致開關燒毀。

針對勵磁直流開關這一結構缺陷，決定對勵磁直流開關與母排的連接更改為固定連接，增強連接處的可靠性與穩(wěn)定性。改造后的結構如圖3所示，移去原有活動觸頭爪形結構，改用銅排連接開關本體與直流母排，勵磁開關主觸頭的上下4個極通過銅排連接到直流母排上，兩端連接均用3個螺栓緊固。該種方式，既增加了觸頭連接處的連接面積，又可靠，不受開關分合時的振動影響。同時，勵磁直流開關中用來滅磁的輔助觸頭也由插拔式改為固定式。

圖3 改造后的固定連接

2.2 勵磁交流開關控制邏輯優(yōu)化改造

機組自投產運行以來，發(fā)生多起由于勵磁系統(tǒng)故障而引起的機組故障事件。#5機組曾因勵磁交流開關上方的連接彈簧片與開關插頭間的連接不牢，造成合閘回路斷開，開關未正常合閘，導致停機過程中轉速降至50%以下時電氣制動未正常投入[2]；#4機組停機過程中由于K05抖動，造成交流開關跳開，而直流開關并未真正跳開，交流開關與直流開關位置不一致，引發(fā)勵磁二級故障；#5機因勵磁交流開關故障G工況啟動失敗，勵磁交流開關損壞，合閘后跳開導致勵磁二級故障；#8機組在SR試機時，勵磁系統(tǒng)接到命令后，勵磁交流開關未能合閘，而直流開關合閘，導致勵磁系統(tǒng)二級故障；#3機組CP啟動時，由于交流開關連接到外部輔助接點的聯(lián)動機構松動，導致開關合閘時，輔助接點未動，出現(xiàn)勵磁二級故障等[2]。

經分析，這些事件均由勵磁交流開關故障引起。原設計的勵磁交流開關動作邏輯（見圖4）是每次投勵磁時，勵磁交流開關合閘；每次退出勵磁時，勵磁交流開關分閘。由于抽水蓄能電廠在電網中起調峰調頻作用，每天開停機頻繁，導致勵磁交流開關動作次數(shù)過多。這不僅使交流開關的電氣壽命降低，其機械方面的性能也降低，導致勵磁交流開關故障率變高，影響機組安全穩(wěn)定運行。

針對勵磁交流開關控制邏輯的不足，對勵磁交流開關分合閘邏輯進行優(yōu)化改造。在交流開關的兩個跳閘回路中均增加了中間繼電器k40、k39、k03的輔助接點，即在合閘回路中串入機組故障、勵磁系統(tǒng)故障及相關保護動作的信號，當機組、勵磁系統(tǒng)本身均無故障時，通過斷開分閘回路，實現(xiàn)勵磁交流開關的常合；一旦機組或勵磁系統(tǒng)本身發(fā)生故障，串入的接點閉合，能夠正常實現(xiàn)勵磁交流開關的分閘。優(yōu)化后的勵磁交流開關控制邏輯（見圖5）為：勵磁交流開關一旦合閘后，在機組正常停機過程中，保持合閘狀態(tài)，僅在機組故障或者勵磁系統(tǒng)本身故障時，勵磁交流開關才分閘進行徹底隔離。這就避免了開關的頻繁分合。

2.3 勵磁交流開關控制回路優(yōu)化改造

圖4 原勵磁交流開關控制邏輯

圖5 改造后的勵磁交流開關控制邏輯

勵磁系統(tǒng)的交流開關現(xiàn)有控制回路存在兩個方面的問題，（1）當勵磁交流開關在分閘位置時，如果有跳閘命令，會導致跳閘線圈一直勵磁，尤其是在檢修工作時，通電時間較長，影響線圈壽命；（2）每次投入勵磁時，勵磁交流開關合閘線圈都會勵磁，而勵磁交流開關在正常情況下，處于常合狀態(tài)，每次勵磁投入時合閘線圈都會勵磁，降低了合閘線圈的壽命。

針對勵磁交流開關控制回路的這兩個問題，分別在交流開關跳閘回路中增加交流開關常開狀態(tài)接點（圖6中標注的2和3位置）和交流開關常閉狀態(tài)接點（圖6中標注的1位置）。這樣勵磁交流開關在斷開位置時，其跳閘回路中這個接點（圖6中標注的2和3位置）就會斷開，即使其他接點閉合，在開關斷開的情況下，跳閘線圈也不會勵磁；勵磁交流開關在合閘位置時，其合閘回路中這個接點（圖6中標注的1位置）就會斷開，即使其他接點閉合，在開關合閘的情況下，合閘線圈也不會勵磁。

圖6 改造后的勵磁交流開關控制回路

3 勵磁系統(tǒng)優(yōu)化改造后的可靠性分析

勵磁直流開關與直流母排的連接由插拔式連接改為固定連接，從3個方面提高了勵磁系統(tǒng)的可靠性，并降低了運行維護的難度。（1）增大了連接處的面積，銅排的接觸面積比原有的活動觸頭面積要大很多，降低了接觸電阻；（2）增強了連接處的穩(wěn)定性，用螺栓連接，可靠穩(wěn)定，不受勵磁直流開關合閘時振動的影響；（3）運行維護比活動觸頭方便，原有活動觸頭彈簧和銷釘多，觸頭由很多小的結構組成，增加了檢修難度。勵磁直流開關連接結構自改造以來，機組在運行時，固定連接處未發(fā)生明顯發(fā)熱現(xiàn)象。

原設計中，每次開停機都會閉合和斷開勵磁交流開關。開關的壽命與操作次數(shù)有關，過多的操作對交流開關的壽命產生很大影響，導致勵磁交流開關故障率變高。經過改造，勵磁交流開關的動作次數(shù)極大地減少，交流開關的控制回路更加合理，極大地提高了開關的可靠性，為機組的安全穩(wěn)定運行提供了必要條件。勵磁交流開關的動作次數(shù)大大減少，開關的輔助接點動作次數(shù)也大大減少。這不僅提高了開關的壽命，而且使其參與控制的輔助接點的準確性能也有了很大提高。勵磁交流開關的動作次數(shù)減少，故障率降低，提高了勵磁系統(tǒng)的可靠性[3]。

4 結 論

勵磁系統(tǒng)對機組的安全穩(wěn)定運行是至關重要的。針對原勵磁系統(tǒng)的不足，對勵磁系統(tǒng)直流開關結構、交流開關控制邏輯和回路進行優(yōu)化改造，很大程度降低了勵磁系統(tǒng)故障的風險，提高了勵磁系統(tǒng)的可靠性、機組的可用性和運行可靠性，對發(fā)電機以及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行具有重大意義。