勵(lì)磁系統(tǒng)控制及整流回路功能檢驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張 超，武永恒，趙 舉

(中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著電壓控制、無(wú)功分配及提高同步發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行穩(wěn)定性等任務(wù)，是同步發(fā)電機(jī)極其重要的組成部分[1]。因而，高質(zhì)量完成勵(lì)磁系統(tǒng)檢修維護(hù)工作直接關(guān)系到發(fā)電機(jī)的安全可靠運(yùn)行。本文根據(jù)勵(lì)磁小電流開(kāi)環(huán)試驗(yàn)的原理，設(shè)計(jì)出一套勵(lì)磁系統(tǒng)控制及整流回路功能檢驗(yàn)裝置，可與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、功率柜形成回路，在發(fā)電機(jī)開(kāi)機(jī)并網(wǎng)前，模擬進(jìn)行發(fā)電機(jī)開(kāi)機(jī)、增磁、減磁、電源消失、調(diào)節(jié)器通道自動(dòng)切換、停機(jī)、斷路器合閉鎖逆變命令等試驗(yàn)，通過(guò)直接觀察勵(lì)磁調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)、功率柜輸出電壓波形、脈沖變?cè)吅透边叢ㄐ危焖俣行У呐袛鄤?lì)磁系統(tǒng)控制及整流回路功能是否正常，同步信號(hào)回路的相序和相位以及調(diào)節(jié)器的觸發(fā)脈沖是否正確，并且成功應(yīng)用到葛洲壩電站發(fā)電機(jī)檢修當(dāng)中。

1 勵(lì)磁系統(tǒng)控制及整流回路功能檢驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

勵(lì)磁小電流開(kāi)環(huán)試驗(yàn)，在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)維護(hù)中，是最為重要的試驗(yàn)之一，其原理是：在整流柜的陽(yáng)極輸入側(cè)外加380 V交流廠用電為勵(lì)磁系統(tǒng)的輸入電源，直流輸出接電阻負(fù)載，調(diào)整可控硅控制角α，用改變移相觸發(fā)的控制信號(hào)方式檢查勵(lì)磁輸出與控制信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系[2]。

水電站勵(lì)磁系統(tǒng)主要是由勵(lì)磁電源及其相關(guān)設(shè)備所組成，包括勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、勵(lì)磁功率單元等，根據(jù)所接受與采集信號(hào)來(lái)輸出勵(lì)磁控制單元信號(hào)[3]。大型水輪發(fā)電機(jī)組普遍采用可控硅整流裝置,作為發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁功率單元[4]。以葛洲壩電站勵(lì)磁系統(tǒng)為參考，其組成包括勵(lì)磁調(diào)節(jié)器柜、陽(yáng)極過(guò)壓保護(hù)柜、功率柜(即整流柜)、主備勵(lì)柜、滅磁開(kāi)關(guān)柜。依據(jù)勵(lì)磁小電流開(kāi)環(huán)試驗(yàn)原理，結(jié)合葛洲壩電站勵(lì)磁系統(tǒng)組成實(shí)際，設(shè)計(jì)出勵(lì)磁系統(tǒng)控制及整流回路功能檢驗(yàn)裝置原理圖[5]，如圖1所示。

圖1 勵(lì)磁系統(tǒng)控制及整流回路功能檢驗(yàn)裝置原理圖

裝置原理圖中，交流電源輸入，為整個(gè)裝置提供380 V交流電源；主斷路器QF1，控制整個(gè)裝置交流電源的通斷，并起到過(guò)載保護(hù)的作用；隔離變壓器，為示波器提供無(wú)雜波干擾的交流電源，同時(shí)也能防止測(cè)量直流輸出波形時(shí)，造成整流橋陽(yáng)極電源接地短路而損壞示波器；示波器，用于采集功率柜中整流橋輸出波形、脈沖變壓器原邊與副邊波形并顯示，是實(shí)現(xiàn)直觀判斷勵(lì)磁系統(tǒng)控制及整流回路功能是否正常的關(guān)鍵；大功率電阻，主要是用來(lái)模擬理想狀態(tài)下的轉(zhuǎn)子；支路斷路器QF2，主要是控制功率柜中整流橋的交流輸入通斷；調(diào)壓變用于模擬機(jī)端PT二次電壓和同步(TB)電壓，實(shí)現(xiàn)機(jī)組不同工況下，調(diào)節(jié)器的功能驗(yàn)證；三相電壓表用于調(diào)壓變輸出電壓監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)輸出電壓精確控制。

2 勵(lì)磁系統(tǒng)控制及整流回路功能檢驗(yàn)裝置的功能實(shí)現(xiàn)

2.1 檢驗(yàn)試驗(yàn)接線方式

依照?qǐng)D1所示，將勵(lì)磁系統(tǒng)控制及整流回路功能檢驗(yàn)裝置接入勵(lì)磁調(diào)節(jié)器及功率柜回路：調(diào)壓變輸出電壓接入調(diào)節(jié)器機(jī)端PT電壓和同步(TB)電壓采集回路；支路斷路器給功率柜整流橋交流側(cè)供380 V交流電源；大功率電阻接入功率柜直流輸出回路；示波器接入大功率電阻觀察直流波形。將勵(lì)磁調(diào)節(jié)器將控制方式設(shè)置為恒控制角控制方式。

2.2 模擬發(fā)電機(jī)開(kāi)機(jī)失敗

以IAEC2000型勵(lì)磁系統(tǒng)為例，調(diào)節(jié)調(diào)壓變輸出電壓，給勵(lì)磁調(diào)節(jié)器提供機(jī)端電壓和同步信號(hào)，一般取5～7 V，以保證初勵(lì)退出后機(jī)端電壓仍低于8%額定值。給開(kāi)機(jī)指令后，功率柜脈沖變指示燈亮起后瞬間熄滅，示波器未能采集到功率柜中整流橋輸出波形、脈沖變壓器原邊與副邊波形，起勵(lì)接觸器動(dòng)作后，10 s左右復(fù)位，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器報(bào)“起勵(lì)失敗”故障。

2.3 模擬發(fā)電機(jī)開(kāi)機(jī)成功

調(diào)節(jié)調(diào)壓變輸出電壓至額定電壓100 V。給開(kāi)機(jī)指令后，功率柜脈沖變指示燈亮起，脈沖變順利觸發(fā)，整流橋順利工作，起勵(lì)接觸器順利動(dòng)作，示波器能夠順利采集到功率柜中整流橋輸出波形、脈沖變壓器原邊與副邊波形，且波形穩(wěn)定正確，則可判斷發(fā)電機(jī)開(kāi)機(jī)成功。

2.4 模擬發(fā)電機(jī)增磁、減磁

發(fā)電機(jī)模擬開(kāi)機(jī)成功后，給增磁指令，可以看見(jiàn)示波器中采集到的整流橋輸出波形，由控制角α=120°、90°、60°、30°、15°順序變化，則可確認(rèn)發(fā)電機(jī)增磁功能正常，同理，給減磁指令，整流橋輸出波形由控制角α=15°、30°、60°、90°、120°順序變化，則可確認(rèn)發(fā)電機(jī)減磁功能正常。

2.5 模擬發(fā)電機(jī)電源消失

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器一般設(shè)計(jì)有交直流兩路電源，雙路電源互為冗余。發(fā)電機(jī)模擬開(kāi)機(jī)成功后，將控制角α調(diào)至典型值，如α=90°，此時(shí)整流橋輸出波形穩(wěn)定顯示，波形辨識(shí)度高方便觀察。通過(guò)勵(lì)磁調(diào)節(jié)柜設(shè)置的交直流電源開(kāi)關(guān)，分別進(jìn)行交流電源消失、直流電源消失試驗(yàn)，控制角α=90°的波形穩(wěn)定顯示無(wú)變化，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器分別報(bào)“AC電源消失”、“DC電源消失”故障，則發(fā)電機(jī)具備單路電源斷開(kāi)自動(dòng)切換功能。

2.6 模擬發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器通道自動(dòng)切換

發(fā)電機(jī)模擬開(kāi)機(jī)成功后，通過(guò)增減磁，將控制角α調(diào)至典型值，如α=90°，此時(shí)波形穩(wěn)定顯示，波形辨識(shí)度高方便觀察。調(diào)節(jié)器運(yùn)行于Ⅰ套通道，分別模擬以下測(cè)試試驗(yàn)，應(yīng)該能自動(dòng)切換到Ⅱ套工作，且示波器觀察到的整流橋輸出波形電壓波形穩(wěn)定顯示無(wú)變化[6]。

1)進(jìn)行PT斷相試驗(yàn)。勵(lì)磁系統(tǒng)控制及整流回路功能檢驗(yàn)裝置通過(guò)兩套PT端子分別給Ⅰ套、Ⅱ套提供機(jī)端測(cè)量二次電壓，斷開(kāi)Ⅰ套PT端子的任意一相，此時(shí)調(diào)節(jié)器應(yīng)該報(bào)“PT故障”，并自動(dòng)由Ⅰ套切換為Ⅱ套控制。

2)進(jìn)行調(diào)節(jié)器故障試驗(yàn)。斷開(kāi)調(diào)節(jié)器Ⅰ套電源，調(diào)節(jié)器報(bào)“Ⅰ套故障”，并自動(dòng)切換到Ⅱ套工作。

該項(xiàng)模擬試驗(yàn)，如果調(diào)節(jié)器工作于Ⅱ套時(shí)，應(yīng)該也能從Ⅱ套自動(dòng)切換到Ⅰ套，電壓波形穩(wěn)定顯示無(wú)變化。

2.7 模擬發(fā)電機(jī)逆變

發(fā)電機(jī)模擬開(kāi)機(jī)成功后，給逆變命令，脈沖變信號(hào)指示燈熄滅，示波器采集到的整流橋輸出波形、脈沖變壓器原邊與副邊波形消失，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器報(bào)“逆變成功”。

2.8 模擬發(fā)電機(jī)斷路器合閉鎖逆變命令試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)模擬開(kāi)機(jī)成功后，模擬發(fā)電機(jī)斷路器合，此時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)器發(fā)送逆變命令，勵(lì)磁系統(tǒng)無(wú)動(dòng)作，示波器采集到的整流橋輸出波形、脈沖變壓器原邊與副邊波形穩(wěn)定顯示無(wú)變化。

3 勵(lì)磁系統(tǒng)控制及整流回路功能檢驗(yàn)裝置在葛洲壩電站的應(yīng)用

為驗(yàn)證勵(lì)磁系統(tǒng)控制及整流回路功能檢驗(yàn)裝置的功能及其實(shí)用性，在葛洲壩電站機(jī)組檢修中，進(jìn)行勵(lì)磁小電流開(kāi)環(huán)試驗(yàn)。依據(jù)原理圖1將裝置與勵(lì)磁調(diào)節(jié)柜、功率柜連接好后，得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

脈沖變?cè)吅透边叢ㄐ稳鐖D2所示，藍(lán)色為原邊波形，紅色為副邊波形，可以清晰的查看雙脈沖信號(hào)幅值是否一致、時(shí)間間隔是否相等、幅值大小是否滿足要求，同時(shí)波形圖還可以通過(guò)示波器直接測(cè)量出峰峰值、頻率、周期等數(shù)據(jù)，用于判斷脈沖變工作狀態(tài)是否良好，從而可以檢驗(yàn)功率柜輸出均流等問(wèn)題。

圖2 脈沖變?cè)吅透边叢ㄐ?/p>

通過(guò)觀察圖3不同控制角的小電流波形圖，可以判斷調(diào)節(jié)器控制功能、功率柜整流功能是否正常，同步信號(hào)回路的相序和相位以及調(diào)節(jié)器的觸發(fā)脈沖是否正確，同時(shí)，通過(guò)示波器可以直觀的測(cè)量出波形圖的周期、頻率、峰峰值、上升時(shí)間、下降時(shí)間、正負(fù)占空比等重要試驗(yàn)數(shù)據(jù)，方便后續(xù)對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)功能進(jìn)行評(píng)估。

圖3 勵(lì)磁小電流波形圖

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)勵(lì)磁系統(tǒng)控制及整流回路功能檢驗(yàn)裝置，可以在機(jī)組未并網(wǎng)前，模擬進(jìn)行發(fā)電機(jī)開(kāi)機(jī)、增磁、減磁、電源消失、調(diào)節(jié)器通道自動(dòng)切換、停機(jī)、斷路器合閉鎖逆變命令等試驗(yàn)，進(jìn)而通過(guò)直接觀察勵(lì)磁調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)、功率柜輸出電壓波形、脈沖變?cè)吅透边叢ㄐ?，快速而有效的判斷?lì)磁系統(tǒng)控制及整流回路功能是否正常，同步信號(hào)回路的相序和相位以及調(diào)節(jié)器的觸發(fā)脈沖是否正確。此裝置已成功應(yīng)用到葛洲壩電站機(jī)組檢修中，大大減少了檢修維護(hù)工作量和檢修維護(hù)時(shí)間，也不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、安全效益和環(huán)境效益，提高了發(fā)電機(jī)開(kāi)機(jī)成功率，提升了勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的可靠性。