發電機勵磁功率柜風機停運分析及回路改進

沈曉暉

(中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300)

0 引言

發電機勵磁系統是同步發電機的核心控制設備，其主要作用是產生可以任意控制其大小的直流電流，并向發電機轉子繞組輸送。某650 MW核電機組采用三機無刷勵磁系統，由副勵磁機(永磁機)、轉樞式主勵磁機、旋轉整流器及微機勵磁調節器等組成。永磁副勵磁機定子經永磁機交流開關后輸出400 Hz的三相交流電，在自動電壓調節器(automatic voltage regulator，AVR)的控制下經四橋并聯方式運行的三相橋式可控硅整流，其并聯直流輸出經過滅磁開關后供給主勵磁機勵磁繞組；主勵磁機旋轉電樞輸出的200 Hz交流電再經旋轉二極管整流后，作為汽輪發電機轉子勵磁電源，建立三相旋轉磁場。AVR根據汽輪發電機機端電壓互感器(potential transformer，PT)、電流互感器(current transformer，CT)取得的電壓、電流和其他狀態量調節信號，閉環控制回路改變整流器的控制角，以此相應改變勵磁電流，從而維持發電機恒定的機端電壓，同時還對發電機和主勵磁機的磁場進行接地監測，限制轉子、定子電流以保證發電機的穩定運行和防止其過熱，從而確保發電機組的安全和輸出電能的質量。

勵磁系統的穩定運行和機組的穩定運行息息相關，其中，功率單元是發電機勵磁系統的重要組成部分，擔負著將交流電壓變換為直流電壓，向發電機提供勵磁電流的重要任務[1-2]。功率單元主回路一般由6只晶閘管三相橋式全控整流電路及阻容吸收回路等附屬設備組成。功率單元在運行過程中，晶閘管和阻容吸收的電阻會產生較大的熱量，如果熱量不能及時排除，將導致元器件過熱而損壞，因此功率柜需配置冷卻系統降溫。常用的冷卻方式是由冷卻風機通過強迫風冷實現散熱。冷卻風機對于勵磁系統散熱、保證容量等方面起著十分重要的作用，冷卻系統喪失將造成功率柜溫度異常升高，限制勵磁調節器強勵能力，影響到勵磁系統的出力和機組的正常運行，所以當風機停止工作時，勵磁系統需可靠發出報警信號[3-9]。

下面分析了一起功率整流柜風機停運事件的原因，闡述了勵磁系統風機回路存在的問題，并針對此問題提出了相應的優化改進措施，有效杜絕因勵磁系統故障引起的機組非停，供相關專業技術人員參考。

1 勵磁系統風機回路基本配置

勵磁系統可控硅整流橋采用四橋并聯運行方式，共同提供主勵磁機勵磁電源。每套勵磁系統配置2臺功率整流柜，每臺整流柜配置2個完全獨立的整流橋，采用鋁散熱器、配風機冷卻，同時具備溫顯測溫功能，實時監測柜內溫度，確保可控硅整流柜風溫維持在正常工作范圍內。如果功率柜發生故障，勵磁調節器報“硅柜限制”，并執行限制程序，軟件邏輯如圖1所示。當任意1個整流橋退出運行后，剩余支路仍能滿足發電機所有運行工況要求(包括強勵)；當退出2個整流橋后，仍能夠保證1.1倍額定出力。

圖1 硅柜限制邏輯

散熱風機采用兩路獨立的不間斷電源(uninterruptible power supply，UPS)供電，回路接線如圖2所示，風機I路電源帶1，3號整流橋風機運行，風機II路電源帶2，4號整流橋風機運行，每組整流橋均配置2臺散熱風機，發電機正常運行時4組整流橋并列運行，8臺散熱風機均投入運行。其中風機II路電源與發電機轉子接地保護的舉刷電源共用一路UPS電源。

圖2 整流柜風機電源回路接線

發電機轉子接地保護選用疊加直流電壓式轉子一點接地保護，探測回路裝有用來探測發電機勵磁回路絕緣的碳刷，碳刷安裝在大軸和發電機勵磁繞組(直流側)之間，由交流220 V轉換成交流120 V電源控制的電磁線圈驅動舉刷進行探測。裝置具有定時舉刷功能，可通過整定舉刷周期和舉刷時間定時輸出一副舉刷接點，從而接通探測回路，監視轉子絕緣。發電機轉子一點接地保護動作僅發信號，而不動作跳閘。發電機轉子接地保護回路，如圖3所示。

圖3 發電機轉子接地保護回路

2 故障現象及原因分析

2.1 故障現象

2020-12-17，主控室觸發2GEX007AA (勵磁告警)，現場檢查發現勵磁調節裝置報“綜合告警板3開入7 (工作電源掉電)”、報警指示器報“勵磁告警”、上游UPS供電電源2LNQ211JS (風機II路電源)紅色指示燈熄滅、勵磁系統2，4號功率單元風扇運行指示消失，由于喪失冷卻風扇，2，4號功率單元溫度20 min內上升30 ℃，最高至84 ℃，由于溫度過高觸發“硅柜限制”。

2.2 故障處理

為避免功率單元故障引起功率瞬態甚至停機，運維人員立即采取緊急措施：打開勵磁功率柜前后柜門散熱、降低繼保間空調溫度，同時降低機組無功出力并切除2號和4號功率單元脈沖信號。之后2，4號功率單元溫度逐漸下降。后續檢查發現上游熔斷器2LNQ211JS熔絲熔斷，對其進行了更換，在確認負荷無異常后重新投運開關，勵磁系統恢復至正常運行狀態。

2.3 原因分析

2號發電機勵磁系統于2020年10月完成技術改造，根據原設備廠家設計，發電機磁場接地探測舉刷回路配置的變壓器為500 VA，熔絲額定電流為16 A。為更好地為下游負荷提供保護，設計院在改造設計時根據2LNQ211JS下游負荷(500 VA變壓器、4臺64 W風機)將其熔絲選定為6 A，經過反復試驗和運行考驗，未發現異常。但此次熔絲在下游負荷未發生異常的情況下熔斷，可能有兩個原因：一是熔絲質量缺陷；二是熔絲額定電流選取得過于貼近負荷額定電流。

2LNQ211JS為風機II路電源/舉刷電源開關，取自UPS電源，電壓等級220 V，負載有勵磁功率單元4臺64 W風扇和1個接地探測舉刷電磁鐵，電磁鐵每24 h舉刷一次，持續30 s，4臺風扇長期運行。現場實測舉刷時，變壓器原邊最大電流約為7.7 A，加上風機電流1.2 A，超過熔絲額定電流。因此故障原因判斷為：由于2LNQ211JS熔斷器選型6 A，每天舉刷時的30 s該熔斷器會短時過載，長期積累效應造成熔斷器老化熔斷。

2.4 解決方法

鑒于負荷有很大改變，按照500 VA選擇的6 A額定電流熔斷器已不再適用于7.7+1.2=8.9 A的實際約2 kVA負荷(1.2 A風機連續運行負荷和7.7 A舉刷短時斷續負荷)。根據熔斷器配置標準，熔斷器一般不小于1.5倍負載額定電流，2LNQ211JS應選13.5 A以上熔斷器，現場緊急改用16 A額定電流的熔斷器以滿足實際負荷電流的要求。

3 回路優化改進

針對上述發生的勵磁系統故障，為避免類似情況的出現，需對風機和舉刷回路進行設計優化，以提高其可靠性，提出以下幾點改進措施。

3.1 風機回路改進

本勵磁系統可控硅整流橋采用四橋并聯方式運行，原設計為風機I路電源帶1，3號整流橋風機運行，風機II路電源帶2，4號整流橋風機運行。這種設計的弊端在于：當某一路風機電源喪失后，下游所對應的兩個整流橋中的風機將全部停運，導致相應整流橋溫度迅速上升，當超過溫度報警值后，將觸發“硅柜限制”，限制勵磁強勵能力。因此有必要合理使用外部引入的2路風機電源，以保證失去一路電源時，還可通過另一路電源維持勵磁各個分支整流橋不超溫，保證風機的可靠供電。

經與廠家討論后決定優化風機回路，將每組整流橋的風機改成用不同的電源供電，風機停轉的檢測電源交叉配置，保證即使喪失一路風機電源，每組整流橋中仍有1臺風機保持運行，使整流橋溫度不至于過高，且保證風機停轉信號能可靠送出。改進后回路接線如圖4所示。

圖4 優化后整流柜風機電源回路接線

3.2 舉刷回路改進

(1) 舉刷變壓器選擇。實測舉刷動作時500 VA變壓器數據：變壓器副邊電壓86.6 V、電流為19 A、原邊電壓214.6 V。

據此計算舉刷時容量：

根據干式變壓器的過載能力曲線在起始負載為0時，變壓器具有約2.1倍過載持續運行15 min的能力。

為減小舉刷時變壓器過載量，調整變壓器設計容量為1 000 VA，變比維持220 V/120 V不變。

(2) 舉刷時間設置。根據實測舉刷時副邊電流19 A，數值較大，需要綜合考慮變壓器容量、舉刷電磁鐵工作能力、電纜載流量等情況設定舉刷時間。舉刷設定維持不變，仍設置為每24 h舉刷30 s。

(3) 舉刷電源空開選擇。空開位于變壓器原邊，計算舉刷時原邊電流：

選配空開額定電流比較6 A，10 A兩個方案：對于6 A空開，根據脫扣曲線，流過7.7 A電流時脫扣時間約為200 s；對于10 A空開，不會脫扣。經過比較，選擇10 A空開。

4 結束語

功率整流柜的冷卻風機是保障勵磁系統散熱、保證容量等方面的重要設備。以上介紹了某核電機組勵磁系統的基本配置和工作原理，并結合一起功率整流柜風機停運事件的原因分析和故障處理，闡述了勵磁系統風機回路存在的問題，并針對性地提出了合理的優化改進措施，有效避免機組非停，為防范發電機勵磁系統類似故障提供了借鑒。