水輪發電機組勵磁起勵回路對直流電源系統影響的分析

徐勇軍 石江華

貴州黔源電力股份有限公司普定發電公司 貴州安順 562100

1 事故情況

勵磁直接影響發電機、發電廠、電網的安全穩定和經濟運行。勵磁控制系統是發電廠中極為重要的關鍵設備,主要任務是向發電機勵磁繞組提供一個可以根據需要進行調節的直流電壓,維持機端電壓恒定,滿足發電機正常發電的需要,同時控制發電機組之間無功功率的合理分配,提高同步發電機并列運行的穩定性,滿足電力系統安全穩定運行的需要。隨著電力工業的發展,自并勵勵磁系統在水輪發電機組中得到廣泛應用。勵磁系統是發電廠電力系統的核心控制裝置之一,勵磁系統的合理設計對電力系統而言非常重要,勵磁系統設計的可靠性、可維護性、便于操作性等,將影響電力系統的可靠運行,也會影響后期日常維護和檢修過程。在自并勵勵磁系統中,發電機的起勵方式有直流電源起勵、交流電源起勵、殘壓起勵。起勵控制回路的設計可靠性關系到發電廠的安全運行。在沒有殘壓起勵功能時,使用直流電源起勵或交流電源起勵,需要向發電機組轉子提供很大的電流。這一電流最大時達到額定空載電流的10%,會對發電廠的直流電源系統或交流電源系統造成很大沖擊,可能引起繼電保護及安全自動裝置誤動作。

某水電站位于烏江上游南源貴州省安順市普定縣三岔河中游,距貴陽市125 km。水庫正常蓄水位為1 145 m,總庫容為4.013 7億m3,為不完全年調節水庫。水電站原總裝機容量為75 MW,共裝設三臺25 MW立軸混流式水輪發電機組,年平均發電量為3.16億kW·h。這一水電站以發電為主,兼有供水、灌溉、養殖、旅游等綜合功能。水電站樞紐由碾壓混凝土拱壩、壩身泄洪系統、右岸引水系統、右岸岸邊式地面廠房及開關站組成。水電站引水系統由進水口、漸變段、引水隧洞、鋼筋混凝土岔管、壓力鋼管段組成,總長約280 m,為一管三機引水型式。水電站于1989年12月開工建設,1993年11月開始蓄水,1994年6月第一臺機組發電。投產至今,多數設備已達到經濟運行年限,同時受當時設計、制造條件的限制,設備及其配套設施較差,水電站運行過程中出現一系列問題,水輪發電機組老化,線圈絕緣等級低,自動化水平低,多年來事故頻發。尤其是水輪發電機組運行穩定性差,高水頭額定負荷為25 MW時振動嚴重。為了避開該負荷下的振動區,調度允許三臺機組出力增大至28 MW。多年來,由于機組長期超額定負荷運行,加上定子繞組絕緣水平偏低,使三臺機組定子繞組及鐵心溫度長期超過105 ℃運行,定子繞組流膠嚴重。加上三臺機組效率偏低,三臺主變壓器及七臺廠用變壓器損耗大,使水電站年度綜合損耗較大。機組長期偏離最優工況運行,加速機組老化和磨損。為保證機組安全運行,于2016年啟動三臺機組的增容改造工程。其中,1號機組于2018年10月22日開始施工,2019年3月28日并網發電,2號機組于2017年10月29日開始施工,2018年4月10日并網發電,3號機組于2016年10月12日開始施工,2017年4月12日并網發電。

三臺機組勵磁系統采用自并勵勵磁系統,起勵方式為直流電源起勵,直流電源取自廠站直流電源220 V系統。機組勵磁系統起勵時,對直流電源系統產生巨大沖擊和諧波干擾,可能會造成繼電保護及安全自動裝置誤動作。

2 直流電源起勵原理

水輪發電機組自并勵勵磁系統直流電源起勵控制回路一般原理如圖1所示,控制回路由起勵限流電阻BR、起勵二極管ZD、起勵接觸器KM2等元件組成。水輪發電機組自并勵勵磁系統采用無殘壓起勵功能,起勵時需要給轉子提供很大的電流,用于轉子建立磁場。勵磁系統起勵控制回路的起勵電源取自廠站直流電源220 V系統,當按下起勵按鈕SB3或接收到遠程起勵命令時,起勵接觸器KM2線圈帶電,起勵接觸器KM2的常開觸點閉合,將直流220 V電源經過起勵二極管ZD和起勵限流電阻BR接入轉子,向轉子提供電流,建立磁場。轉子轉動切割定子繞組,定子繞組建立三相交流電壓。三相交流電壓經過勵磁變升壓后,輸出至勵磁系統勵磁功率柜三相整流橋,作為供電電源。晶閘管整流的直流電壓又供給轉子,與起勵電源并聯在一起。當勵磁功率柜三相整流橋的輸出電壓大于直流電源電壓時,起勵二極管ZD反向截止,直流電源的正極和轉子隔離。按下起勵按鈕SB3或遠程起勵命令的保持時間短于晶閘管輸出電壓大于直流電源電壓所需時間時,起勵接觸器KM2線圈失電,起勵接觸器KM2的常開觸點斷開,直流電源正極、負極和轉子完全斷開。按下起勵按鈕SB3或遠程起勵命令的保持時間長于晶閘管輸出電壓大于直流電源電壓所需時間時,起勵二極管ZD反向截止,直流電源的正極和轉子隔離,直至起勵按鈕SB3釋放或遠程起勵命令消失,直流電源的負極才和轉子隔離。勵磁系統起勵直至起勵接觸器KM2線圈失電,起勵接觸器KM2常開觸點斷開時,都與廠站直流電源220 V系統存在電氣回路上的聯系,這導致在勵磁系統起勵時,廠站直流電源220 V系統或多或少會受到勵磁系統晶閘管整流橋輸出量的干擾,以及為轉子提供較大轉子電流的沖擊,引起廠站直流電源220 V系統電壓波動,嚴重時甚至會導致繼電保護及安全自動裝置誤動作。

3 直流電源起勵方式的影響

水輪發電機組自并勵勵磁系統采用直流電源起勵方式時,需要給轉子提供一個很大的電流,消耗大量直流電能,這會對廠站直流電源220 V系統產生較大沖擊和干擾。晶閘管整流橋輸出直流分量和諧波分量在很大程度上也會污染廠站直流電源220 V系統。兩者綜合影響,會使直流電源220 V系統產生一定程度的電壓波動,尤其是起勵二極管從導通到截止的時間段,晶閘管整流橋輸出直流分量和諧波分量對廠站直流電源220 V系統的干擾最大,引起繼電保護及安全自動裝置誤動作的可能性也最大。

1號機組勵磁系統起勵時,造成廠站直流電源220 V系統電壓劇烈波動,導致某條35 kV出線開關誤動作跳閘,故障錄波裝置開入量誤動作。開關跳閘時的故障錄波波形如圖2所示,可見直流電源220 V系統電壓出現兩個時間段的波動。第一個時間段為-0.02～0.291 s,出現幅值為183.093～253.2 V的周期性波動,造成302斷路器跳位、101線路永久跳閘、1號主變差動保護動作等的開關量出現不同程度的跳變現象。第二個時間段為0.291～0.320 s,出現幅值為119.3～253.2 V的波動,造成35 kV梭沙302線路斷路器跳閘動作。

當直流電壓為最低值119.3 V時,直流電壓的諧波分量見表1。

圖1 水輪發電機組自并勵勵磁系統直流電源起勵控制回路一般原理

圖2 故障錄波波形

表1 直流電壓諧波分量 V

從表1中可以看出,奇次諧波對直流的干擾最大,特別是三次諧波,幅值達到16.95 V。

此次勵磁系統起勵時導致直流電源220 V系統出現波動,對全廠開關量造成擾動,具體情況見表2。-0.02～0.320 s時,開關量變位次數多達500次。第一時間段-0.02～0.291 s內影響的開關量達到四種,占總量的44.4%。第二時間段0.291～0.320 s內影響的開關量達到九種,占總量的100%。

表2 全廠開關量擾動

通過以上分析,水輪發電機組自并勵勵磁系統在起勵時,對直流電源220 V系統產生沖擊和諧波干擾,這是造成35 kV斷路器誤跳閘和故障錄波裝置開入量誤動作的直接原因。

4 整改措施

針對勵磁系統起勵對直流電源220 V系統產生沖擊和諧波干擾,造成35 kV斷路器誤跳閘和故障錄波裝置開入量誤動作,對勵磁系統起勵回路進行研究分析,從可行性角度出發,制訂了整改措施。在起勵回路負極回路中串入一個起勵二極管ZD1,如圖3所示。起勵二極管ZD1與原起勵二極管ZD配合使用,勵磁系統起勵時轉子電壓高于起勵電源電壓,起勵二極管ZD和ZD1均截止,起勵電源完全和發電機組轉子隔離,由此減小對直流電源220 V系統的沖擊和諧波干擾。

對勵磁系統起勵控制回路進行整改后,在勵磁系統起勵時對直流電源電壓進行錄波,錄波波形如圖4所示。對錄波數據分析,勵磁系統起勵造成直流電源電壓波動范圍為215.2～232.07 V,擾動時長為2.5 ms。當直流電壓為最低值215.2 V時,直流電壓的諧波分量見表2,可知諧波分量很小。調查故障錄波裝置,錄波開關量未啟動,由此可見勵磁系統起勵對直流電源系統的沖擊和干擾很小,對其它設備的安全運行無威脅。

圖3 整改措施

圖4 整改后錄波波形

表3 整改后直流電壓諧波分量 V

5 結束語

直流電源起勵的水輪發電機組,在起勵瞬間會對廠站直流電源220 V系統生產沖擊和諧波干擾,直接影響繼電保護及安全自動裝置的安全運行。通過對水輪發電機組勵磁起勵回路對直流電源220 V系統的影響進行研究分析,提出在勵磁系統起勵回路負極回路中串入一個起勵二極管。這一起勵二極管與原起勵二極管配合使用,當轉子電壓高于起勵電源電壓時,兩個起勵二極管均截止,起勵電源完全和發電機組轉子隔離。對整改前和整改后的水輪發電機組自并勵勵磁系統進行直流電源起勵,分析對直流電源220 V系統產生的沖擊和諧波干擾。在勵磁系統起勵回路負極回路中串入一個起勵二極管后,可以大大減小對直流電源220 V系統的沖擊和諧波干擾,保證繼電保護、安全自動裝置及其它設備的安全運行。