NES6100型勵磁調節器電源回路優化研究

王金虎，孫 暉，秦志勇

（浙能阿克蘇熱電有限公司，新疆維吾爾自治區 阿克蘇 843000）

0 引言

發電機勵磁系統在電力系統中起著非常重要的作用，隨著大電網的互聯運行以及電力系統容量不斷倍增，加之快速勵磁裝置的廣泛應用，電力系統也出現了許多新的問題。例如，由于系統阻尼不足出現的低頻振蕩，遠距離輸電線路的串聯補償電容引起的次同步振蕩及軸系扭振，系統無功不足、無功功率平衡破壞導致的電壓崩潰，這些都威脅著電力系統的穩定運行[1-3]。因此，提高勵磁系統運行的可靠性和穩定性顯得尤為重要，對于電網和發電機的安全穩定運行具有重要的實現意義[4,5]。

本文研究了某熱電公司實際運行過程中勵磁系統運行存在的安全隱患，通過對勵磁調節器電源部分的改進，簡單的接線方式，使可控硅勵磁系統的運行更加可靠[6]。消除了單一電源開關跳閘引起兩套勵磁調節器同時故障而使發電機失磁跳機的安全隱患，為火電機組勵磁調節器安全運行及優化改造提供參考。

1 勵磁調節器基本情況及運行隱患

1.1 勵磁調節器基本情況

某公司勵磁系統采用機端自并勵靜態可控硅整流方式，主要由勵磁變、三相全控橋式整流裝置、滅磁裝置、起勵裝置、微機勵磁調節器等組成。勵磁交流電源取自發電機機端，發電機機端電壓經勵磁變壓器降壓整流，通過滅磁開關（磁場開關）供給發電機轉子繞組，建立旋轉磁場，控制勵磁電流來調節同步發電機機端電壓和無功功率。

發電機勵磁系統均采用國內某公司制造的NES6100型號勵磁調節器，調節器控制單元采用高性能微處理器PowerPC 和兩塊支持高速浮點運算的數字信號處理器DSP構成的多核硬件平臺，采用嵌入式實時多任務操作系統，模塊化軟件程序設計，并配備網絡化的人機交互系統。

1.2 勵磁調節器運行安全隱患

1.2.1 直流環路互竄隱患

該公司每臺機組配置兩段220V 直流母線，分別配置一套直流絕緣監測裝置。由于原直流絕緣監測裝置功能單一，2021 年5 月結合機組檢修，對1 號機220V 直流絕緣監測裝置進行了換型升級，并在直流系統每一支路上加裝高精度漏電流傳感器，提高了直流回路絕緣監測的靈敏性。當直流系統發生異常時，直流絕緣監測裝置啟動選線，可監測直流系統正極接地、負極接地、正負極同時接地、環路互竄、蓄電池接地等主要故障，故障信息顯示在裝置屏幕上。

2021 年06 月17 日，1 號機組檢修結束后，勵磁系統滅磁開關兩路控制電源恢復送電，220V 直流1A 段絕緣監測裝置報“主屏A 段12 路環路互竄告警”，220V 直流1B段絕緣監測裝置報“主屏B 段12 路環路互竄告警”，檢查確認報警支路分別為1 號機滅磁開關控制電源1，1 號機滅磁開關控制電源2。

1 號機組220V 直流絕緣監測裝置在換型后監測到直流環路互竄，是新換型的絕緣監測裝置問題，還是勵磁系統二次回路存在隱患，引起了高度關注。經過分析研究發現1 號機滅磁開關兩路控制電源環路互竄報警實為勵磁調節器二次回路設計缺陷導致，換型前的直流絕緣監測裝置因功能較為單一，而一直未能發現環路互竄的缺陷。

正常情況下，兩套直流系統獨立運行。由于各種原因使直流系統之間電氣連接形成環網，在直流系統故障時可能會導致繼電保護裝置無法正確動作，使得在系統發生故障時擴大事故范圍[7,8]。

1.2.2 發電機失磁隱患

2021 年，1 號機勵磁調節器開展靜態試驗過程中，在拉開1 號機B 套勵磁調節器裝置直流電源總開關時，發現A 套、B 套勵磁調節器開入信號異常。經檢查二次回路，發現1 號勵磁調節器開入電源為單電源，取自B 套勵磁調節器直流電源，同時供兩套勵磁調節器使用，如果B 套勵磁調節器直流電源故障，則會造成A 套、B 套勵磁調節器同時失去開入電源。機組運行過程中，如果因單一電源開關跳閘而引起兩套勵磁調節器同時故障，那機組必然因失去勵磁而跳機。如果電力系統中無功功率儲備不足，將使系統中鄰近點的電壓低于允許值，破壞負荷與各電源間的穩定運行，甚至造成系統電壓崩潰[9,10]，存在非常大的安全隱患。后經進一步檢查，采用同類型勵磁調節器的2 號機組也存在同樣的安全隱患。

2 勵磁調節器二次回路優化

2.1 勵磁調節器脈沖電源回路優化

直流環路互竄雖然未造成實質性故障而影響機組安全運行，但本著防患于未然的初衷，公司電氣技術人員對勵磁調節器脈沖電源原理圖進行了深入分析研究，發現1 號機勵磁調節器滅磁開關有兩個跳閘線圈，其兩路控制電源分別取自220V 直流1A 段和220V 直流1B 段，任一路跳閘回路動作后，會同時斷開脈沖觸發電源，使功率柜的可控硅關斷。由圖1 可知，斷開脈沖觸發電源通過一個中間繼電器KA1 實現，此設計導致滅磁開關兩路直流控制電源的負極通過KA1 線圈連接在一起了，從而導致220V 直流1A 段和220V 直流1B 段產生負極環路，影響了直流系統的穩定運行。原有勵磁調節器脈沖電源回路原理圖如圖1 所示。

圖1 勵磁調節器脈沖電源回路原理圖（原圖）Fig.1 Schematic diagram of excitation regulator pulse power supply circuit（original drawing）

為此，擬定二次回路優化方案如下：拆開1 號機勵磁調節器脈沖電源控制回路中KA1 繼電器處的并聯點，在KK-19、KK-20 號端子之間增加一個中間繼電器KA2，在脈沖電源回路KA1 繼電器輔助觸點后，串聯KA2 繼電器的常閉觸點，實現滅磁開關跳閘后KA1 或KA2 繼電器任一動作均可斷開脈沖電源，如圖2 所示。

圖2 勵磁調節器脈沖電源回路原理圖（優化后）Fig.2 Schematic diagram of excitation regulator pulse power supply circuit (optimized)

2022 年5 月，1 號機組檢修期間實施了優化方案。二次回路優化后，實現了繼電器KA1 配合滅磁開關第一路跳閘線圈動作后斷開脈沖電源，繼電器KA2 配合滅磁開關第二路跳閘線圈動作后斷開脈沖電源，使滅磁開關的兩路直流控制電源不再直接連接，從而避免產生環路互竄現象。改造完成后，對1 號機勵磁調節器進行了小電流試驗及滅磁開關傳動，驗證了脈沖電源回路的正確性、可靠性，證明二次回路優化解決了滅磁開關跳閘封脈沖回路引起的兩路控制電源環路互竄問題，有效提高了220V 直流1A 段、1B 段分列運行的可靠性。

2.2 勵磁調節器開入電源優化

1 號機A 套、B 套勵磁調節器裝置均由雙路電源（一路交流、一路直流）供電，任一路失電均不影響勵磁調節器裝置運行。兩套勵磁調節器共用一路開入電源，該開入電源取自B 套勵磁調節器裝置直流電源。如圖3 所示，開入電源開關Q6 與B 套勵磁調節器直流電源開關Q4 同源。在1 號機組運行中，若Q4 開關跳閘，則不影響B 套勵磁調節器運行，但若Q4 開關的進線電源開關跳閘，則會使兩套勵磁調節器開入電源失電，導致兩套勵磁調節器失去開入電源而故障，引起機組失磁跳機。原有勵磁調節器開入電源原理圖如圖3 所示。

圖3 勵磁調節器開入電源原理圖（原圖）Fig.3 Schematic diagram of excitation regulator input power supply (original diagram)

為此，基于對勵磁調節器開入電源原理圖的分析研究，擬定優化方案如下：在1 號機勵磁調節器裝置開入電源開關Q6 上端，增加“由直流接觸器K70 構成的雙電源自切換回路”。電源1 取自A 套勵磁調節器直流電源開關Q3 的進線，電源2 取自B 套勵磁調節器直流電源開關Q4的進線，如圖4 所示。機組運行中，Q3 開關的進線電源和Q4 開關的進線電源均正常，K70 接觸器得電，其常開輔助觸點（1 和2、3 和4）閉合，常閉輔助觸點（R1 和R2、R3 和R4）斷開，開入電源開關Q6 由Q3 開關的進線電源供電；當Q3 開關的進線電源失電時，K70 接觸器失電，其常開輔助觸點（1 和2、3 和4）斷開，常閉輔助觸點（R1 和R2、R3 和R4）閉合，開入電源開關Q6 由Q4 開關的進線電源供電，從而確保了開入電源不會失電。

圖4 勵磁調節器開入電源原理圖（優化后）Fig.4 Schematic diagram of excitation regulator input power supply (optimized)

2022 年5 月，1 號機組檢修期間實施了優化方案。二次回路優化后，單路直流電源改為雙路直流電源自動切換，從而實現當某一套勵磁調節器直流電源進線因故失電時，不會導致開入電源失電，提高了勵磁調節器運行的可靠性。改造完成后，結合勵磁調節器小電流試驗進行了開入電源切換測試，驗證了雙電源自動切換回路的可靠性及開入電源的正確性。證明二次回路優化消除了單一電源開關跳閘引起兩套勵磁調節器同時故障，而使發電機失磁跳機的安全隱患。

3 結語與建議

本研究主要講述了通過對1 號機組勵磁系統二次回路優化改造，集中處理勵磁系統二次回路的兩個隱患方法和思路。2022 年06 月28 日，1 號機組并網投運后，勵磁系統運行穩定，220V 直流系統未再發生滅磁開關控制電源環路互竄報警，改造取得了良好成效。

此次勵磁調節器二次回路優化研究為后續現場工作提供以下建議：

1）重視和發揮好直流絕緣監測裝置的作用，發現問題及時分析，對癥治理。

2）加強電氣設備二次回路原理圖的分析研究，多思考、多質疑，盡早發現不完善之處，及時處理，消除隱患。