同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁功率柜風(fēng)機(jī)電源回路的設(shè)計(jì)改進(jìn)

周 濤，嚴(yán)欣婷，廖 容，李兼伐

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023）

0 引言

同步發(fā)電機(jī)多采用自并勵(lì)的勵(lì)磁方式，在發(fā)電機(jī)出口端設(shè)置一臺(tái)勵(lì)磁變壓器，將發(fā)電機(jī)出口三相交流電降壓后再經(jīng)晶閘管整流[1]，轉(zhuǎn)換成可調(diào)的直流電，再輸送至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁線圈，從而形成發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)換所需的可調(diào)節(jié)磁場(chǎng)。

同步發(fā)電機(jī)容量越大，發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電流也會(huì)越大，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流經(jīng)過(guò)可控整流的晶閘管時(shí)，晶閘管產(chǎn)生的熱量也越大。為了給晶閘管散熱，晶閘管的P 極和N 極一般均安裝一塊散熱專(zhuān)用的鋁型材，兩塊鋁型材通過(guò)帶絕緣材料的螺栓固定連接在一起并形成兩極的接線柱，如圖1 為1000 A 晶閘管及其散熱器總裝圖。

圖1 晶閘管及散熱器

對(duì)于小型發(fā)電機(jī)，額定勵(lì)磁電流不是很大，只要選擇合適的散熱器，采用自然通風(fēng)冷卻的方式，即可滿足晶閘管的散熱要求；對(duì)于單機(jī)容量在630 kW 以上的發(fā)電機(jī)，其勵(lì)磁電流會(huì)達(dá)到100 A 以上，采用自然通風(fēng)冷卻的方式則難以滿足要求，因此，往往采用勵(lì)磁柜頂安裝冷卻風(fēng)機(jī)往上送風(fēng)的方式進(jìn)行冷卻，工作時(shí)，冷風(fēng)自柜體下部進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，經(jīng)散熱器后被柜頂風(fēng)機(jī)加速往上送出，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫風(fēng)冷[2]。

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁冷卻風(fēng)機(jī)一般采用三相交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其電源可取自機(jī)組自用電源或廠用交流電源。為確保風(fēng)機(jī)電源的可靠性，往往采用一主一備，2個(gè)電源的方案，在主電源失電時(shí)，備用電源自動(dòng)投入，以保證風(fēng)機(jī)的可靠供電。但即使采用雙電源供電，如果風(fēng)機(jī)電源自動(dòng)切換回路設(shè)計(jì)不合理，仍可能存在安全隱患，甚至發(fā)生設(shè)備損壞的嚴(yán)重后果。

1 勵(lì)磁功率柜故障損壞事故

某鋼鐵公司熱電廠安裝單機(jī)容量12.5MW 的發(fā)電機(jī)組，勵(lì)磁系統(tǒng)由勵(lì)磁調(diào)節(jié)柜和功率柜組成。勵(lì)磁功率柜中主要安裝三相共6 個(gè)晶閘管組成的橋式整流電路并采用柜頂風(fēng)機(jī)風(fēng)冷的方式。風(fēng)機(jī)控制電氣主回路見(jiàn)圖2，主電源取自熱電廠廠用變壓器，備用電源取自鋼鐵公司高爐車(chē)間配電變壓器。兩電源均經(jīng)過(guò)斷路器QF、接觸器1KM 送至風(fēng)機(jī)控制電路。風(fēng)機(jī)電源回路采用簡(jiǎn)約化設(shè)計(jì)，只要主電源失電，1KM 線圈斷電，則1KM 常開(kāi)主觸點(diǎn)斷開(kāi)，備用電源經(jīng)過(guò)2QF、1KM 常閉主觸點(diǎn)，自動(dòng)向風(fēng)機(jī)控制回路供電。當(dāng)主電源恢復(fù)供電時(shí)，1KM 線圈通電，常開(kāi)主觸點(diǎn)閉合，常閉主觸點(diǎn)斷開(kāi)，自動(dòng)將風(fēng)機(jī)電源切回至主電源運(yùn)行。兩電源通過(guò)接觸器1KM 實(shí)現(xiàn)互鎖，從而防止主電源與備用電源同時(shí)接通而出現(xiàn)短路事故。勵(lì)磁系統(tǒng)通過(guò)控制接觸器2KM，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻風(fēng)機(jī)啟停控制，同時(shí)2KM 的輔助觸點(diǎn)向勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)出風(fēng)機(jī)運(yùn)行/停止信號(hào)。2KM 常開(kāi)輔助觸點(diǎn)閉合時(shí)，為風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，反之為風(fēng)機(jī)停止?fàn)顟B(tài)。

圖2 風(fēng)機(jī)控制電氣主回路

某雷雨日，熱電廠廠用變壓器發(fā)生連續(xù)遭受數(shù)次雷擊，中控室監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)勵(lì)磁功率柜風(fēng)機(jī)停止信號(hào)；信號(hào)復(fù)歸后，繼續(xù)運(yùn)行。雷擊結(jié)束后一段時(shí)間，監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)勵(lì)磁功率柜風(fēng)機(jī)停止信號(hào)和主回路快速熔斷器熔斷事故信號(hào)（快速熔斷器安裝在勵(lì)磁變至晶閘管主回路中，ABC 三相，每相一個(gè)，每一個(gè)熔斷器均配有熔斷報(bào)警輔助觸點(diǎn)），觸發(fā)機(jī)組事故停機(jī)。

事故停機(jī)后，運(yùn)行維護(hù)人員對(duì)勵(lì)磁功率柜進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)3 個(gè)快速熔斷器中有2 個(gè)熔斷器熔斷，風(fēng)機(jī)主電源和備用電源均正常有電，但風(fēng)機(jī)主電源開(kāi)關(guān)1QF 和備用電源開(kāi)關(guān)2QF 全部跳閘。更換新的快速熔斷器后，投入風(fēng)機(jī)主電源和備用電源開(kāi)關(guān)，風(fēng)機(jī)均能正常運(yùn)行。在停機(jī)狀態(tài)下，采用電阻負(fù)載代替發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁線圈進(jìn)行靜態(tài)小電流試驗(yàn)[3]，發(fā)現(xiàn)晶閘管整流橋輸出電流不均衡，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)整流橋中+B相晶閘管元件損壞。

2 勵(lì)磁功率柜風(fēng)機(jī)電源故障原因分析

根據(jù)圖2 的風(fēng)機(jī)控制電氣回路，在熱電廠廠用變壓器遭受雷擊，保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)廠用變高壓側(cè)斷路器后，勵(lì)磁風(fēng)機(jī)主電源消失，備用電源應(yīng)自動(dòng)投入運(yùn)行，但在本次事故中卻出現(xiàn)風(fēng)機(jī)主電源開(kāi)關(guān)1QF 和備用電源開(kāi)關(guān)2QF 同時(shí)跳閘導(dǎo)致冷卻風(fēng)機(jī)停電，功率柜無(wú)冷卻運(yùn)行，晶閘管得不到有效冷卻，柜內(nèi)溫度升高致使晶閘管損壞短路，引起快速熔斷器熔斷，切斷勵(lì)磁主回路并觸發(fā)機(jī)組事故停機(jī)。

根據(jù)當(dāng)時(shí)的運(yùn)行記錄，在發(fā)生上述事故期間，風(fēng)機(jī)備用電源沒(méi)有出現(xiàn)任何異常現(xiàn)象，使用該備用電源的設(shè)備也沒(méi)有出現(xiàn)任何故障，說(shuō)明風(fēng)機(jī)主電源故障期間，風(fēng)機(jī)備用電源是正常的。為了查找風(fēng)機(jī)2 個(gè)電源開(kāi)關(guān)同時(shí)跳閘的原因，在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了試驗(yàn)。首先確認(rèn)主電源和備用電源正常情況下，合上1QF 和2QF，1KM 線圈得電動(dòng)作，接通主電源至風(fēng)機(jī)電路，同時(shí)切斷備用電源至風(fēng)機(jī)的電路；接著給上勵(lì)磁系統(tǒng)交直流控制及操作電源，手動(dòng)操作“風(fēng)機(jī)起動(dòng)”按鈕，2KM 線圈得電動(dòng)作，將1KM 主觸頭之后至電動(dòng)機(jī)的電路接通，風(fēng)機(jī)起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)；人工快速操作1QF 分合，模擬雷擊時(shí)風(fēng)機(jī)主電源快速通斷的故障工況。試驗(yàn)結(jié)果表明，1QF 通斷切換時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，風(fēng)機(jī)主備電源切換及風(fēng)機(jī)工作均正常無(wú)異，但在快速分合1QF 時(shí)，1KM 主觸頭間火花明顯，連續(xù)幾次快速分合1QF 后，1QF 和2QF 全部跳閘。

根據(jù)圖2 和上述試驗(yàn)情況分析，在風(fēng)機(jī)主備電源切換時(shí)，如果主電源消失和恢復(fù)間隔時(shí)間較長(zhǎng)，則風(fēng)機(jī)電源或成功切換，但如果主電源消失和恢復(fù)時(shí)間很短時(shí)，切換接觸器快速動(dòng)作過(guò)程中，觸頭間電弧未熄滅前，接觸器的常開(kāi)觸頭和常閉觸頭因電弧而呈現(xiàn)為連通狀態(tài)，導(dǎo)致主電源和備用電源相間短路，引起電源開(kāi)關(guān)過(guò)流而跳閘。本事故的原因應(yīng)該是廠用變壓器在遭受雷擊時(shí)出現(xiàn)瞬間停電而又迅速恢復(fù)供電而導(dǎo)致的。

3 勵(lì)磁功率柜風(fēng)機(jī)電源設(shè)計(jì)改造方案

上述事故的發(fā)生，根本原因在于風(fēng)機(jī)主備電源切換電路設(shè)計(jì)過(guò)于簡(jiǎn)單，沒(méi)有充分考慮主電源瞬間斷電又恢復(fù)供電時(shí)，1KM 觸頭間的電弧會(huì)導(dǎo)致主備電源短路的異常情況。為此，提出以下兩種設(shè)計(jì)改造方案。

3.1 無(wú)主備式風(fēng)機(jī)電源設(shè)計(jì)改造方案

圖3 為無(wú)主備式風(fēng)機(jī)電源設(shè)計(jì)改造方案，兩路電源均通過(guò)各自的電源開(kāi)關(guān)QF 和接觸器KM 向風(fēng)機(jī)控制回路供電。兩路電源不再區(qū)分主電源和備用電源，均作為工作電源來(lái)使用。如在風(fēng)機(jī)電源上電時(shí)，先合上1QF，再合上2QF，此時(shí)1KM 先動(dòng)作，接通電源1向風(fēng)機(jī)的供電電路，同時(shí)1KM 的常閉觸點(diǎn)閉鎖了2KM 線圈電路，2KM 不會(huì)動(dòng)作，此時(shí)電源1 為風(fēng)機(jī)工作電源。工作過(guò)程中，如出現(xiàn)電源1 停電，則1KM 線圈斷電復(fù)歸，在電源2 正常情況下，2KM 動(dòng)作，接通電源2 向風(fēng)機(jī)的供電回路，電源2 切換為風(fēng)機(jī)工作電源，在此之后，如果電源1 恢復(fù)正常，風(fēng)機(jī)工作電源也不會(huì)自動(dòng)切換，除非電源2 停電，才會(huì)自動(dòng)切換回已恢復(fù)正常的電源1 供電。

圖3 無(wú)主備式風(fēng)機(jī)電源方案

在本方案中，采用了2 個(gè)帶有滅弧裝置接觸器的主觸頭來(lái)控制2 個(gè)電源的通斷，同時(shí)2 個(gè)接觸器控制回路采用對(duì)方輔助觸點(diǎn)設(shè)計(jì)了互鎖功能，任一個(gè)接觸器動(dòng)作的前提是另一個(gè)接觸器處于線圈斷電、常開(kāi)主觸頭已斷開(kāi)、常閉輔助觸點(diǎn)已閉合狀態(tài)，因此可從電氣上閉鎖了2 個(gè)KM 同時(shí)動(dòng)作，避免出現(xiàn)2 個(gè)電源短路的情況，同時(shí)，在電源切換過(guò)程中，也是常開(kāi)主觸頭先斷開(kāi)，之后常閉輔助觸點(diǎn)接通，才能完成電源切換。本方案電源切換的時(shí)間比圖2 的設(shè)計(jì)方案明顯多出一個(gè)接觸器動(dòng)作時(shí)間，增加的這個(gè)切換時(shí)間對(duì)晶閘管冷卻影響不大，但卻對(duì)加強(qiáng)接觸器主觸頭滅弧、避免兩電源短路發(fā)揮明顯作用。為更可靠地實(shí)現(xiàn)兩接觸器的互鎖，可選用帶機(jī)械互鎖功能的2 個(gè)接觸器作為電源切換接觸器，從而實(shí)現(xiàn)電氣、機(jī)械雙互鎖。

3.2 主備式風(fēng)機(jī)電源設(shè)計(jì)改造方案

無(wú)主備式風(fēng)機(jī)電源設(shè)計(jì)改造方案適用于2 個(gè)電源都是同等可靠，都適合作為主電源的情形，但從本案例來(lái)看，備用電源取自鋼鐵公司高爐車(chē)間配電變壓器，其電能計(jì)量納入高爐車(chē)間，其僅適用于主電源因故障消失時(shí)的臨時(shí)備用電源，因此，采用圖3 的方案改造，在主電源恢復(fù)供電后，還需要運(yùn)行人員到現(xiàn)場(chǎng)操作將電源切換回主電源工作，因而也帶來(lái)運(yùn)行操作上的不便，為此，可采用圖4 的主備式風(fēng)機(jī)電源設(shè)計(jì)改造方案。

圖4 主備式風(fēng)機(jī)電源方案

本方案明確區(qū)分主電源和備用電源，各自經(jīng)過(guò)電源開(kāi)關(guān)QF、控制接觸器KM 常開(kāi)觸頭和對(duì)方接觸器KM 常閉觸頭后接至風(fēng)機(jī)控制電路。2 個(gè)電源控制的區(qū)別在于接觸器線圈電路，主電源控制的1KM 線圈直接接在1QF 后的AC 相上，備用電源控制的2KM線圈則串接了1KM 的常閉輔助觸點(diǎn)。在此方案中，只要主電源恢復(fù)正常，1KM 動(dòng)作，先切斷2KM 線圈電路，讓2KM 復(fù)歸，2KM 常開(kāi)觸頭斷開(kāi)，切斷備用電源至風(fēng)機(jī)的供電電路；當(dāng)2KM 復(fù)歸至常閉觸頭接通時(shí)，與1KM 動(dòng)作接通的主觸頭一起接通主電源至風(fēng)機(jī)的供電電路，實(shí)現(xiàn)了在主電源正常情況下，由主電源供電；當(dāng)主電源故障，備用電源正常時(shí)，由備用電源供電的主備式風(fēng)機(jī)電源供電方案。相比圖2 原設(shè)計(jì)方案，主備電源的切換動(dòng)作時(shí)間多了一個(gè)接觸器動(dòng)作時(shí)間，電源供電回路多串了一對(duì)接觸器觸頭，均有利于電源切換過(guò)程中觸頭處的滅弧工作，有效避免上述事故的發(fā)生。

3.3 ATS 雙電源自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)方案

無(wú)主備式和主備式風(fēng)機(jī)電源設(shè)計(jì)改造方案是在現(xiàn)在基礎(chǔ)上，針對(duì)原設(shè)計(jì)方案存在問(wèn)題提出的改造方案，為更好地實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)供電的雙電源自動(dòng)切換，可選用市場(chǎng)上技術(shù)成熟、質(zhì)量可靠，采用電磁驅(qū)動(dòng)，具備機(jī)械和電氣互鎖功能，在郵電通訊、煤礦船舶、醫(yī)療衛(wèi)生、高層樓宇等雙電源供電場(chǎng)合廣泛應(yīng)用的ATS 雙電源自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)[4]。由于ATS 開(kāi)關(guān)的尺寸及安裝空間均大于前述方案接觸器的方案，建議將電源開(kāi)關(guān)1QF、2QF 及ATS 開(kāi)關(guān)移至勵(lì)磁功率柜外另行安裝，僅將電源切換后的線路接至風(fēng)機(jī)控制電路即可。

4 結(jié)語(yǔ)

同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁功率柜風(fēng)機(jī)電源供電的可靠性直接影響到勵(lì)磁系統(tǒng)的正常工作，關(guān)系到勵(lì)磁整流晶閘管的安全，甚至是發(fā)電機(jī)的安全，因此需要引起重視。結(jié)合某熱電廠勵(lì)磁功率柜風(fēng)機(jī)電源設(shè)計(jì)存在問(wèn)題引起晶閘管損壞的事故，深入分析事故原因，提出了3 個(gè)有效的設(shè)計(jì)改造方案，其中主備式風(fēng)機(jī)電源設(shè)計(jì)改造方案僅需要增加一個(gè)接觸器并對(duì)電路接線進(jìn)行一定改造，投入少，改造時(shí)間短，可快速完成施工并能有效解決原設(shè)計(jì)方案存在的安全隱患。此外，為更好地完善風(fēng)機(jī)電源回路的監(jiān)控，建議電源開(kāi)關(guān)QF 配上輔助觸點(diǎn)，并將QF 輔助觸點(diǎn)、各接觸器輔助觸點(diǎn)接入監(jiān)控系統(tǒng)，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控風(fēng)機(jī)電源供電電路的工作情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)供電電源存在的問(wèn)題。