U N I T R O L5000型勵(lì)磁系統(tǒng)在首鋼京唐自備電站的應(yīng)用

張海忠

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司能源與環(huán)境部，河北唐山063200）

1 引言

首鋼京唐公司自備電站位于河北省唐山市曹妃甸工業(yè)區(qū)，是國(guó)家十一五規(guī)劃內(nèi)首鋼搬遷工程中最重要的項(xiàng)目之一，設(shè)計(jì)裝機(jī)容量為2×300M W，電能主要供京唐公司生產(chǎn)使用，因此，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行才能保證全公司的生產(chǎn)順利進(jìn)行，而勵(lì)磁系統(tǒng)作為整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)中最重要的組成部分，其控制性能的好壞直接影響電網(wǎng)的質(zhì)量。

2 發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式

從汽輪發(fā)電機(jī)的發(fā)展歷史來(lái)看，其勵(lì)磁系統(tǒng)主要分為如下幾種：

（1）直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)

早期的中小型汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)容量較小，所需的勵(lì)磁容量也較小，因此采用直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，操作也比較方便。直流勵(lì)磁機(jī)是與主發(fā)電機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)，速度較高，受換向器（整流子）的限制，容量不能做得太大，一般使用于50M W以下的汽輪發(fā)電機(jī)[1]。

（2）交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)

交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)又稱之為三機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，是由發(fā)電機(jī)、主勵(lì)磁機(jī)、副勵(lì)磁機(jī)三者在同一軸上一起旋轉(zhuǎn)，如圖1所示，副勵(lì)磁機(jī)一般采用永磁電機(jī)或中頻電機(jī)（400～500H z），主勵(lì)磁機(jī)為交流勵(lì)磁機(jī)（100～200H z），副勵(lì)磁機(jī)整流橋一般為半控橋，主勵(lì)磁機(jī)整流橋一般為二極管不控橋。其中又根據(jù)主勵(lì)磁機(jī)整流橋是否旋轉(zhuǎn)，三機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)可分為交流勵(lì)磁機(jī)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)和交流勵(lì)磁機(jī)旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁系統(tǒng)（即無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)）。

在交流勵(lì)磁機(jī)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)中，主勵(lì)磁機(jī)整流裝置是靜止的，主勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組為轉(zhuǎn)子，電樞繞組為定子。和直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)一樣需要配滑環(huán)、碳刷、滅磁電阻和滅磁開(kāi)關(guān)等部件。因有滅磁回路，當(dāng)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)能盡快切除機(jī)組，減輕事故。它的滅磁時(shí)間較短，切機(jī)時(shí)間較快，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性有好處。這種系統(tǒng)原蘇聯(lián)的發(fā)電機(jī)采用較多，我國(guó)100M W及以上的汽輪發(fā)電機(jī)多數(shù)也是這種勵(lì)磁方式。

在交流勵(lì)磁機(jī)旋轉(zhuǎn)整流勵(lì)磁系統(tǒng)中，主勵(lì)磁機(jī)為旋轉(zhuǎn)電樞同步電機(jī)，其勵(lì)磁繞組為定子，電樞繞組為轉(zhuǎn)子，主勵(lì)磁機(jī)整流裝置和三機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)，其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)碳刷、滑環(huán)、整流子等，不會(huì)有碳刷的冒火問(wèn)題，運(yùn)行維護(hù)方便；不產(chǎn)生碳粉和銅末，因此不會(huì)導(dǎo)致電機(jī)繞組絕緣污染而降低絕緣水平。缺點(diǎn)是勵(lì)磁回路無(wú)滅磁裝置，電機(jī)或系統(tǒng)發(fā)生事故而跳閘后，電機(jī)靠自然滅磁，時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)；無(wú)法直接測(cè)量和觀察勵(lì)磁電流和電壓。采用無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)以美國(guó)西屋、德國(guó)西門(mén)子、法國(guó)阿爾斯通等公司居多。我國(guó)引進(jìn)西屋技術(shù)生產(chǎn)的300M W和600M W發(fā)電機(jī)也采用這種勵(lì)磁方式[1]。

圖1 交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)

三機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)為勵(lì)磁機(jī)為交流發(fā)電機(jī)，勵(lì)磁容量不受限制；缺點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)部件較多，勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)生故障的可能性也較多，另外軸系較長(zhǎng)、軸承座較多，易引發(fā)機(jī)組震動(dòng)超標(biāo)。

（3）自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)

自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)又稱靜止勵(lì)磁系統(tǒng)，如圖2所示。這種勵(lì)磁系統(tǒng)的特點(diǎn)是：無(wú)主、副勵(lì)磁機(jī)，勵(lì)磁電源取自發(fā)電機(jī)端，經(jīng)勵(lì)磁變壓器及可控硅整流器供給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組勵(lì)磁；無(wú)旋轉(zhuǎn)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軸系短，軸承座少；勵(lì)磁回路中有滑環(huán)、碳刷、滅磁裝置，響應(yīng)速度快；可以提供較大的勵(lì)磁功率[2]。

圖2 自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)

自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：①軸系長(zhǎng)度短，軸承座少，從而可以降低軸和軸承座的振動(dòng)值，提高機(jī)組安全運(yùn)行水平。②旋轉(zhuǎn)部件少，故障率大為降低，可靠性高，維護(hù)量小。③響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，可以提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。

由于該勵(lì)磁方式的突出優(yōu)點(diǎn)，且隨著電力電子器件和控制技術(shù)的日漸成熟，其成本在不斷降低，可靠性不斷提高，因此該勵(lì)磁方式在國(guó)內(nèi)外大中型機(jī)組已普遍采用。

（4）電壓源可控整流勵(lì)磁系統(tǒng)（G e n e r e x-P S S）

電壓源可控整流勵(lì)磁系統(tǒng)屬于靜止勵(lì)磁系統(tǒng)范圍，它是美國(guó)G E公司近年來(lái)開(kāi)發(fā)的一種新型勵(lì)磁系統(tǒng)，但與自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)又有較大區(qū)別，這種勵(lì)磁系統(tǒng)的特點(diǎn)是：勵(lì)磁電源取自定子繞組內(nèi)獨(dú)立的一套附加繞組，經(jīng)勵(lì)磁變和整流裝置后供給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁。因勵(lì)磁電源取自發(fā)電機(jī)內(nèi)部，因此不受系統(tǒng)干擾的影響，另外其滅磁方式也較為特殊，G e n e r r e x-P S S勵(lì)磁系統(tǒng)與自并勵(lì)系統(tǒng)一樣無(wú)旋轉(zhuǎn)部件，縮短了軸長(zhǎng)，減少2～3個(gè)軸承座，可改善軸系振動(dòng)值，提高軸系穩(wěn)定性；但該系統(tǒng)也需滑環(huán)和碳刷[1]。

3 系統(tǒng)的組成和功能

本公司2×300M W自備電站項(xiàng)目主要的大型設(shè)備均為國(guó)產(chǎn)，汽輪機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)廠制造，型號(hào)為C N 300-16.7/537/537型（合缸），型式為亞臨界一次中間再熱單軸兩缸兩排氣，單抽供熱凝氣式汽輪機(jī)。發(fā)電機(jī)為哈爾濱發(fā)電機(jī)廠制造，鑒于自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和國(guó)外設(shè)備的成熟可靠，本系統(tǒng)采用A B B公司的 U N I T R O L5000型靜止勵(lì)磁系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁系統(tǒng)主要的參數(shù)如下：

發(fā)電機(jī)型號(hào)：Q F S N-300-2

視在功率：353M V A

有功功率：300M W

最大連續(xù)輸出功率：330M W

功率因數(shù)：0.85（滯后）

定子電壓：20k V

定子電流：10190A

勵(lì)磁電壓（計(jì)算值）：365V

勵(lì)磁電流（計(jì)算值）：2642A

頻率：50H z

轉(zhuǎn)速：3000r/m i n

效率：99.02%

定子繞組接線方式：Y Y

相數(shù)：3

勵(lì)磁方式：自并勵(lì)靜止勵(lì)磁

UNITROL L5000是UNITROL系列的第五代勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，用于同步發(fā)電機(jī)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)，通過(guò)可控硅整流橋控制勵(lì)磁電流來(lái)調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)端電壓和無(wú)功功率。系統(tǒng)主要包括四個(gè)主要部分：勵(lì)磁變壓器（T02），兩套相互獨(dú)立的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器（A 10，A 20）；可控硅整流橋單元（G 31……G 34）；起勵(lì)單元（R03，V03，Q03）和滅磁單元（Q02，F(xiàn)02，R02），如圖 3所示[3]。

圖3 U N I T R O L5000系統(tǒng)原理框圖

其工作原理為：在靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)中，勵(lì)磁電源取自發(fā)電機(jī)機(jī)端，同步發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)電流經(jīng)由勵(lì)磁變壓器T02、磁場(chǎng)斷路器Q02和可控硅整流橋G 31…G 34供給。勵(lì)磁變壓器將發(fā)電機(jī)端電壓降低到可控硅整流橋所需要的輸入電壓、為發(fā)電機(jī)端電壓和磁場(chǎng)繞組提供電氣隔離以及為可控硅整流橋提供整流阻抗。可控硅整流橋G 31…G 34將交流電流轉(zhuǎn)換成受控的直流電流Ⅰf。

本公司所采用的勵(lì)磁裝置具體型號(hào)為A 5 S-O/U 2 n 1-A x x x x，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器為雙通道自動(dòng)方式，n-1冗余設(shè)計(jì)；整流器件型號(hào)為U N L13300，整流橋的每個(gè)橋臂為一個(gè)可控硅器件，三相六脈沖；交流斷路器安裝在勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)。每套系統(tǒng)包含5個(gè)控制柜，從左到右依次為：勵(lì)磁調(diào)節(jié)器柜1個(gè)、滅磁起勵(lì)和直流出線柜1個(gè)、功率柜3個(gè)、交流進(jìn)線和磁場(chǎng)開(kāi)關(guān)柜1個(gè)。

（1）勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置

根據(jù)系統(tǒng)要求，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采取雙通道（A 10和A 20）結(jié)構(gòu)。每個(gè)通道是一個(gè)主要由主控板（C O B）和測(cè)量單元板（M U B）構(gòu)成的獨(dú)立的處理系統(tǒng)，主控板C O B是調(diào)節(jié)器的核心，所有的調(diào)節(jié)、限制保護(hù)、控制及脈沖生成等功能均在C O B中發(fā)生。測(cè)量單元板M U B用于快速處理發(fā)電機(jī)出線端的三相電壓和電流型號(hào)，并將調(diào)理后的信號(hào)送至勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。

接口模塊如快如輸入輸出板（F I O）和主回路信號(hào)接口板（P S I）等可以為上述控制板提供測(cè)量信號(hào)和控制信號(hào)的電氣隔離。

U N I T R O L5000還具有強(qiáng)大的串行通信功能，如具備M o d b u s串聯(lián)接口。在勵(lì)磁系統(tǒng)內(nèi)，控制和狀態(tài)信號(hào)是通過(guò)A R C n e t網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的。磁場(chǎng)斷路器跳閘回路還附加了硬件回路。

勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置具有發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓調(diào)節(jié)、勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)。勵(lì)磁監(jiān)視保護(hù)功能和可編程邏輯軟件等功能。

（2）起勵(lì)單元

一般情況下，U N I T R O L5000可實(shí)現(xiàn)殘壓起勵(lì)，連續(xù)觸發(fā)可控硅整流橋，以二極管整流橋模式將電壓升至電子控制回路能夠正常工作10V～20V的范圍。

如果因長(zhǎng)期停機(jī)等原因造成在幾秒鐘內(nèi)無(wú)法用殘壓建立起正常工作所需要電壓，則啟用備用起勵(lì)回路，由V03、R03和Q03組成，用他勵(lì)方式建立這一電壓。當(dāng)機(jī)端電壓達(dá)到發(fā)電機(jī)額定電壓的10%時(shí)，整流橋已能接管勵(lì)磁控制，起勵(lì)單元自動(dòng)退出，軟起勵(lì)過(guò)程開(kāi)始并將發(fā)電機(jī)電壓升到預(yù)定水平。整個(gè)起勵(lì)過(guò)程的控制和監(jiān)測(cè)都是由A V R軟件實(shí)現(xiàn)的。

備用起勵(lì)回路需要的電流很小，從而可以在大容量發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)直流起勵(lì)，并且由于起勵(lì)電阻的阻值可以很高，起勵(lì)時(shí)的勵(lì)磁時(shí)間常數(shù)（L/R）也隨之大為減少。

（3）整流裝置

本系統(tǒng)配置3面整流柜（+E G.1～+E G.3），對(duì)應(yīng)3組整流單元，每個(gè)整流單元包括：三相可控硅整流橋，整流橋接口板（C I N）、門(mén)極驅(qū)動(dòng)板（G D I）和整流橋顯示單元（C D P）。3個(gè)整流單元互為備用。

可控硅整流橋可以連續(xù)提供1.1倍額定強(qiáng)勵(lì)電流和頂值強(qiáng)勵(lì)電流，由6只雙側(cè)冷卻的可控硅組成，每只可控硅上都串聯(lián)一個(gè)快速熔斷器，可將有故障的可控硅分支隔離，保護(hù)其他可控硅和快熔免受損壞，熔斷器動(dòng)作時(shí)彈簧帶動(dòng)微動(dòng)開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制和報(bào)警。

整流橋接口板C I N是一個(gè)獨(dú)立的控制和調(diào)節(jié)部件，主要功能是向門(mén)極驅(qū)動(dòng)板G D I發(fā)送用于觸發(fā)三相全控整流橋的的脈沖列，并完成整流裝置部件的監(jiān)控和控制、通過(guò)A R C n e t與C O B進(jìn)行通信等功能。

門(mén)極驅(qū)動(dòng)板G D I采用脈沖變壓器為主回路和控制回路之間提供電氣隔離，并將脈沖信號(hào)放大到晶閘管觸發(fā)所必需的電壓水平，脈沖變壓器一般安裝在G D I板上。

單個(gè)機(jī)柜采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，兩組風(fēng)機(jī)冗余冷卻方式，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行和故障信息可在功率柜的C D P上顯示和報(bào)警。C D P還可以顯示整流橋各臂的導(dǎo)通狀態(tài)、C I N狀態(tài)以及整流橋輸出電流等。

（4）滅磁單元

滅磁設(shè)備的作用是將磁場(chǎng)回路斷開(kāi)并盡可能快地將磁場(chǎng)能量釋放。滅磁回路主要由磁場(chǎng)斷路器Q02，滅磁電阻R02、晶閘管跨接器F02及其相關(guān)的脈沖閉鎖元件組成。

在額定勵(lì)磁電流小于 4500A的發(fā)電機(jī)組中，一般采用交流滅磁。首先，在整流橋出現(xiàn)內(nèi)部短路的情況下，它能可靠地將整流橋與電源斷開(kāi)，防止事故擴(kuò)大。此外，在電源側(cè)為檢修和維護(hù)工作提供了明確的斷開(kāi)點(diǎn)，保證了操作人員的安全。當(dāng)勵(lì)磁電流更大時(shí)，則采用快速直流磁場(chǎng)開(kāi)關(guān)方案。

滅磁過(guò)程由來(lái)自發(fā)電機(jī)保護(hù)的或內(nèi)部的勵(lì)磁保護(hù)跳閘命令啟動(dòng)，同時(shí)作用于斷開(kāi)交流磁場(chǎng)斷路器，閉鎖脈沖和觸發(fā)跨接器，將轉(zhuǎn)子電流導(dǎo)入滅磁電阻。由于脈沖被閉鎖，勵(lì)磁變副邊交流電壓被疊加到磁場(chǎng)斷路器的電弧電壓上，可以縮短滅磁時(shí)間。

滅磁電阻的額定值與磁場(chǎng)斷路器的弧壓和勵(lì)磁繞組允許的最大電壓相匹配。其能容選擇則以能夠吸收故障條件下勵(lì)磁繞組中因感應(yīng)電流而存儲(chǔ)的最大滅磁能量為準(zhǔn)。

并網(wǎng)后，勵(lì)磁系統(tǒng)可工作于A V R方式，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的端電壓和無(wú)功功率，或工作于疊加調(diào)節(jié)方式，實(shí)現(xiàn)恒功率因數(shù)控制、恒無(wú)功調(diào)節(jié)以及可以接受電廠調(diào)度指令的成組調(diào)節(jié)等。

4 小結(jié)

自1#機(jī)組2009年5月投運(yùn)以來(lái)，其勵(lì)磁系統(tǒng)已正常運(yùn)行將近一年時(shí)間，設(shè)備工況基本穩(wěn)定，但也發(fā)生過(guò)因勵(lì)磁系統(tǒng)故障導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)跳機(jī)事故，從中也暴露出目前所存在的一些問(wèn)題：

（1）勵(lì)磁系統(tǒng)中，有些特定的報(bào)警或跳機(jī)定值設(shè)定未結(jié)合本廠的實(shí)際情況，依賴設(shè)備提供方專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)值，可能造成系統(tǒng)誤報(bào)警或者誤動(dòng)作。需對(duì)本廠設(shè)備的一些參數(shù)進(jìn)行重新測(cè)定和標(biāo)定，綜合考慮本廠實(shí)際工況和專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)值，對(duì)重要的參數(shù)定值進(jìn)行重新確定，在保證系統(tǒng)安全正常工作的前提下，盡量減小誤報(bào)警和誤動(dòng)作，從而避免一些不必要的停機(jī)事故，減小損失，提高生產(chǎn)效率。

（2）技術(shù)問(wèn)題過(guò)度依賴設(shè)備廠家，本單位相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和原理等知識(shí)儲(chǔ)備和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)嚴(yán)重不足。當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)出現(xiàn)一些報(bào)警或者常見(jiàn)故障時(shí)，無(wú)法及時(shí)采取合理有效的措施進(jìn)行處理，使得設(shè)備故障演變成跳機(jī)停產(chǎn)甚至不可挽回的永久性設(shè)備損壞。設(shè)備管理人員應(yīng)該高度重視專(zhuān)業(yè)技術(shù)水平的提高，有針對(duì)性的進(jìn)行學(xué)習(xí)提高，單位也應(yīng)當(dāng)組織相關(guān)的設(shè)備廠家對(duì)本單位的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行強(qiáng)化培訓(xùn)，提供完善的技術(shù)資料，組織完成勵(lì)磁裝置常見(jiàn)故障處理預(yù)案?？赡艿那闆r下，有必要對(duì)電氣或自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)進(jìn)行細(xì)分，抽調(diào)相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員組建傳動(dòng)控制小組，專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)部控設(shè)備的大中型勵(lì)磁系統(tǒng)、變頻系統(tǒng)、軟起動(dòng)設(shè)備等傳動(dòng)控制裝置的專(zhuān)業(yè)技術(shù)工作。能夠及時(shí)處理常見(jiàn)的故障，減少停機(jī)次數(shù)或縮短停機(jī)時(shí)間。

（3）勵(lì)磁系統(tǒng)的維檢單位技術(shù)力量薄弱，無(wú)法完成設(shè)備的維護(hù)工作。應(yīng)當(dāng)加對(duì)強(qiáng)維檢單位的技術(shù)要求，督促其不斷提高設(shè)備維護(hù)的技術(shù)水平。本單位設(shè)備管理人員和設(shè)備廠家技術(shù)支持人員進(jìn)行溝通協(xié)調(diào)，準(zhǔn)備一些常見(jiàn)的易損件做備用，并能夠獨(dú)立組織完成部件的檢查更換等維護(hù)工作。

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