淺談三板溪電廠UNITROL5000勵磁系統(tǒng)

魯秉宸（三板溪水電廠，貴州 錦屏 556700）

淺談三板溪電廠UNITROL5000勵磁系統(tǒng)

魯秉宸
（三板溪水電廠，貴州 錦屏 556700）

摘要：三板溪電廠勵磁系統(tǒng)采用了ABB公司生產(chǎn)的UNIRTOL5000型靜態(tài)勵磁系統(tǒng)，文章介紹了三板溪電廠勵磁系統(tǒng)的組成、技術(shù)特點和應(yīng)用情況。對勵磁系統(tǒng)在運行中發(fā)現(xiàn)的問題進行分析，并提出了解決方案。

關(guān)鍵詞：三板溪；UNITROL5000勵磁系統(tǒng)；應(yīng)用；故障分析

0　引言

三板溪電廠位于沅水上游清水江，貴州省黔東南苗族侗族自治區(qū)錦屏縣境內(nèi)，距錦屏縣縣城25km，距湖南省懷化市直線距離約140km，是沅水干流上唯一具有多年調(diào)節(jié)能力的龍頭電站。電廠總裝機容量1000MW，安裝4臺250MW混流式機組，年均發(fā)電量為24.28億kW·h，采用一回500kV線路輸出，接入華中網(wǎng)調(diào)，送電至湖南。

1　三板溪電廠勵磁系統(tǒng)概況

三板溪電廠勵磁系統(tǒng)選用瑞士ABB公司生產(chǎn)的UNITROL5000型靜態(tài)勵磁系統(tǒng)，該設(shè)備由廣州擎天實業(yè)有限公司提供，是ABB公司UNITROL系列的第五代產(chǎn)品，不僅包含了前兩代勵磁調(diào)節(jié)器UNITROLF和UNITROLP的核心技術(shù)，同時還吸收了目前數(shù)字控制領(lǐng)域內(nèi)最先進的研究成果和工藝，如DSP數(shù)字信號處理技術(shù)。UNITROL5000勵磁系統(tǒng)除了具備基本調(diào)節(jié)限制功能，還具有轉(zhuǎn)子溫度測量、定子電流限制器、獨特的疊加調(diào)節(jié)裝置、完善的ARCnet網(wǎng)絡(luò)通訊功能和多種調(diào)試手段的應(yīng)用及監(jiān)視保護功能，不但提高了勵磁系統(tǒng)的數(shù)字化程度，還提高了勵磁系統(tǒng)的可靠性及工藝水平，確保了勵磁系統(tǒng)、發(fā)電機組和電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟可靠運行。

三板溪電廠發(fā)電機勵磁系統(tǒng)主要參數(shù)：額定功率250MW，額定電壓15.75kV，額定電流10183A，額定功率因數(shù)0.9，額定勵磁電壓353V，額定勵磁電流1 540A，空載勵磁電壓145V，空載勵磁電流927A，勵磁變?nèi)萘浚?×630kVA，勵磁變變比：15.75kV/705V。

2　勵磁系統(tǒng)應(yīng)用

三板溪電廠勵磁系統(tǒng)采用自并勵方式，勵磁電源取自發(fā)電機機端，勵磁變采用單項干式變壓器。每套勵磁系統(tǒng)都包含5個控制柜，依次為勵磁調(diào)節(jié)柜、滅磁開關(guān)柜、功率Ⅰ柜、功率Ⅱ柜、開關(guān)切換柜?？煞譃?個主要的功能單元：勵磁變壓器、兩套相互獨立的勵磁調(diào)節(jié)器、起勵單元和滅磁單元、可控硅整流器單元。

2.1勵磁調(diào)節(jié)器

勵磁調(diào)節(jié)器主要負(fù)責(zé)勵磁系統(tǒng)的控制部分，也叫自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR），控制方式分2種。①自動方式，它根據(jù)機端電壓來調(diào)節(jié)可控硅的觸發(fā)角，維持發(fā)電機機端電壓在給定值附近。當(dāng)發(fā)電機受到系統(tǒng)影響發(fā)生改變時，它能自動調(diào)節(jié)電壓，維持穩(wěn)定，同時在自動方式下還有多種限制功能，能把勵磁電流限制在安全范圍之內(nèi)。②手動方式，控制功能是維持勵磁電流保持不變，但該方式在系統(tǒng)發(fā)生擾動時不能自動調(diào)整電壓以維持穩(wěn)定，而且一般沒有限制功能。機組在正常運行時需將勵磁系統(tǒng)控制方式切至自動方式。

三板溪電廠采用的勵磁裝置具體型號為A5S-A/U221-D2000，調(diào)節(jié)器采用雙通道配置，每個通道都是一個由主控板（COB）和測量單元板（MUB）構(gòu)成獨立的處理系統(tǒng)，如圖1所示。

因兩個通道配置完全相同，都具備自動和手動

圖1A5S型-整流器n-1型配置，調(diào)節(jié)器為雙通道

兩種調(diào)節(jié)方式，故可選任一通道為運行通道，而備用通道總是自動跟蹤運行通道。正常運行情況下，兩個通道可以任意切換，在故障情況下通道切換邏輯如圖2所示。

圖2通道切換邏輯

2.2可控硅整流器

每套勵磁系統(tǒng)配置2個功率柜（+EG.1、+EG. 2），每個功率柜對應(yīng)1組整流器，每個整流器包括：三相可控硅整流橋、整流器接口板（CIN）、門極驅(qū)動板（GDI）和整流器顯示單元（CDP）。

每組可控硅整流器都由一個全控整流橋組成，包含6個雙側(cè)冷卻可控硅。每個可控硅上串聯(lián)一個快速熔斷器，它的主要目的是將分支與有故障的可控硅隔離開，從而保護其他可控硅及其快熔免受破壞?？烊垡坏┤刍?，通過一個彈簧起動側(cè)面一個微動開關(guān)（熔斷器的一個組成部分）用于指示報警。

為了減少整流過程中尖峰電壓，可控硅整流器采用了一個RC吸收回路，該回路直接連接到整流橋的交流電源側(cè)，它還可以吸收出現(xiàn)在可控硅整流橋副邊的過電壓。

整流器接口板（CIN）和門極驅(qū)動板（GDI）負(fù)責(zé)實現(xiàn)觸發(fā)脈沖信號的形成、放大及可控硅的驅(qū)動，門極驅(qū)動板（GDI）也用于主回路和控制回路之間的電氣隔離。

整流器顯示單元（CDP）安裝在功率柜柜門上，用于指示整流器的工作狀況及顯示整流器輸出電流，除此之外還能顯示每個晶閘管橋臂的導(dǎo)通狀態(tài)，如果有橋臂發(fā)生故障也可以在整流器顯示單元（CDP）指定的LED上顯示出來。

2.3起勵單元

三板溪電廠在投產(chǎn)時，勵磁系統(tǒng)采用了殘壓起勵方式，整個起勵過程和順序控制是通過AVR軟件實現(xiàn)的，即起勵時首先投入殘壓起勵，高脈沖不間斷的觸發(fā)可控硅整流橋，當(dāng)可控硅整流橋輸入端電壓達到10～20V時即可正常工作。但如果殘壓起勵投入5s后發(fā)電機機端電壓仍未達到額定電壓的10%，勵磁系統(tǒng)默認(rèn)殘壓起勵失敗，備用起勵回路啟動。

因三板溪電廠屬于調(diào)峰調(diào)頻電廠，機組停機備用時間較多，且在實際運行過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機組停機時間過長或機組檢修后，殘壓起勵失敗頻率明顯增多，導(dǎo)致機組開機時間增加的次數(shù)也明顯增多，經(jīng)研究討論最終決定取消殘壓起勵方式，采用220V直流起勵的方式。220V直流電源取自機旁直流饋電分屏，起勵時程序直接驅(qū)動起勵接觸器動作，導(dǎo)通直流起勵回路，在發(fā)電機機端電壓達到額定電壓的10%時，起勵接觸器動作復(fù)歸，直流起勵回路退出，立即開始軟起勵過程并建壓到額定機端電壓。

2.4滅磁單元

滅磁設(shè)備的作用是將磁場回路斷開并盡可能快的將磁場能量釋放。滅磁回路主要由磁場斷路器Q2、滅磁電阻R02、跨界器F02及其相關(guān)的脈沖閉鎖元件組成。

三板溪電廠勵磁系統(tǒng)正常采用逆變滅磁、事故情況采用滅磁開關(guān)和滅磁電阻快速移能滅磁，滅磁開關(guān)選用ABBE2N/E-MS2000型四斷口滅磁開關(guān)，通過跨接器（CROWBAR）回路與滅磁電阻連接，當(dāng)事故停機時啟動跨接器將轉(zhuǎn)子回路磁場能轉(zhuǎn)移到滅磁電阻實現(xiàn)可靠滅磁。滅磁電阻選用SiC非線性滅磁電阻，既用于事故滅磁，也用于轉(zhuǎn)子過電壓保護，考慮極端工況下移能需要，SiC電阻的容量配置為3MJ。

3　勵磁系統(tǒng)現(xiàn)場運行出現(xiàn)的問題及分析處理

3.1滅磁開關(guān)輔助觸點聯(lián)跳GCB改造

三板溪電廠機組勵磁系統(tǒng)原設(shè)計方案中采用兩組跳閘線圈的輸出繼電器K01、K02聯(lián)跳GCB的運行方式。后考慮到繼電器的損壞可能性較大，根據(jù)中南勘測設(shè)計研究院的要求，三板溪水電廠采用了利用滅磁開關(guān)的輔助接點聯(lián)跳GCB的運行方式，即當(dāng)勵磁系統(tǒng)IE限制器、P/Q限制器等失效時，勵磁系統(tǒng)先跳滅磁開關(guān)，然后再聯(lián)跳GCB。這種運行方式的優(yōu)點是較直接利用跳閘線圈的輸出繼電器聯(lián)跳GCB的方式可靠性更高，弊端就是GCB的跳閘時間較滅磁開關(guān)的跳閘時間滯后，在這個時間差內(nèi)，機組為欠勵并網(wǎng)運行狀態(tài)，存在較大的安全隱患，是國家和行業(yè)技術(shù)規(guī)范所不允許的。

鑒于以上原因，對三板溪水電廠1號～4號機組勵磁系統(tǒng)聯(lián)跳GCB的運行方式進行改造，在保留滅磁開關(guān)輔助接點聯(lián)跳GCB功能的前提下，增加跳閘線圈聯(lián)跳GCB的功能，以確保滅磁開關(guān)在第一時間聯(lián)跳GCB，提高機組運行的安全可靠性。具體接線如圖3所示。

圖3聯(lián)跳回路

X22:6/X22:56與X22:8/X22:58分別連接的是滅磁開關(guān)輔助觸點的兩對常閉接點，X21:2/X21:52與X21:5/X21:55分別連接的是勵磁系統(tǒng)內(nèi)部跳閘繼電器K01、K02的一對常開接點。

三板溪電廠采用發(fā)電出口開關(guān)GCB分、合閘實現(xiàn)機組同期并網(wǎng)，滅磁開關(guān)在停機備用時，也一直處于合閘狀態(tài)。當(dāng)勵磁系統(tǒng)正常內(nèi)部無跳閘命令或滅磁開關(guān)正常合閘時，GCB跳閘回路不會導(dǎo)通；只有當(dāng)勵磁系統(tǒng)內(nèi)部有跳閘命令輸出促使K01、K02繼電器動作或滅磁開關(guān)本體跳閘時才會聯(lián)跳GCB。

3.2通道“風(fēng)機電源1消失”報警程序完善

自投產(chǎn)以來3號、4號機組勵磁系統(tǒng)走電制動停機過程中，經(jīng)常出現(xiàn)當(dāng)電制動即將結(jié)束時“電制動投入令”復(fù)歸到達瞬間，勵磁系統(tǒng)報故障，1s后故障復(fù)歸。對兩通道報警記錄進行查看發(fā)現(xiàn)，備用通道報：ALARM117“Fansupply1fail”（風(fēng)機電源1消失）。

（1）通道報“Fansupply1fail”（風(fēng)機電源1消失）邏輯分析

圖4為通道報“Fansupply1fail”（風(fēng)機電源1消失）故障邏輯圖：走電制動停機流程時，電源取自400V廠用外來電源且勵磁系統(tǒng)在投入狀態(tài)，自用電故障10813輸入恒為“1”，勵磁系統(tǒng)投入10307輸入為“1”，經(jīng)過“與門”功能模塊SP113，12669輸出為“1”，風(fēng)機電源1模式412程序默認(rèn)參數(shù)值為“=1”，輸入值恒為“1”：1）如果此時電制動投入令12722動作，輸入為“1”，經(jīng)過“取反”功能模塊SP014，12605輸出為“0”，“與門”功能模塊SP114輸出值12607為“0”，通道不會報“風(fēng)機電源1消失”故障；2）如果此時電制動投入令復(fù)歸，即12722輸入為“0”，經(jīng)過“取反”功能模塊SP014，12605輸出為“1”，“與門”功能模塊SP114輸出值12607為“1”，通道報“風(fēng)機電源1消失”故障。

圖4“風(fēng)機電源1消失”報警邏輯

如表1所示，節(jié)選了2012年9月20日3號機組正常停機流程部分重要節(jié)點，可以看出當(dāng)電制動即將結(jié)束時，“勵磁系統(tǒng)退出”信號先于“電制動投入令”復(fù)歸信號動作，也就是勵磁系統(tǒng)投入10307輸出為“0”先于電制動投入令12722輸入為“0”，正常情況下10307先于12722變?yōu)椤?”，圖1中風(fēng)機報警邏輯不滿足，無論是主用還是備用通道都不會報“風(fēng)機電源1消失”故障。

表1正常停機流程

（2）備用通道報“Fansupply1fail”（風(fēng)機電源1消失）的原因

對勵磁系統(tǒng)硬件及軟件回路仔細分析發(fā)現(xiàn)：1）“勵磁系統(tǒng)退出”信號由主用通道發(fā)出，通過快速輸入輸出板FIO1上開關(guān)量輸出接點直接傳輸給上位機，而備用通道接收“勵磁系統(tǒng)退出”即10307輸入為“0”信號，是通過主用通道與備用通道連接的16芯扁平電纜由勵磁軟件程序進行傳輸?shù)模?）當(dāng)上位機接收到“勵磁系統(tǒng)退出”信號后立刻發(fā)“電制動投入令”復(fù)歸即12722輸入為“0”信號，并通過快速輸入輸出板FIO2上開關(guān)量輸入接點直接傳輸給主用通道和備用通道；3）當(dāng)3號、4號機組勵磁系統(tǒng)運行一段時間后，就會出現(xiàn)主、備用通道間“勵磁系統(tǒng)退出”即10307輸入為“0”信號傳輸存在偶爾的毫秒級滯后情況，使得備用通道接收12722輸入為“0”信號正好先于備用通道接收10307輸入為“0”信號，所以才會發(fā)生當(dāng)電制動即將結(jié)束時“電制動投入令”復(fù)歸到達瞬間，勵磁系統(tǒng)報故障，1s后“勵磁系統(tǒng)退出”信號到達，故障復(fù)歸。

（3）處理方法

如圖5所示，依照上述原因?qū)畲畔到y(tǒng)主、備用通道中報警邏輯程序進行了完善修改，在12722信號后面增加了一個10s的“下降延時”功能模塊SP339，即當(dāng)12722信號由“1”變?yōu)椤?”信號到達時，通過功能模塊SP339，輸出信號12851延遲10s由“1”變?yōu)椤?”，這樣就躲過了因主、備用通道間10307信號傳輸偶爾存在毫秒級滯后情況，導(dǎo)致備用通道接收12722輸入為“0”信號先于備用通道接收10307輸入為“0”信號，有效的避免了備用通道滿足報“風(fēng)機電源1消失”邏輯程序的情況。

圖5完善后報警邏輯

3.3調(diào)節(jié)器主控板（COB板）故障

（1）故障現(xiàn)象

三板溪電廠4臺機組，每臺機組勵磁系統(tǒng)配置2個勵磁調(diào)節(jié)器，共8個勵磁調(diào)節(jié)器，2011年以來已有4個調(diào)節(jié)器內(nèi)COB板出現(xiàn)故障，其中2個勵磁調(diào)節(jié)器內(nèi)COB板在斷電后重新上電時報“E02（RAM儲存器故障）”告警信號，即COB板上RAM儲存電路存在故障，根據(jù)《UN5000維護和故障排除指南》中提出的處理措施，多次重啟UNITROL5000系統(tǒng)后報警未消失，對報警COB板進行更換后調(diào)節(jié)器恢復(fù)正常。

另外2個COB板同樣在斷電檢修后重新上電時報“E02（RAM儲存器故障）”告警信號，經(jīng)過多次重啟UNITROL5000系統(tǒng)后“E02”報警消失，但隨后報出ALARM108“RAM-backupfailed”（RAM備份失?。┕收细婢?，即COB板經(jīng)過長期儲存或斷電超過一定時間后，儲存器RAM的供電電容儲能耗盡，必須給該板通電至少0.5h，使RAM供電電容得到足夠高的電壓，然后關(guān)閉整個勵磁系統(tǒng)重新啟動。但2個COB板實際充電均超過2h，重啟系統(tǒng)報警重復(fù)出現(xiàn)，對COB板進行更換后調(diào)節(jié)器也恢復(fù)正常。

（2）故障原因

三板溪電廠屬于地下室廠房，設(shè)備環(huán)境潮濕、惡劣，電子元器件老化速度較快；勵磁調(diào)節(jié)器停、送電次數(shù)頻繁，觸碰COB板時靜電影響等，都可能導(dǎo)致COB板報“E02”故障。

（3）解決方法

將廠房通風(fēng)除濕系統(tǒng)長期開啟，以改善設(shè)備運行環(huán)境；盡量不要過于頻繁的停、送調(diào)節(jié)器電源以免影響COB板上電子元器件的工作壽命；COB板檢查或勵磁系統(tǒng)檢修時必須帶防靜電護腕，防止靜電損壞電子元器件。

4　結(jié)語

UNITROL5000靜態(tài)勵磁系統(tǒng)功能強大、技術(shù)先進，自三板溪電廠投產(chǎn)以來運行工況良好，對電廠機組的安全穩(wěn)定運行起到了重要作用。但隨著運行年份增加，需加大對勵磁系統(tǒng)檢修維護力度，以確保勵磁系統(tǒng)的控制與調(diào)節(jié)性能。

參考文獻：

[1]ABBUNITROL5000型數(shù)字勵磁調(diào)節(jié)器功能說明[Z].

[2]UNITROL5000User'Manual[Z].

中圖分類號：TV734.4

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）01-0030-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.01.010

收稿日期：2014-04-24

作者簡介：魯秉宸（1984-），男，助理工程師，從事水電廠勵磁設(shè)備檢修維護與技術(shù)管理工作。