湖南鎮(zhèn)水電站2號機(jī)組勵磁系統(tǒng)的改造

唐海彪

(浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠，浙江衢州324000)

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湖南鎮(zhèn)水電站2號機(jī)組勵磁系統(tǒng)的改造

唐海彪

(浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠，浙江衢州324000)

湖南鎮(zhèn)水電站原先采用的SAVR—2000勵磁系統(tǒng)經(jīng)過多年運(yùn)行，產(chǎn)生許多問題和缺陷，無法滿足安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。根據(jù)水電站要求需要進(jìn)行改造，最終選擇了EXC9100型勵磁系統(tǒng)。經(jīng)過改造后現(xiàn)場試驗(yàn)，各試驗(yàn)結(jié)果均能達(dá)到技術(shù)要求，效果良好。圖1幅，表1個。

水電站；勵磁系統(tǒng)；技術(shù)改造；智能化

1　概　述

湖南鎮(zhèn)水電站地處浙江省西南部的衢州市境內(nèi)，在錢塘江上游支流烏溪江上，是烏溪江流域梯級開發(fā)的第一級電站。電站機(jī)組于1980年全部并網(wǎng)發(fā)電，后經(jīng)過擴(kuò)建增容，目前共安裝5臺混流式水輪發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量達(dá)320 MW。

2號機(jī)發(fā)電機(jī)及勵磁系統(tǒng)主要參數(shù)為：發(fā)電機(jī)型號SF50—24/5200，定子額定電壓10.5 kV，定子額定電流3 055 A，額定勵磁電壓140 V，額定勵磁電流1 150 A。

2　改造前情況

湖南鎮(zhèn)水電站2號機(jī)勵磁系統(tǒng)原采用的是國電南瑞的SAVR—2000型勵磁系統(tǒng)，該勵磁調(diào)節(jié)器為第二代微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器，自2006年12月投運(yùn)至今已經(jīng)運(yùn)行了9年多。隨著多年的運(yùn)行，設(shè)備逐漸老化，電氣自動化設(shè)備的浴缸曲線效應(yīng)開始逐步顯現(xiàn)，故障頻率增加，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代電站安全運(yùn)行的要求，其主要存在下列問題和缺陷：

(1) 勵磁調(diào)節(jié)器的交流采樣板、脈沖放大板和模擬信號板等插件在長期運(yùn)行中由于機(jī)組振動與插座之間存在接觸不良的情況，造成機(jī)組運(yùn)行的不可靠。

(2) 該勵磁裝置的工控機(jī)多次發(fā)生故障死機(jī)，包括硬盤故障、串口通訊故障、CPU風(fēng)扇故障等，返廠維修后問題仍然存在。

(3) 起勵回路穩(wěn)定性下降，多次出現(xiàn)開機(jī)時無法正常起勵的情況，且并網(wǎng)后無功調(diào)節(jié)不靈敏，調(diào)節(jié)幅度變化較大，甚至引發(fā)機(jī)組進(jìn)相，影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

(4) 設(shè)備長期運(yùn)行后絕緣下降，引起電子元器件的損壞和監(jiān)控信號的誤發(fā)。

(5) 數(shù)據(jù)調(diào)試、程序完善較為復(fù)雜，且上送監(jiān)控信息數(shù)據(jù)有限。

綜合考慮以上情況后，為了保證機(jī)組及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，決定對2號機(jī)組進(jìn)行勵磁系統(tǒng)改造；由于勵磁變各項(xiàng)數(shù)據(jù)良好，本次改造不涉及勵磁變。經(jīng)多方收集資料及對比分析后最終選擇了廣州擎天實(shí)業(yè)有限公司研制的EXC9100型微機(jī)勵磁系統(tǒng)。

3　改造后勵磁系統(tǒng)主要特點(diǎn)

EXC9100型微機(jī)勵磁系統(tǒng)屬于第五代微機(jī)勵磁系統(tǒng)，其全面繼承了第四代EXC9000型微機(jī)勵磁系統(tǒng)的設(shè)計理念，在原先功能軟件化、系統(tǒng)數(shù)字化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了檢測智能化。該勵磁系統(tǒng)的各個單元均可做到智能化的檢測、顯示、控制以及信息傳輸[1]，還充分融入了電磁兼容性設(shè)計。該系統(tǒng)采用工業(yè)級的低功耗、先進(jìn)集成電路芯片，工藝水準(zhǔn)有了較大提高，使勵磁裝置運(yùn)行更為可靠。

EXC9100型勵磁系統(tǒng)和其他常規(guī)勵磁系統(tǒng)類似，主要由勵磁調(diào)節(jié)器單元(勵磁調(diào)節(jié)柜)、滅磁及過壓保護(hù)單元(滅磁開關(guān)柜、滅磁電阻柜等)、功率單元(多個功率柜)、起勵單元等組成。

4　勵磁調(diào)節(jié)器單元

EXC9100勵磁調(diào)節(jié)器采用雙對等調(diào)節(jié)通道(A、B通道)架構(gòu)，主/從工作方式，A、B通道間對等冗余、互為主備用，每個調(diào)節(jié)通道都含有自動方式/手動方式控制單元，兩個通道無論從測量回路還是脈沖輸出回路均完全獨(dú)立[2]。

EXC9100勵磁調(diào)節(jié)器創(chuàng)造性地對通道的可用狀態(tài)進(jìn)行分級，使勵磁調(diào)節(jié)器的通道切換更為合理、更為智能。調(diào)節(jié)通道的可用狀態(tài)一共分成0、1、2、3等4個級別(見表1)。其中3級級別最高，表示所有輸入量都正常；0級級別最低，表示通道無法正常運(yùn)行。當(dāng)運(yùn)行通道優(yōu)先級比備用通道的優(yōu)先級低時，即運(yùn)行通道發(fā)生故障，將智能切換為備用通道運(yùn)行。所以只要備用通道優(yōu)先級別高于運(yùn)行通道，系統(tǒng)將自動切換到高級別的通道運(yùn)行。

表1　調(diào)節(jié)通道的可用狀態(tài)級別定義

EXC9100勵磁調(diào)節(jié)器的核心主控制板采用主流ARM+ 新型FPGA，嵌入式設(shè)計，集成度高。其中的FPGA(現(xiàn)場可編程邏輯門陣列)內(nèi)部邏輯可以自由編程定義，可完成同步采集控制、同步交流采樣及算法實(shí)現(xiàn)、頻率補(bǔ)償、同步信號檢測、脈沖形成以及CPU接口等功能且并行浮點(diǎn)運(yùn)算能力強(qiáng)、可靠性高。而智能IIU板可通過多種接口方式靈活地完成勵磁系統(tǒng)與電站監(jiān)控LCU之間的數(shù)據(jù)交換。智能IIU板通過CAN總線接收勵磁系統(tǒng)信息(包括故障信息、狀態(tài)信息)并完成轉(zhuǎn)換，同時通過串行通訊接口 RS485或繼電器輸出接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與電站監(jiān)控系統(tǒng)的連接[3]。

該勵磁調(diào)節(jié)器的日常操作主要通過觸摸屏觸摸實(shí)現(xiàn)，擁有直觀的UI界面，可以實(shí)現(xiàn)勵磁參數(shù)設(shè)定、起勵、零起升壓、各類功能投/退、無功調(diào)差率設(shè)定等功能操作。

而在裝置供電方面，勵磁裝置的各硬件控制電路板均采用DC24 V供電，包括開入量及脈沖觸發(fā)回路電源。24 V電源是通過自帶的變壓器及DC220 V控制電源，經(jīng)過2臺單獨(dú)的DC24 V開關(guān)電源并聯(lián)提供，各開關(guān)電源均設(shè)有獨(dú)立控制開關(guān)，而自帶變壓器交流電源直接取自勵磁變。雙路電源設(shè)計大大提高了供電可靠性。

根據(jù)多年運(yùn)行的實(shí)際需要，該調(diào)節(jié)器還定制了機(jī)組帶主變零升壓板，當(dāng)機(jī)組帶主變做零起升壓試驗(yàn)時需要取下該壓板，防止機(jī)組斷路器合上后自動增磁。

由于水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行特點(diǎn)，停機(jī)時可采用電制動，該勵磁系統(tǒng)也具備電制動功能。在機(jī)組正常逆變滅磁后，智能檢測運(yùn)行工況，達(dá)到電制動條件后接入制動電源，加速機(jī)組停機(jī)。這種勵磁裝置與電制動裝置合二為一的做法大大簡化了一次和二次接線，降低了設(shè)備投入成本。

5　勵磁系統(tǒng)功率單元

湖南鎮(zhèn)水電站2號機(jī)選用了2臺智能化功率柜，每臺功率柜安裝1個三相可控硅全控整流橋，2臺柜并聯(lián)運(yùn)行。該功率柜的狀態(tài)指示燈與測量表計已經(jīng)由顯示屏取代，整個功率柜均通過智能控制板進(jìn)行檢測、控制、調(diào)節(jié)等。日常操作通過觸摸屏來實(shí)現(xiàn)，勵磁風(fēng)機(jī)也通過電流檢測智能控制啟停。另外，該功率柜還采用智能均流專利技術(shù)，該技術(shù)不需要增加設(shè)備投入，通過特殊算法可以保證均流系數(shù)大于95%，可做到橋臂均流。任一個或多個功率柜因故退出運(yùn)行，該技術(shù)仍能保證剩余運(yùn)行功率柜之間實(shí)現(xiàn)智能均流。

6　滅磁及過壓保護(hù)單元

機(jī)組正常停機(jī)時，勵磁系統(tǒng)能夠自動逆變滅磁，不需要通過斷開滅磁開關(guān)來滅磁；而當(dāng)機(jī)組事故停機(jī)時，則需要立即將滅磁開關(guān)斷開，轉(zhuǎn)子中的磁場能量可通過過壓保護(hù)回路中的非線性電阻來消耗。

當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行中發(fā)生滑極甚至失步時，由于定轉(zhuǎn)子交變磁場的不同步以及轉(zhuǎn)子回路可控硅的反向截斷作用，轉(zhuǎn)子中將產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓；當(dāng)轉(zhuǎn)子正向電壓超過回路中的可控硅觸發(fā)器整定值時，立即觸發(fā)可控硅，將滅磁非線性電阻接入回路，以此消耗產(chǎn)生的過電壓能量；而當(dāng)轉(zhuǎn)子反向過電壓時，反向過電壓能量直接通過二極管和滅磁非線性電阻回路耗能，以確保轉(zhuǎn)子不會出現(xiàn)開路，保護(hù)轉(zhuǎn)子絕緣[4]。這種保護(hù)消除了不平衡電流帶來的磁場影響，從而避免轉(zhuǎn)子表面及護(hù)環(huán)產(chǎn)生局部高溫和機(jī)組振動。

當(dāng)滅磁非線性電阻回路流過正向或反向電流時，滅磁柜智能板通過CT采集相應(yīng)的電流信號，在觸摸屏上顯示“過壓保護(hù)動作”信號，同時向監(jiān)控發(fā)送該信號(見圖1)。

圖1滅磁及過壓保護(hù)單元主要回路示意

7　起勵單元

EXC9100型勵磁系統(tǒng)的起勵方式和原勵磁系統(tǒng)相同，均為殘壓起勵和直流電源輔助起勵兩種；其中EXC9100起勵方式選擇可通過觸摸屏UI界面的功能按鍵實(shí)現(xiàn)。

可控硅觸發(fā)脈沖運(yùn)用高頻脈沖列技術(shù)形成雙窄脈沖，完成殘壓起勵。殘壓起勵過程中，可控硅整流橋的工作電壓維持在10～20 V。當(dāng)發(fā)電機(jī)殘壓值太小時，可控硅的持續(xù)導(dǎo)通將無法維持，這時需要采用外加直流電源輔助起勵。

在殘壓起勵功能投入情況下，優(yōu)先采用殘壓起勵，當(dāng)10 s內(nèi)無法正常起勵時，勵磁系統(tǒng)自動加載外部輔助直流電源起勵回路；其目的在于使整流橋能維持10～20 V的正常工作電壓。

外加輔助直流電源電流不需要很大，一般不超過勵磁額定電流的1%?；芈分械膶?dǎo)向二極管起到反向阻斷起勵電源的作用，防止起勵過程中轉(zhuǎn)子回路的過電壓倒送至外加直流回路[5]；而限流電阻用于限制起勵電流值。

8　結(jié)　語

通過對勵磁系統(tǒng)的改造，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試試驗(yàn)，EXC9100型勵磁系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計、合同相關(guān)要求，功能齊全，操作簡單，易于維護(hù)，解決了原勵磁系統(tǒng)存在的一系列問題，有效地提高了勵磁系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，推進(jìn)了智能化電氣設(shè)備在湖南鎮(zhèn)水電站的應(yīng)用推廣，取得的效果良好。不過在運(yùn)行中也產(chǎn)生一些疑問，比如，由于大部分操作均在觸摸屏上實(shí)現(xiàn)，如果觸摸屏故障后該如何操作；原勵磁工控機(jī)經(jīng)常性死機(jī)，新勵磁系統(tǒng)的工控機(jī)持續(xù)運(yùn)行的可靠性還有待觀察等，這些問題將后續(xù)和廠家進(jìn)一步探討。

[1]李桂紅. CAN總線在自并激勵磁系統(tǒng)的應(yīng)用[J]. 水電自動化與大壩監(jiān)測,2008(4):22_24.

[2]余德賢. 潮州供水樞紐燈泡貫流式機(jī)組勵磁系統(tǒng)的配置及功能分析[J]. 小水電,2008(2):22_23.

[3]滕玉楠,董合慧. 珊溪水力發(fā)電廠勵磁調(diào)節(jié)器改造[J]. 小水電,2010(3):59_60.

[4]關(guān)安超.淺論自動滅磁開關(guān)及滅磁技術(shù)[J]. 安裝,2010(10):45_47.

[5]劉堅. 電廠為適應(yīng)新形勢下黑啟動所進(jìn)行的自動化改造[J]. 機(jī)電工程技術(shù),2010(5):104_106，114.

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責(zé)任編輯吳昊

2016-08-12

唐海彪(1989-)，男，助理工程師，主要從事水電站運(yùn)行管理工作。

E_mail:yoyohexiaopang@163.com