蓄能器對大型調(diào)相機潤滑油系統(tǒng)穩(wěn)定性的 改善研究

張曙云 周 翔

（1. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司水電分公司，長沙 410007； 2. 湖南省電網(wǎng)工程有限公司調(diào)相機項目部，長沙 410007）

0 引言

近年來，特高壓電網(wǎng)輸電工程的大規(guī)模建設，使電網(wǎng)的架構(gòu)產(chǎn)生了重大改變，由原傳統(tǒng)單一的超高壓交流電網(wǎng)逐步轉(zhuǎn)變成了大電網(wǎng)、遠距離輸電、特高壓交直流高度混聯(lián)的格局。特高壓電網(wǎng)輸電網(wǎng)架對系統(tǒng)中的動態(tài)無功裕度要求更高，同時足量的無功支撐能有效提升系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性[1]；因此為了保證電力系統(tǒng)能安全穩(wěn)定運行，在規(guī)劃建設中必須為系統(tǒng)配備足夠的動態(tài)無功裕量，以增強電網(wǎng)系統(tǒng)的抗擾動能力。新型大容量調(diào)相機的研制成功和可靠應用能有效提高送端電網(wǎng)直流輸電能力，為系統(tǒng)提供足量的動態(tài)無功，提升新能源消納比例[2-3]；在特高壓直流大功率饋入地區(qū)及直流多饋入受電地區(qū)廣泛應用，特別是在特高壓直流輸電系統(tǒng)的受端電網(wǎng)中安裝新型大容量調(diào)相機可有效提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性和抗無功沖擊能力，確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[4]，因此，大型調(diào)相機在特高壓電網(wǎng)系統(tǒng)中的應用越來越廣泛。

“十三五”期間，300Mvar級新型大型調(diào)相機被部署在電網(wǎng)的重要負荷節(jié)點，通過結(jié)合目前已有的實際應用工程，對所暴露出的問題進行解決改善，特別是研究影響調(diào)相機穩(wěn)定運行的直接因素，因此本文針對當前潤滑油系統(tǒng)配置所存在的問題進行深入分析，提出通過裝設蓄能器來改善潤滑油系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的方法，通過現(xiàn)場試驗對比分析可知，加裝蓄能器能極大提高大型調(diào)相機潤滑油系統(tǒng)的可靠性，確保調(diào)相機的穩(wěn)定運行，可為后續(xù)新建調(diào)相機工程提供有效參考[5-6]。

1 大型調(diào)相機系統(tǒng)組成

目前，生產(chǎn)投運的大型調(diào)相機大都為隱極式同步電機，調(diào)相機是電動機和發(fā)電機的結(jié)合體，既能從交流電網(wǎng)吸收有功功率驅(qū)動調(diào)相機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，也能由定子繞組切割轉(zhuǎn)子磁力線產(chǎn)生感應電動勢，接入負荷向系統(tǒng)供電，由于調(diào)相機的功率因數(shù)為0，因此只向系統(tǒng)提供或吸收無功功率。

這里以投運的300Mvar雙水內(nèi)冷調(diào)相機運行系統(tǒng)為例，調(diào)相機系統(tǒng)采用“調(diào)相機-變壓器組”單元接線的方式，通過主變經(jīng)并網(wǎng)斷路器5601接入換流站內(nèi)500kV交流濾波器母線，調(diào)相機系統(tǒng)如圖1所示，主要由調(diào)相機本體、勵磁系統(tǒng)、主變、冷卻系統(tǒng)、油系統(tǒng)、變頻起動系統(tǒng)等組成[7-9]。

圖1 調(diào)相機系統(tǒng)

變頻起動系統(tǒng)主要用于將調(diào)相機組拖動至目標轉(zhuǎn)速，便于并入電網(wǎng)，之后便退出運行。勵磁系統(tǒng)采用靜止勵磁方式，主要由勵磁調(diào)節(jié)器、晶閘管整流裝置、滅磁及過電壓保護裝置、勵磁變壓器等構(gòu)成，整個勵磁系統(tǒng)又分為主勵磁系統(tǒng)和起動勵磁系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)主要包括內(nèi)冷水和外冷水系統(tǒng)，內(nèi)冷卻水通過定、轉(zhuǎn)子線圈空心導線，將線圈損耗產(chǎn)生的熱量帶出機組本體，同時又通過外冷卻水將內(nèi)冷卻水冷卻進行循環(huán)，最大程度地降低定轉(zhuǎn)子繞組溫度，提高繞組絕緣壽命。油系統(tǒng)包括潤滑油系統(tǒng)和 頂軸油系統(tǒng)，頂軸油系統(tǒng)主要是在低轉(zhuǎn)速下建立油膜，正常運行后退出，潤滑油系統(tǒng)主要是為調(diào)相機提供潤滑和冷卻，防止軸承干摩損壞而影響機組的正常運行，當潤滑油油壓低于0.135MPa時，將觸發(fā)嚴重故障報警啟動調(diào)相機系統(tǒng)跳機程序[10]。

調(diào)相機起動過程中主勵磁不帶電，由起動勵磁系統(tǒng)配合變頻起動，將調(diào)相機拖動至頻率52.5Hz左右，離相封閉母線（isolated phase enclosed bus, IPB）斷開，變頻起動系統(tǒng)退出，起動勵磁系統(tǒng)快速起動勵磁后切換至主勵磁系統(tǒng)，即起動開關(guān)QDK斷開、發(fā)電機勵磁開關(guān)GEK合閘，調(diào)相機升壓并對主變進行充電，此時調(diào)相機開始加速惰性降速，起動同期裝置，成功捕捉同期并網(wǎng)點，并網(wǎng)斷路器5601合閘。

2 蓄能器

2.1 蓄能器的基本原理及類型

蓄能器是一種通過對蓄積液體進行受壓操作而設計的液壓輔件。液體不可壓縮，蓄能器是利用氣體的可壓縮性來達到儲存液體的目的。在低速負載情況下，機器運轉(zhuǎn)所需流量小于液壓泵流量，液壓泵中的多余流量可以存儲在蓄能器中；當機器運轉(zhuǎn)負載要求的流量大于液壓泵流量時，蓄能器通過氣體的膨脹將液體擠壓排出，以彌補液壓泵流量的不足，特別是當液壓泵停機但仍需保持一定壓力時，蓄能器可以補償系統(tǒng)泄漏的液體流量，從而穩(wěn)定系統(tǒng)的壓力。

常用的蓄能器有皮囊式、活塞式、隔膜式[11]。不同類型的蓄能器對比見表1，本文選用皮囊式蓄能器。

表1 不同類型蓄能器的對比

2.2 蓄能器選型及參數(shù)計算

所選用的皮囊式蓄能器內(nèi)腔皮囊分為兩個部分：囊內(nèi)裝氮氣，囊外充液壓油。位于皮囊周圍的油液與油液回路連通，利用氮氣的可壓縮性，當油壓升高時，油液進入蓄能器，氣體被壓縮，系統(tǒng)管道壓力不再上升，當系統(tǒng)管道壓力下降時，壓縮的氣體膨脹，將油液壓入回路，從而延緩壓力的下降，蓄能器系統(tǒng)原理如圖2所示[12]。

圖2 蓄能器系統(tǒng)原理

為延長故障發(fā)生后油母管壓力下降至0.135MPa的所需時間，同時防止交流潤滑油泵在定期切換時引起壓力波動而導致的設備異常運行狀況，采用蓄能器作為輔助動力源，由式（1）計算所需容量。

式中：V0、VX為所需蓄能器的容積、工作容積（L）；P0為充氣壓力（MPa）；P1、P2為工作循環(huán)中的最低、最高工作壓力（MPa）；n為指數(shù)，等溫時取n=1，絕熱時取n=1.4。

考慮到安全裕量，為保證潤滑油泵失效情況下，系統(tǒng)壓力能夠維持安全值3s以上，同時考慮到調(diào)相機系統(tǒng)的實際運行工況，式（1）中參數(shù)的選擇見 表2。

表2 式（1）中參數(shù)的選擇

將表2中各數(shù)據(jù)代入式（1）中計算得到所需蓄能器的容積V0=158L。

3 含蓄能器的調(diào)相機潤滑油系統(tǒng)

潤滑油系統(tǒng)作為調(diào)相機系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，為其機械旋轉(zhuǎn)部件提供潤滑和冷卻，供油壓力過低時將會直接出口進入跳機程序，因此其是否正常可靠運行直接影響到機組的穩(wěn)定與否[13]。含蓄能器的調(diào)相機潤滑油系統(tǒng)配置示意圖如圖3所示，系統(tǒng)配置有一臺直流油泵作為事故備用，兩臺交流潤滑油泵，互為一用一備，出口母管壓力低將聯(lián)起備用泵及直流油泵，交流潤滑油泵進行周期切換，交替運行，周期切換流程如圖4所示。在監(jiān)屏及日常的設備巡視中發(fā)現(xiàn)，潤滑油系統(tǒng)交流潤滑油泵在周期切換的過程中，存在聯(lián)起直流潤滑油泵及壓力波動的異?，F(xiàn)象，嚴重威脅到機組安全穩(wěn)定運行，因此采取措施消除調(diào)相機因油泵周期切換造成的直流泵聯(lián)起并維持油壓的正常穩(wěn)定十分必要。

圖3 含蓄能器的調(diào)相機潤滑油系統(tǒng)配置示意圖

圖4 周期切換流程

在潤滑油過濾器后的潤滑油供油母管處，通過采用裝設蓄能器裝置的措施，來改善交流潤滑油泵周期切換過程中供油母管壓力存在異常波動的情況，保證潤滑油供油母管壓力開關(guān)正確動作，解決導致直流潤滑油備用油泵誤起動的問題，提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，蓄能器安裝現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 蓄能器安裝現(xiàn)場

4 試驗對比分析

本節(jié)通過對現(xiàn)場試驗和日常系統(tǒng)運行的穩(wěn)定信號進行對比分析。對裝設蓄能器前后調(diào)相機潤滑油系統(tǒng)工作在正常工況轉(zhuǎn)速3 000r/min時，潤滑油泵A周期性地切換至潤滑油泵B進行試驗，記錄周期 切換期間潤滑油系統(tǒng)油壓的變化及直流潤滑油泵聯(lián)起情況，現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)曲線如圖6所示，未裝蓄能器時如圖6（a）所示，裝設蓄能器后如圖6（b）所示。

圖6 現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)曲線

由圖6（a）與圖6（b）對比可以看出，調(diào)相機轉(zhuǎn)速均基本穩(wěn)定在3 000r/min，正常工況條件下，在由潤滑油泵A正常穩(wěn)定運行切換至潤滑油泵B穩(wěn)定運行時，從圖6（a）未裝設蓄能器看出，在切換時，供油母管油壓出現(xiàn)明顯的波動，起動潤滑油泵B運行時，油壓由0.46MPa下降至約0.42MPa，同時并聯(lián)起動了直流潤滑油泵，約2s后供油母管油壓逐步穩(wěn)定，但由于直流潤滑油泵為事故備用油泵，不可長時間運行，系統(tǒng)處于異常的工作狀態(tài)，直流潤滑備用油泵需要人工干預進行手動停運，此時自動周期切換失敗；從圖6（b）裝設蓄能器后的波形圖看出，供油母管油壓沒有明顯的波動，最低降至0.44MPa，與油壓正常穩(wěn)定運行時的0.45MPa相差甚小，能順利完成由潤滑油泵A正常穩(wěn)定運行切換至潤滑油泵B穩(wěn)定運行的過程，并且事故備用直流潤滑油泵沒有聯(lián)起，調(diào)相機潤滑油系統(tǒng)處于正常穩(wěn)定的運行狀態(tài)。因此，蓄能器對供油母管油壓的異常波動有明顯緩解作用，可以控制供油母管油壓基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

5 結(jié)論

通過對某換流站調(diào)相機工程潤滑油系統(tǒng)在潤滑油泵周期切換過程中存在潤滑油母管壓力低、聯(lián)起直流潤滑油泵的異?，F(xiàn)象進行深入分析，并對蓄能器的基本原理及結(jié)構(gòu)選型進行研究后，選擇在潤滑油系統(tǒng)中增加蓄能器來延長油壓下降時間，確保油泵周期切換時油壓的無擾動。通過現(xiàn)場試驗結(jié)果對比可知，蓄能器極大地提升了大型調(diào)相機潤滑油系統(tǒng)可靠性，消除了跳機風險，為調(diào)相機的穩(wěn)定可靠運行提供了重要保證，具有廣闊的應用前景和參考價值。