大容量火力發(fā)電機組ABB勵磁系統(tǒng)典型異常分析

徐皎峰

（中電神頭發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 朔州 036011）

0 引言

ABB UNITROL系列勵磁系統(tǒng)在我國各大電廠中有廣泛的應(yīng)用，其中UNITROL 5000為其早期型號，在當今階段，已經(jīng)逐漸被 UNITROL 6800系統(tǒng)所取代。UNITROL 6800為ABB公司所生產(chǎn)的第6代產(chǎn)品，主要用于對同步發(fā)電機靜態(tài)勵磁系統(tǒng)電壓進行調(diào)節(jié)，該勵磁系統(tǒng)具有運行可靠性高、連通性優(yōu)越等很多優(yōu)點，是行業(yè)內(nèi)的一款標桿產(chǎn)品。勵磁系統(tǒng)作為火力發(fā)電企業(yè)中一個關(guān)鍵的系統(tǒng)，對火力發(fā)電機組的正常運轉(zhuǎn)有十分重要的作用，因此，該文針對ABB UNITROL 6800勵磁系統(tǒng)常見的故障類型進行分析和研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 ABB勵磁系統(tǒng)簡介

1.1 同步發(fā)電機自并勵勵磁系統(tǒng)

對大容量的火力發(fā)電機組來講，最常用的一種勵磁方式就是自并勵勵磁。其工作原理為通過控制可控硅整流橋來導(dǎo)通觸發(fā)角，進而通過控制發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組來調(diào)節(jié)發(fā)電機電磁場電流大小，達到對發(fā)電機端口電壓和無功功率的大小進行調(diào)節(jié)的作用，使發(fā)電機組功率始終處在既定水平上。一般來講，自并勵勵磁系統(tǒng)主要是由起勵和滅磁單元、可控硅整流橋柜單元、自動勵磁調(diào)節(jié)器以及勵磁變壓單元4個部分組成，同步電機自并勵勵磁系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

圖1 同步發(fā)電機自并勵勵磁系統(tǒng)工作原理圖

1.2 ABB UNITROL 6800勵磁系統(tǒng)

ABB UNITROL 6800勵磁系統(tǒng)是由瑞士ABB公司所生產(chǎn)的UNITROL系列的第5代產(chǎn)品，是一種同步發(fā)電機自并勵勵磁系統(tǒng)。UNITROL 6800型號的勵磁系統(tǒng)集成了歷代UNITROL系統(tǒng)的優(yōu)點和技術(shù)，采用了先進設(shè)備設(shè)施和數(shù)字技術(shù)，因此擁有十分優(yōu)越的性能。

某火力發(fā)電企業(yè)的1#大容量火力發(fā)電機組所采用的勵磁調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可以看出，該勵磁調(diào)節(jié)器共計包括2套結(jié)構(gòu)完全相同的控制通道，并且這2套控制通道彼此之間是相互獨立的。在UNITROL 6800勵磁系統(tǒng)工作期間，系統(tǒng)程序設(shè)定控制通道1為工作的主通道，控制通道2為工作的備用通道[1]。2套控制通道的工作流程如下：在正常工作狀態(tài)下，控制通道1會自動開展采樣、信號處理、指令發(fā)送等工作，與此同時控制通道2同樣也會進行采樣、處理的工作，并且控制通道2還肩負對控制通道1的工作狀態(tài)進行監(jiān)控的任務(wù)，以便在出現(xiàn)故障的第一時間內(nèi)，系統(tǒng)能夠自動進行控制通道的快速切換[2]。其具體的工作流程為主控板通過光纖和采樣板進行連接，而各個開入以及開出板、整流橋接口板主要負責(zé)對信息數(shù)據(jù)的采集、處理傳輸工作。數(shù)字式勵磁電壓調(diào)節(jié)器的具體參數(shù)見表1。

表1 數(shù)字式勵磁電壓調(diào)節(jié)器參數(shù)

圖2 UNITROL 6800勵磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2 勵磁系統(tǒng)故障案例分析

2.1 故障描述

某火力發(fā)電廠白班值班人員在早上08：29：25，發(fā)現(xiàn)2#發(fā)電機組有功功率為758 MW，無功功率為-334 Mvar，當即決定要對2#機組手動增加勵磁，而在操作人員尚未來得及進行增加勵磁操作時，2#機組無功功率降低至-549.77 Mvar，發(fā)變組保護A屏顯示“失磁II段保護動作”，之后發(fā)變組停止工作，機組跳閘[3]。機組故障后，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)，在勵磁系統(tǒng)保護動作之后，發(fā)變組保護除了顯示“失磁II段保護動作”信號外無其他跳閘信號，機組進相頗深[4]。通過調(diào)閱當天發(fā)電機組有功功率、無功功率的相關(guān)數(shù)據(jù)，整理見表2。

由表2數(shù)據(jù)可以看出，在勵磁系統(tǒng)跳閘前的20 min時間內(nèi)，發(fā)電機組的電壓、無功功率和勵磁電壓都出現(xiàn)了降低的趨勢，同時有功功率開始呈現(xiàn)出上升趨勢，但卻在上升至763.37 MW之后就維持該數(shù)據(jù)不變，而勵磁電流則一直都保持在一個穩(wěn)定的狀態(tài)。技術(shù)人員先對勵磁調(diào)節(jié)器進行了檢查，顯示面板正常，然后對勵磁系統(tǒng)進行檢查，在出現(xiàn)跳閘故障之前，勵磁系統(tǒng)一直處于手動模式下運行。經(jīng)了解得知，這是因為在當日凌晨，值班人員發(fā)現(xiàn)發(fā)電機組的進項較多，而為了提升發(fā)電機組的無功功率，操作人員將自動電壓控制模式切換為手動通道。在切換為手動運行后，勵磁系統(tǒng)的無功功率增加了-30 Mvar，之后勵磁系統(tǒng)就一直保持在手動通道模式運行，直至跳閘故障發(fā)生[5]。由此可知，此次故障的主要原因是在手動運行方式下，發(fā)電機組的進相過深，引起失磁保護動作而造成跳閘。

表2 發(fā)電機組跳機前6 h電氣量部分數(shù)據(jù)

2.2 原因分析

2.2.1 故障機組的相關(guān)參數(shù)

故障機組為一款QFSN-1000-2-27 型發(fā)電機，采用的為ABB UNITROL 6800勵磁調(diào)節(jié)器，其發(fā)電機參數(shù)見表3。

表3 大電機技術(shù)參數(shù)

2.2.2 失磁保護動作分析

對該機組失磁保護進行判斷的依據(jù)是測量發(fā)電機的阻抗，因此，值班人員所監(jiān)視的數(shù)據(jù)一般都是發(fā)電機組的有功功率、無功功率等電氣量。對失磁保護動作行為進行判斷應(yīng)先對定值進行映射，為了對失磁保護動作的定值進行判定，該文設(shè)定U=23.50kV，經(jīng)該機組的失磁保護定值映射至功率平面如圖3所示。

由圖3可以看出，發(fā)電機電壓下降至23.50 kV時，失磁保護工作曲線呈現(xiàn)出了向上平移的趨勢，圖3中標記點和機組跳機時的工作狀況保持一致，由此可知失磁保護動作正常。

圖3 失磁保護定值功率平面映射

2.2.3 無功功率變化分析

在該機組故障之前，隨著有功功率的增加，發(fā)電機無功功率在不斷減小，。隨著有功功率的增加，相同有功功率變化量ΔP所對應(yīng)的無功功率變化量ΔQ的數(shù)據(jù)見表4。在有功功率為763.37 MV時，ΔQ/ΔP急劇變大，最終導(dǎo)致了發(fā)電機組失磁保護動作。

表4 機組故障期間ΔQ/ΔP值

2.2.4 有功功率變化分析

結(jié)合表2數(shù)據(jù)，在故障發(fā)生前的6 h內(nèi)，發(fā)電機有功功率呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，待其增加至763.37 MW時，AGC指令大于763.37 MW，發(fā)電機組需要繼續(xù)增加有功功率。但經(jīng)過15 s之后，發(fā)電機有功卻依然保持不變[4]。對ABB UNITROL-6800型勵磁調(diào)節(jié)器來講，手動通道也可以稱之為恒勵磁電流控制模式，在這種模式下發(fā)電機的勵磁電流為恒定值，而發(fā)電機有功功率卻一直在增加，此時發(fā)電機功角為90°，對應(yīng)的有功功率如公式（1）所示。

式中：Eq為發(fā)電機內(nèi)電勢；Ut為電網(wǎng)電壓；xd為電機與電網(wǎng)之間的電抗。

如果發(fā)電機功角繼續(xù)增加，那么發(fā)電機組靜態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)將會被打破，出現(xiàn)滑行失步，而有功功率變化量ΔP最后歸零的原因便在于此。

3 勵磁系統(tǒng)優(yōu)化措施

根據(jù)上述對勵磁系統(tǒng)故障的分析可知，造成系統(tǒng)出現(xiàn)非停的原因有很多，在此該文結(jié)合ABB UNITROL-6800勵磁系統(tǒng)的特性和大功率火力發(fā)電機組的運行特征針對勵磁系統(tǒng)進行了優(yōu)化。

3.1 優(yōu)化勵磁調(diào)節(jié)器PT慢熔邏輯

ABB公司所生產(chǎn)的UNITROL-6800勵磁調(diào)機器原有的PT斷線判斷功能靈敏度不足。通常情況下，該判斷機制都是在機端三相電壓平均值與三相同步電壓平均值大于15%之后才判定為PT斷線，但在實際使用時，這會造成PT出現(xiàn)熔絲慢熔，無法做到對故障的精準判斷[6]。電廠技術(shù)人員對該勵磁調(diào)節(jié)器進行仔細分析，并與ABB公司技術(shù)相關(guān)人員進行多次溝通，提出了該勵磁調(diào)節(jié)器PT慢熔優(yōu)化方案，并實施了邏輯測試工作，其具體的PT慢熔方案邏輯如圖4所示。

圖4 PT慢熔邏輯

對備用通道測量的發(fā)電機電壓標幺值和運行通道測量的發(fā)電機電壓標幺值進行做差，如果兩者之間的偏差大于所設(shè)定的3%偏差值，那么系統(tǒng)會自動判斷為啟動，并在延時2 s之后切換至備用通道。

對運行通道同步電壓標幺值，即可控硅陽極電壓標幺值和運行通道經(jīng)過測量得出的發(fā)電機電壓標幺值進行做差，如果兩者之間的偏差大于所設(shè)定的3%的偏差值，那么系統(tǒng)也會自動判定為啟動，并在延時2 s之后切換至備用通道。

在勵磁系統(tǒng)正常運行過程中，上述2個判斷依據(jù)只要有一個生效，即可觸發(fā)PT慢熔報警，并同時將系統(tǒng)切換至備用通道運行，一直到最后切換至手動通道運行。

3.2 添加增減磁指令防黏連功能

為了避免因增減磁指令繼電器發(fā)生節(jié)點黏連而導(dǎo)致的機組跳閘，該次針對勵磁系統(tǒng)的優(yōu)化還添加了增減磁指令防黏連功能，并對其運行邏輯進行了測試。其具體的黏連邏輯如下：1）在增減磁命令＜500 ms的情況下，勵磁系統(tǒng)將會以實際增減磁命令的脈寬時間為標準。2） 在增減磁命令＞500 ms的情況下，勵磁系統(tǒng)則只會接受500 ms的脈沖寬度。3） 待上一次的增減命令消失之后，勵磁調(diào)節(jié)器才會重新開始接受新的勵磁增減命令。

3.3 優(yōu)化勵磁調(diào)節(jié)器報警邏輯

通過對上述故障進行分析可知UNITROL-6800勵磁調(diào)節(jié)器的電源模塊采用的是型號為QUINT-PS 24DC/10的電源，這種電源最顯著的特性之一就是在其輸出電壓小于額定電壓的90%的情況下，其中一對接點“DC OK”會同時釋放LED聲光燈變色報警信號。而此時UNITROL-6800勵磁調(diào)節(jié)器卻不能對該電源模塊運行是否正常進行檢測。針對此問題，該電廠的技術(shù)人員結(jié)合機組運行特征在系統(tǒng)中添加了對該型號電源模塊異常進行報警的裝置。

4 結(jié)語

ABB UNITROL 6800勵磁系統(tǒng)是一種具有優(yōu)異性能的新一代勵磁產(chǎn)品，為了確?；鹆Πl(fā)電企業(yè)中的大容量火力發(fā)電機組正常運行，在最大程度上降低因系統(tǒng)非停對火電廠造成的影響，需要針對ABB勵磁系統(tǒng)進行深入研究，并結(jié)合自身實際使用情況來對其進行升級和改造，以提升其運行穩(wěn)定性和效率。