水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁起勵(lì)回路對(duì)直流電源系統(tǒng)影響的分析

徐勇軍 石江華

貴州黔源電力股份有限公司普定發(fā)電公司 貴州安順 562100

1 事故情況

勵(lì)磁直接影響發(fā)電機(jī)、發(fā)電廠、電網(wǎng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。勵(lì)磁控制系統(tǒng)是發(fā)電廠中極為重要的關(guān)鍵設(shè)備,主要任務(wù)是向發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組提供一個(gè)可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)的直流電壓,維持機(jī)端電壓恒定,滿足發(fā)電機(jī)正常發(fā)電的需要,同時(shí)控制發(fā)電機(jī)組之間無(wú)功功率的合理分配,提高同步發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的穩(wěn)定性,滿足電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的需要。隨著電力工業(yè)的發(fā)展,自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)在水輪發(fā)電機(jī)組中得到廣泛應(yīng)用。勵(lì)磁系統(tǒng)是發(fā)電廠電力系統(tǒng)的核心控制裝置之一,勵(lì)磁系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)對(duì)電力系統(tǒng)而言非常重要,勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性、可維護(hù)性、便于操作性等,將影響電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行,也會(huì)影響后期日常維護(hù)和檢修過(guò)程。在自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)中,發(fā)電機(jī)的起勵(lì)方式有直流電源起勵(lì)、交流電源起勵(lì)、殘壓起勵(lì)。起勵(lì)控制回路的設(shè)計(jì)可靠性關(guān)系到發(fā)電廠的安全運(yùn)行。在沒(méi)有殘壓起勵(lì)功能時(shí),使用直流電源起勵(lì)或交流電源起勵(lì),需要向發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子提供很大的電流。這一電流最大時(shí)達(dá)到額定空載電流的10%,會(huì)對(duì)發(fā)電廠的直流電源系統(tǒng)或交流電源系統(tǒng)造成很大沖擊,可能引起繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置誤動(dòng)作。

某水電站位于烏江上游南源貴州省安順市普定縣三岔河中游,距貴陽(yáng)市125 km。水庫(kù)正常蓄水位為1 145 m,總庫(kù)容為4.013 7億m3,為不完全年調(diào)節(jié)水庫(kù)。水電站原總裝機(jī)容量為75 MW,共裝設(shè)三臺(tái)25 MW立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組,年平均發(fā)電量為3.16億kW·h。這一水電站以發(fā)電為主,兼有供水、灌溉、養(yǎng)殖、旅游等綜合功能。水電站樞紐由碾壓混凝土拱壩、壩身泄洪系統(tǒng)、右岸引水系統(tǒng)、右岸岸邊式地面廠房及開關(guān)站組成。水電站引水系統(tǒng)由進(jìn)水口、漸變段、引水隧洞、鋼筋混凝土岔管、壓力鋼管段組成,總長(zhǎng)約280 m,為一管三機(jī)引水型式。水電站于1989年12月開工建設(shè),1993年11月開始蓄水,1994年6月第一臺(tái)機(jī)組發(fā)電。投產(chǎn)至今,多數(shù)設(shè)備已達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行年限,同時(shí)受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)、制造條件的限制,設(shè)備及其配套設(shè)施較差,水電站運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)一系列問(wèn)題,水輪發(fā)電機(jī)組老化,線圈絕緣等級(jí)低,自動(dòng)化水平低,多年來(lái)事故頻發(fā)。尤其是水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性差,高水頭額定負(fù)荷為25 MW時(shí)振動(dòng)嚴(yán)重。為了避開該負(fù)荷下的振動(dòng)區(qū),調(diào)度允許三臺(tái)機(jī)組出力增大至28 MW。多年來(lái),由于機(jī)組長(zhǎng)期超額定負(fù)荷運(yùn)行,加上定子繞組絕緣水平偏低,使三臺(tái)機(jī)組定子繞組及鐵心溫度長(zhǎng)期超過(guò)105 ℃運(yùn)行,定子繞組流膠嚴(yán)重。加上三臺(tái)機(jī)組效率偏低,三臺(tái)主變壓器及七臺(tái)廠用變壓器損耗大,使水電站年度綜合損耗較大。機(jī)組長(zhǎng)期偏離最優(yōu)工況運(yùn)行,加速機(jī)組老化和磨損。為保證機(jī)組安全運(yùn)行,于2016年啟動(dòng)三臺(tái)機(jī)組的增容改造工程。其中,1號(hào)機(jī)組于2018年10月22日開始施工,2019年3月28日并網(wǎng)發(fā)電,2號(hào)機(jī)組于2017年10月29日開始施工,2018年4月10日并網(wǎng)發(fā)電,3號(hào)機(jī)組于2016年10月12日開始施工,2017年4月12日并網(wǎng)發(fā)電。

三臺(tái)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)采用自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng),起勵(lì)方式為直流電源起勵(lì),直流電源取自廠站直流電源220 V系統(tǒng)。機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)時(shí),對(duì)直流電源系統(tǒng)產(chǎn)生巨大沖擊和諧波干擾,可能會(huì)造成繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置誤動(dòng)作。

2 直流電源起勵(lì)原理

水輪發(fā)電機(jī)組自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)直流電源起勵(lì)控制回路一般原理如圖1所示,控制回路由起勵(lì)限流電阻BR、起勵(lì)二極管ZD、起勵(lì)接觸器KM2等元件組成。水輪發(fā)電機(jī)組自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)采用無(wú)殘壓起勵(lì)功能,起勵(lì)時(shí)需要給轉(zhuǎn)子提供很大的電流,用于轉(zhuǎn)子建立磁場(chǎng)。勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)控制回路的起勵(lì)電源取自廠站直流電源220 V系統(tǒng),當(dāng)按下起勵(lì)按鈕SB3或接收到遠(yuǎn)程起勵(lì)命令時(shí),起勵(lì)接觸器KM2線圈帶電,起勵(lì)接觸器KM2的常開觸點(diǎn)閉合,將直流220 V電源經(jīng)過(guò)起勵(lì)二極管ZD和起勵(lì)限流電阻BR接入轉(zhuǎn)子,向轉(zhuǎn)子提供電流,建立磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)切割定子繞組,定子繞組建立三相交流電壓。三相交流電壓經(jīng)過(guò)勵(lì)磁變升壓后,輸出至勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁功率柜三相整流橋,作為供電電源。晶閘管整流的直流電壓又供給轉(zhuǎn)子,與起勵(lì)電源并聯(lián)在一起。當(dāng)勵(lì)磁功率柜三相整流橋的輸出電壓大于直流電源電壓時(shí),起勵(lì)二極管ZD反向截止,直流電源的正極和轉(zhuǎn)子隔離。按下起勵(lì)按鈕SB3或遠(yuǎn)程起勵(lì)命令的保持時(shí)間短于晶閘管輸出電壓大于直流電源電壓所需時(shí)間時(shí),起勵(lì)接觸器KM2線圈失電,起勵(lì)接觸器KM2的常開觸點(diǎn)斷開,直流電源正極、負(fù)極和轉(zhuǎn)子完全斷開。按下起勵(lì)按鈕SB3或遠(yuǎn)程起勵(lì)命令的保持時(shí)間長(zhǎng)于晶閘管輸出電壓大于直流電源電壓所需時(shí)間時(shí),起勵(lì)二極管ZD反向截止,直流電源的正極和轉(zhuǎn)子隔離,直至起勵(lì)按鈕SB3釋放或遠(yuǎn)程起勵(lì)命令消失,直流電源的負(fù)極才和轉(zhuǎn)子隔離。勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)直至起勵(lì)接觸器KM2線圈失電,起勵(lì)接觸器KM2常開觸點(diǎn)斷開時(shí),都與廠站直流電源220 V系統(tǒng)存在電氣回路上的聯(lián)系,這導(dǎo)致在勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)時(shí),廠站直流電源220 V系統(tǒng)或多或少會(huì)受到勵(lì)磁系統(tǒng)晶閘管整流橋輸出量的干擾,以及為轉(zhuǎn)子提供較大轉(zhuǎn)子電流的沖擊,引起廠站直流電源220 V系統(tǒng)電壓波動(dòng),嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置誤動(dòng)作。

3 直流電源起勵(lì)方式的影響

水輪發(fā)電機(jī)組自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)采用直流電源起勵(lì)方式時(shí),需要給轉(zhuǎn)子提供一個(gè)很大的電流,消耗大量直流電能,這會(huì)對(duì)廠站直流電源220 V系統(tǒng)產(chǎn)生較大沖擊和干擾。晶閘管整流橋輸出直流分量和諧波分量在很大程度上也會(huì)污染廠站直流電源220 V系統(tǒng)。兩者綜合影響,會(huì)使直流電源220 V系統(tǒng)產(chǎn)生一定程度的電壓波動(dòng),尤其是起勵(lì)二極管從導(dǎo)通到截止的時(shí)間段,晶閘管整流橋輸出直流分量和諧波分量對(duì)廠站直流電源220 V系統(tǒng)的干擾最大,引起繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置誤動(dòng)作的可能性也最大。

1號(hào)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)時(shí),造成廠站直流電源220 V系統(tǒng)電壓劇烈波動(dòng),導(dǎo)致某條35 kV出線開關(guān)誤動(dòng)作跳閘,故障錄波裝置開入量誤動(dòng)作。開關(guān)跳閘時(shí)的故障錄波波形如圖2所示,可見(jiàn)直流電源220 V系統(tǒng)電壓出現(xiàn)兩個(gè)時(shí)間段的波動(dòng)。第一個(gè)時(shí)間段為-0.02～0.291 s,出現(xiàn)幅值為183.093～253.2 V的周期性波動(dòng),造成302斷路器跳位、101線路永久跳閘、1號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作等的開關(guān)量出現(xiàn)不同程度的跳變現(xiàn)象。第二個(gè)時(shí)間段為0.291～0.320 s,出現(xiàn)幅值為119.3～253.2 V的波動(dòng),造成35 kV梭沙302線路斷路器跳閘動(dòng)作。

當(dāng)直流電壓為最低值119.3 V時(shí),直流電壓的諧波分量見(jiàn)表1。

圖1 水輪發(fā)電機(jī)組自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)直流電源起勵(lì)控制回路一般原理

圖2 故障錄波波形

表1 直流電壓諧波分量 V

從表1中可以看出,奇次諧波對(duì)直流的干擾最大,特別是三次諧波,幅值達(dá)到16.95 V。

此次勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)時(shí)導(dǎo)致直流電源220 V系統(tǒng)出現(xiàn)波動(dòng),對(duì)全廠開關(guān)量造成擾動(dòng),具體情況見(jiàn)表2。-0.02～0.320 s時(shí),開關(guān)量變位次數(shù)多達(dá)500次。第一時(shí)間段-0.02～0.291 s內(nèi)影響的開關(guān)量達(dá)到四種,占總量的44.4%。第二時(shí)間段0.291～0.320 s內(nèi)影響的開關(guān)量達(dá)到九種,占總量的100%。

表2 全廠開關(guān)量擾動(dòng)

通過(guò)以上分析,水輪發(fā)電機(jī)組自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)在起勵(lì)時(shí),對(duì)直流電源220 V系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊和諧波干擾,這是造成35 kV斷路器誤跳閘和故障錄波裝置開入量誤動(dòng)作的直接原因。

4 整改措施

針對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)對(duì)直流電源220 V系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊和諧波干擾,造成35 kV斷路器誤跳閘和故障錄波裝置開入量誤動(dòng)作,對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)回路進(jìn)行研究分析,從可行性角度出發(fā),制訂了整改措施。在起勵(lì)回路負(fù)極回路中串入一個(gè)起勵(lì)二極管ZD1,如圖3所示。起勵(lì)二極管ZD1與原起勵(lì)二極管ZD配合使用,勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)時(shí)轉(zhuǎn)子電壓高于起勵(lì)電源電壓,起勵(lì)二極管ZD和ZD1均截止,起勵(lì)電源完全和發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子隔離,由此減小對(duì)直流電源220 V系統(tǒng)的沖擊和諧波干擾。

對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)控制回路進(jìn)行整改后,在勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)時(shí)對(duì)直流電源電壓進(jìn)行錄波,錄波波形如圖4所示。對(duì)錄波數(shù)據(jù)分析,勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)造成直流電源電壓波動(dòng)范圍為215.2～232.07 V,擾動(dòng)時(shí)長(zhǎng)為2.5 ms。當(dāng)直流電壓為最低值215.2 V時(shí),直流電壓的諧波分量見(jiàn)表2,可知諧波分量很小。調(diào)查故障錄波裝置,錄波開關(guān)量未啟動(dòng),由此可見(jiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)對(duì)直流電源系統(tǒng)的沖擊和干擾很小,對(duì)其它設(shè)備的安全運(yùn)行無(wú)威脅。

圖3 整改措施

圖4 整改后錄波波形

表3 整改后直流電壓諧波分量 V

5 結(jié)束語(yǔ)

直流電源起勵(lì)的水輪發(fā)電機(jī)組,在起勵(lì)瞬間會(huì)對(duì)廠站直流電源220 V系統(tǒng)生產(chǎn)沖擊和諧波干擾,直接影響繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置的安全運(yùn)行。通過(guò)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁起勵(lì)回路對(duì)直流電源220 V系統(tǒng)的影響進(jìn)行研究分析,提出在勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)回路負(fù)極回路中串入一個(gè)起勵(lì)二極管。這一起勵(lì)二極管與原起勵(lì)二極管配合使用,當(dāng)轉(zhuǎn)子電壓高于起勵(lì)電源電壓時(shí),兩個(gè)起勵(lì)二極管均截止,起勵(lì)電源完全和發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子隔離。對(duì)整改前和整改后的水輪發(fā)電機(jī)組自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行直流電源起勵(lì),分析對(duì)直流電源220 V系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊和諧波干擾。在勵(lì)磁系統(tǒng)起勵(lì)回路負(fù)極回路中串入一個(gè)起勵(lì)二極管后,可以大大減小對(duì)直流電源220 V系統(tǒng)的沖擊和諧波干擾,保證繼電保護(hù)、安全自動(dòng)裝置及其它設(shè)備的安全運(yùn)行。