NES6100型勵磁調(diào)節(jié)器電源回路優(yōu)化研究

王金虎，孫 暉，秦志勇

（浙能阿克蘇熱電有限公司，新疆維吾爾自治區(qū) 阿克蘇 843000）

0 引言

發(fā)電機勵磁系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中起著非常重要的作用，隨著大電網(wǎng)的互聯(lián)運行以及電力系統(tǒng)容量不斷倍增，加之快速勵磁裝置的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)也出現(xiàn)了許多新的問題。例如，由于系統(tǒng)阻尼不足出現(xiàn)的低頻振蕩，遠距離輸電線路的串聯(lián)補償電容引起的次同步振蕩及軸系扭振，系統(tǒng)無功不足、無功功率平衡破壞導(dǎo)致的電壓崩潰，這些都威脅著電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[1-3]。因此，提高勵磁系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性顯得尤為重要，對于電網(wǎng)和發(fā)電機的安全穩(wěn)定運行具有重要的實現(xiàn)意義[4,5]。

本文研究了某熱電公司實際運行過程中勵磁系統(tǒng)運行存在的安全隱患，通過對勵磁調(diào)節(jié)器電源部分的改進，簡單的接線方式，使可控硅勵磁系統(tǒng)的運行更加可靠[6]。消除了單一電源開關(guān)跳閘引起兩套勵磁調(diào)節(jié)器同時故障而使發(fā)電機失磁跳機的安全隱患，為火電機組勵磁調(diào)節(jié)器安全運行及優(yōu)化改造提供參考。

1 勵磁調(diào)節(jié)器基本情況及運行隱患

1.1 勵磁調(diào)節(jié)器基本情況

某公司勵磁系統(tǒng)采用機端自并勵靜態(tài)可控硅整流方式，主要由勵磁變、三相全控橋式整流裝置、滅磁裝置、起勵裝置、微機勵磁調(diào)節(jié)器等組成。勵磁交流電源取自發(fā)電機機端，發(fā)電機機端電壓經(jīng)勵磁變壓器降壓整流，通過滅磁開關(guān)（磁場開關(guān)）供給發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組，建立旋轉(zhuǎn)磁場，控制勵磁電流來調(diào)節(jié)同步發(fā)電機機端電壓和無功功率。

發(fā)電機勵磁系統(tǒng)均采用國內(nèi)某公司制造的NES6100型號勵磁調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器控制單元采用高性能微處理器PowerPC 和兩塊支持高速浮點運算的數(shù)字信號處理器DSP構(gòu)成的多核硬件平臺，采用嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，模塊化軟件程序設(shè)計，并配備網(wǎng)絡(luò)化的人機交互系統(tǒng)。

1.2 勵磁調(diào)節(jié)器運行安全隱患

1.2.1 直流環(huán)路互竄隱患

該公司每臺機組配置兩段220V 直流母線，分別配置一套直流絕緣監(jiān)測裝置。由于原直流絕緣監(jiān)測裝置功能單一，2021 年5 月結(jié)合機組檢修，對1 號機220V 直流絕緣監(jiān)測裝置進行了換型升級，并在直流系統(tǒng)每一支路上加裝高精度漏電流傳感器，提高了直流回路絕緣監(jiān)測的靈敏性。當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生異常時，直流絕緣監(jiān)測裝置啟動選線，可監(jiān)測直流系統(tǒng)正極接地、負極接地、正負極同時接地、環(huán)路互竄、蓄電池接地等主要故障，故障信息顯示在裝置屏幕上。

2021 年06 月17 日，1 號機組檢修結(jié)束后，勵磁系統(tǒng)滅磁開關(guān)兩路控制電源恢復(fù)送電，220V 直流1A 段絕緣監(jiān)測裝置報“主屏A 段12 路環(huán)路互竄告警”，220V 直流1B段絕緣監(jiān)測裝置報“主屏B 段12 路環(huán)路互竄告警”，檢查確認報警支路分別為1 號機滅磁開關(guān)控制電源1，1 號機滅磁開關(guān)控制電源2。

1 號機組220V 直流絕緣監(jiān)測裝置在換型后監(jiān)測到直流環(huán)路互竄，是新?lián)Q型的絕緣監(jiān)測裝置問題，還是勵磁系統(tǒng)二次回路存在隱患，引起了高度關(guān)注。經(jīng)過分析研究發(fā)現(xiàn)1 號機滅磁開關(guān)兩路控制電源環(huán)路互竄報警實為勵磁調(diào)節(jié)器二次回路設(shè)計缺陷導(dǎo)致，換型前的直流絕緣監(jiān)測裝置因功能較為單一，而一直未能發(fā)現(xiàn)環(huán)路互竄的缺陷。

正常情況下，兩套直流系統(tǒng)獨立運行。由于各種原因使直流系統(tǒng)之間電氣連接形成環(huán)網(wǎng)，在直流系統(tǒng)故障時可能會導(dǎo)致繼電保護裝置無法正確動作，使得在系統(tǒng)發(fā)生故障時擴大事故范圍[7,8]。

1.2.2 發(fā)電機失磁隱患

2021 年，1 號機勵磁調(diào)節(jié)器開展靜態(tài)試驗過程中，在拉開1 號機B 套勵磁調(diào)節(jié)器裝置直流電源總開關(guān)時，發(fā)現(xiàn)A 套、B 套勵磁調(diào)節(jié)器開入信號異常。經(jīng)檢查二次回路，發(fā)現(xiàn)1 號勵磁調(diào)節(jié)器開入電源為單電源，取自B 套勵磁調(diào)節(jié)器直流電源，同時供兩套勵磁調(diào)節(jié)器使用，如果B 套勵磁調(diào)節(jié)器直流電源故障，則會造成A 套、B 套勵磁調(diào)節(jié)器同時失去開入電源。機組運行過程中，如果因單一電源開關(guān)跳閘而引起兩套勵磁調(diào)節(jié)器同時故障，那機組必然因失去勵磁而跳機。如果電力系統(tǒng)中無功功率儲備不足，將使系統(tǒng)中鄰近點的電壓低于允許值，破壞負荷與各電源間的穩(wěn)定運行，甚至造成系統(tǒng)電壓崩潰[9,10]，存在非常大的安全隱患。后經(jīng)進一步檢查，采用同類型勵磁調(diào)節(jié)器的2 號機組也存在同樣的安全隱患。

2 勵磁調(diào)節(jié)器二次回路優(yōu)化

2.1 勵磁調(diào)節(jié)器脈沖電源回路優(yōu)化

直流環(huán)路互竄雖然未造成實質(zhì)性故障而影響機組安全運行，但本著防患于未然的初衷，公司電氣技術(shù)人員對勵磁調(diào)節(jié)器脈沖電源原理圖進行了深入分析研究，發(fā)現(xiàn)1 號機勵磁調(diào)節(jié)器滅磁開關(guān)有兩個跳閘線圈，其兩路控制電源分別取自220V 直流1A 段和220V 直流1B 段，任一路跳閘回路動作后，會同時斷開脈沖觸發(fā)電源，使功率柜的可控硅關(guān)斷。由圖1 可知，斷開脈沖觸發(fā)電源通過一個中間繼電器KA1 實現(xiàn)，此設(shè)計導(dǎo)致滅磁開關(guān)兩路直流控制電源的負極通過KA1 線圈連接在一起了，從而導(dǎo)致220V 直流1A 段和220V 直流1B 段產(chǎn)生負極環(huán)路，影響了直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。原有勵磁調(diào)節(jié)器脈沖電源回路原理圖如圖1 所示。

圖1 勵磁調(diào)節(jié)器脈沖電源回路原理圖（原圖）Fig.1 Schematic diagram of excitation regulator pulse power supply circuit（original drawing）

為此，擬定二次回路優(yōu)化方案如下：拆開1 號機勵磁調(diào)節(jié)器脈沖電源控制回路中KA1 繼電器處的并聯(lián)點，在KK-19、KK-20 號端子之間增加一個中間繼電器KA2，在脈沖電源回路KA1 繼電器輔助觸點后，串聯(lián)KA2 繼電器的常閉觸點，實現(xiàn)滅磁開關(guān)跳閘后KA1 或KA2 繼電器任一動作均可斷開脈沖電源，如圖2 所示。

圖2 勵磁調(diào)節(jié)器脈沖電源回路原理圖（優(yōu)化后）Fig.2 Schematic diagram of excitation regulator pulse power supply circuit (optimized)

2022 年5 月，1 號機組檢修期間實施了優(yōu)化方案。二次回路優(yōu)化后，實現(xiàn)了繼電器KA1 配合滅磁開關(guān)第一路跳閘線圈動作后斷開脈沖電源，繼電器KA2 配合滅磁開關(guān)第二路跳閘線圈動作后斷開脈沖電源，使滅磁開關(guān)的兩路直流控制電源不再直接連接，從而避免產(chǎn)生環(huán)路互竄現(xiàn)象。改造完成后，對1 號機勵磁調(diào)節(jié)器進行了小電流試驗及滅磁開關(guān)傳動，驗證了脈沖電源回路的正確性、可靠性，證明二次回路優(yōu)化解決了滅磁開關(guān)跳閘封脈沖回路引起的兩路控制電源環(huán)路互竄問題，有效提高了220V 直流1A 段、1B 段分列運行的可靠性。

2.2 勵磁調(diào)節(jié)器開入電源優(yōu)化

1 號機A 套、B 套勵磁調(diào)節(jié)器裝置均由雙路電源（一路交流、一路直流）供電，任一路失電均不影響勵磁調(diào)節(jié)器裝置運行。兩套勵磁調(diào)節(jié)器共用一路開入電源，該開入電源取自B 套勵磁調(diào)節(jié)器裝置直流電源。如圖3 所示，開入電源開關(guān)Q6 與B 套勵磁調(diào)節(jié)器直流電源開關(guān)Q4 同源。在1 號機組運行中，若Q4 開關(guān)跳閘，則不影響B(tài) 套勵磁調(diào)節(jié)器運行，但若Q4 開關(guān)的進線電源開關(guān)跳閘，則會使兩套勵磁調(diào)節(jié)器開入電源失電，導(dǎo)致兩套勵磁調(diào)節(jié)器失去開入電源而故障，引起機組失磁跳機。原有勵磁調(diào)節(jié)器開入電源原理圖如圖3 所示。

圖3 勵磁調(diào)節(jié)器開入電源原理圖（原圖）Fig.3 Schematic diagram of excitation regulator input power supply (original diagram)

為此，基于對勵磁調(diào)節(jié)器開入電源原理圖的分析研究，擬定優(yōu)化方案如下：在1 號機勵磁調(diào)節(jié)器裝置開入電源開關(guān)Q6 上端，增加“由直流接觸器K70 構(gòu)成的雙電源自切換回路”。電源1 取自A 套勵磁調(diào)節(jié)器直流電源開關(guān)Q3 的進線，電源2 取自B 套勵磁調(diào)節(jié)器直流電源開關(guān)Q4的進線，如圖4 所示。機組運行中，Q3 開關(guān)的進線電源和Q4 開關(guān)的進線電源均正常，K70 接觸器得電，其常開輔助觸點（1 和2、3 和4）閉合，常閉輔助觸點（R1 和R2、R3 和R4）斷開，開入電源開關(guān)Q6 由Q3 開關(guān)的進線電源供電；當(dāng)Q3 開關(guān)的進線電源失電時，K70 接觸器失電，其常開輔助觸點（1 和2、3 和4）斷開，常閉輔助觸點（R1 和R2、R3 和R4）閉合，開入電源開關(guān)Q6 由Q4 開關(guān)的進線電源供電，從而確保了開入電源不會失電。

圖4 勵磁調(diào)節(jié)器開入電源原理圖（優(yōu)化后）Fig.4 Schematic diagram of excitation regulator input power supply (optimized)

2022 年5 月，1 號機組檢修期間實施了優(yōu)化方案。二次回路優(yōu)化后，單路直流電源改為雙路直流電源自動切換，從而實現(xiàn)當(dāng)某一套勵磁調(diào)節(jié)器直流電源進線因故失電時，不會導(dǎo)致開入電源失電，提高了勵磁調(diào)節(jié)器運行的可靠性。改造完成后，結(jié)合勵磁調(diào)節(jié)器小電流試驗進行了開入電源切換測試，驗證了雙電源自動切換回路的可靠性及開入電源的正確性。證明二次回路優(yōu)化消除了單一電源開關(guān)跳閘引起兩套勵磁調(diào)節(jié)器同時故障，而使發(fā)電機失磁跳機的安全隱患。

3 結(jié)語與建議

本研究主要講述了通過對1 號機組勵磁系統(tǒng)二次回路優(yōu)化改造，集中處理勵磁系統(tǒng)二次回路的兩個隱患方法和思路。2022 年06 月28 日，1 號機組并網(wǎng)投運后，勵磁系統(tǒng)運行穩(wěn)定，220V 直流系統(tǒng)未再發(fā)生滅磁開關(guān)控制電源環(huán)路互竄報警，改造取得了良好成效。

此次勵磁調(diào)節(jié)器二次回路優(yōu)化研究為后續(xù)現(xiàn)場工作提供以下建議：

1）重視和發(fā)揮好直流絕緣監(jiān)測裝置的作用，發(fā)現(xiàn)問題及時分析，對癥治理。

2）加強電氣設(shè)備二次回路原理圖的分析研究，多思考、多質(zhì)疑，盡早發(fā)現(xiàn)不完善之處，及時處理，消除隱患。