李 輝,范進(jìn)喜,劉 凱

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，成都 610051)

文章編號：1006—2610(2015)04—0076—05

發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)功率柜均流問題分析

李 輝,范進(jìn)喜,劉 凱

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，成都 610051)

簡要述及了影響勵磁功率柜均流的幾個因素，包括元件通態(tài)特性、開通特性、溫度、母排連接方式等，并針對官地水電站實際情況，提出相應(yīng)解決措施。此外，還提出一種新的可控硅均流評判方法。

勵磁功率柜；可控硅；均流；均流系數(shù)；官地水電站

0 前 言

目前，大、中型發(fā)電機(jī)組普遍采用靜止可控硅自并勵勵磁方式。為了提高勵磁系統(tǒng)的可靠性和增加勵磁電源的容量，同時考慮到可控硅整流器容量的限制和系統(tǒng)對功率柜的冗余要求，一般都采用多功率柜并聯(lián)運行方式，這樣就產(chǎn)生了功率柜之間的均流問題。處理好功率柜之間的均流問題，對于提高勵磁系統(tǒng)運行的可靠性，保證電廠安全可靠地運行具有重要意義。

DL/T 489-2006《大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵磁系統(tǒng)及裝置試驗規(guī)程》[1]中明確規(guī)定：在型式試驗、交接試驗和定期檢查試驗中都必須進(jìn)行勵磁系統(tǒng)整流功率柜的均流試驗。

滿足均流的基本方法包括物理均流和動態(tài)均流。物理均流主要是通過對可控硅元件篩選、交直流側(cè)進(jìn)出線匹配等方法來提高均流系數(shù)，而動態(tài)均流則借助于對同橋臂各晶閘管元件觸發(fā)脈沖時間的控制達(dá)到均流的目的。本文主要針對官地電站勵磁系統(tǒng)實際情況，分析并聯(lián)功率柜之間電流分配不均的原因，并探討其解決措施。

1 電流不均衡的危害

由于目前勵磁系統(tǒng)在整流柜配置上大多采用N+2冗余配置，即退兩柜時仍然能夠滿足發(fā)電機(jī)所有運行工況，所以發(fā)電機(jī)正常運行時，勵磁電流遠(yuǎn)低于整流橋的額定標(biāo)稱電流。以官地水電站為例：在環(huán)境溫度45 ℃時，單橋容許的最大勵磁電流2 000 A，即便考慮到均流系數(shù)，4橋并聯(lián)也能夠達(dá)到7 200 A，而帶滿負(fù)荷工作時的勵磁電流僅為2 800 A。在這種低負(fù)荷情況下考核可控硅整流橋的均流，對于發(fā)電機(jī)勵磁本身并沒有多大的意義。

但是對于功率柜容量配置較小的勵磁系統(tǒng)，電流不均首先會致使負(fù)擔(dān)過重的可控硅元件的結(jié)溫升高而最先損毀，這樣就加重了其他可控硅元件的負(fù)擔(dān)，從而引起其他元器件相繼損壞，這就是所謂的連鎖擊穿損壞現(xiàn)象，它會大大降低勵磁裝置的強(qiáng)勵效果[2]。所以不均流現(xiàn)象的直接后果是縮短了可控硅的使用壽命，造成因可控硅的熱擊穿而引發(fā)大事故的隱患。

2 影響并列運行可控硅整流橋電流 不均衡的因素

2.1 均流回路分析

勵磁功率柜主回路接線圖(以2個功率柜并列運行為例)如圖1所示。

圖1 勵磁功率柜主回路接線圖

對于功率柜1和功率柜2，假設(shè)R1a、R2a分別為其交流側(cè)進(jìn)線電阻，R1d、R2d為直流側(cè)出線電阻，Rt1、Rt2為可控硅通態(tài)電阻，L1a、L2a為交流側(cè)進(jìn)線電感，L1d、L2d為直流側(cè)出線電感，Vt1、Vt2為可控硅通態(tài)壓降，i1、i2為通過整流橋電流，則有：

(1)

從式(1)[2]中可以看到，影響并聯(lián)運行功率柜均流的因素包括交流側(cè)進(jìn)線影響、直流側(cè)出線影響、可控硅換相過程的影響和可控硅元件本身的影響。

2.2 交流側(cè)進(jìn)線的影響

由式(1)可知，交流側(cè)進(jìn)線的影響主要集中在進(jìn)線電阻和進(jìn)線電感上。當(dāng)可控硅通態(tài)電阻Rt1、Rt2分別大于整流橋交流進(jìn)線側(cè)電阻R1a、R2a和直流出線側(cè)電阻R1d、R2d時，交流進(jìn)線側(cè)電阻和直流出線側(cè)電阻對均流的影響并不明顯，但是在實際中這種情形很少出現(xiàn)，尤其當(dāng)整流橋選擇的可控硅通態(tài)電流比較大時，其通態(tài)電阻更小。

2.3 直流側(cè)出線的影響

由于直接和轉(zhuǎn)子負(fù)載相連，很大的負(fù)載電感減弱了直流側(cè)出線對均流的影響，為此在處理均流問題時應(yīng)優(yōu)先考慮交流側(cè)阻抗匹配問題。

2.4 換相過程的影響

在圖1所示的勵磁功率柜中，當(dāng)整流器工作在非換相區(qū)時，共陰極和共陽極各有1只可控硅導(dǎo)通，如T15和T16導(dǎo)通，其等效電路如圖2所示[3]。

圖2 T15和T16導(dǎo)通等效電路圖

圖3 T15和T11換相等效電路圖

當(dāng)ωt=α?xí)r，T15和T11開始換相，等效電路如圖3所示。則有：

(2)

式中：γ為換相角；Lγ為交流側(cè)進(jìn)線電感；ea和ec分別為A相和C相的陽極電壓；i1為流經(jīng)T11的電流；i5為流經(jīng)T15的電流。

由于在上述回路中，換相電流iγ由T15逐漸轉(zhuǎn)移到T11，所以：

i1=iγ,i5=Id-iγ

(3)

(4)

式中：Id為功率柜1的總電流，經(jīng)整理得：

(5)

對式(5)進(jìn)行積分，可得：

(6)

從式(6)中可以看到，在換相過程中，交流側(cè)換相電感直接影響電流在功率柜之間的分配。尤其當(dāng)電感較大時，換相過程對電流的分配產(chǎn)生決定性的影響。因此，對于交流側(cè)采用電纜連接時，應(yīng)盡量做到進(jìn)線完全對稱。圖4是展示了一種理想化的并聯(lián)可控硅的連接方式[4]。

圖4 進(jìn)出線母排完全一致的連接方式圖

2.5 可控硅元件的影響

2.5.1 導(dǎo)通壓降

可控硅元件的導(dǎo)通壓降由2部分組成，其中之一為PN 結(jié)壓降，即勢壘壓降, 另一部分為歐姆壓降，即可控硅基片與外殼各部分的接觸電阻造成的壓降。對于勢壘壓降，可以用等效電壓源代替；而對于接觸電阻，則直接用電阻表示[5]。

假設(shè)只有2只可控硅并聯(lián)，并聯(lián)電壓為V2，其接線如圖5所示。

圖5 可控硅并聯(lián)接線圖

此時，由于2只可控硅元件的正向伏安特性不同，2條支路流過不同的電流。其中，SCR1的電流為I2，SCR2的電流為I1。其伏安特性曲線[6]如圖6所示。

對SCR1：V1=V0+I1·Rt2

(7)

對SCR2：V2=V0+I2·Rt1

(8)

則：I1·Rt2=I2·Rt1

(9)

即在相同的管壓降下，元件的導(dǎo)通電流與其導(dǎo)通電阻成反比。為了保證其均流效果，應(yīng)盡量選擇通態(tài)特性相同或相近的元件用在同一個并聯(lián)支路。最好是在元器件采購時就向供應(yīng)商提出額定電流下元件導(dǎo)通壓降的偏差范圍。若要求的均流系數(shù)越高，則偏差應(yīng)越小。

圖6 并聯(lián)可控硅伏安特性曲線圖

2.5.2 可控硅導(dǎo)元件節(jié)溫

圖7 可控硅的導(dǎo)通特性曲線圖

由于可控硅元件的導(dǎo)通特性與溫度相關(guān)，在不同的溫度下，導(dǎo)通特性會發(fā)生稍許偏移。具體的關(guān)聯(lián)曲線[7]見圖7。所以，對于均流系數(shù)，我們只應(yīng)針對某一運行點或者某一具體溫度來進(jìn)行要求。

由圖7 可知，在電流較大時(虛線和實線的交點以上)，可控硅的導(dǎo)通特性與可控硅的節(jié)溫正相關(guān)，但在電流較小時(虛線和實線的交點以下)，可控硅具有負(fù)溫特性，節(jié)溫越高，導(dǎo)通壓降越小。對于并聯(lián)功率柜，當(dāng)某一功率柜輸出電流較大時，在相同散熱條件下，電流輸出大的可控硅裝置的發(fā)熱量增加，可控硅平均通態(tài)壓降會增大，所以該功率柜的輸出電流會相對減小，原來輸出小的功率柜輸出會相對增加，最終各裝置輸出電流達(dá)到一個新的平衡狀態(tài)，均流系數(shù)會上升。相反，在導(dǎo)通電流較小時，這種負(fù)溫特性則會惡化并聯(lián)可控硅之間的均流效果。

為了保證均流效果，應(yīng)盡量保證同一個并聯(lián)支路上的可控硅具有相近的節(jié)溫。如盡量將元件安裝在同一散熱器上。

2.5.3 開通延時時間

開通延時時間也會對并聯(lián)支路的可控硅均流產(chǎn)生影響。如圖5所示的并聯(lián)支路，若SCR1的開通時間比SCR2的開通時間提早 ，則引起的瞬態(tài)不均的電流[8]為：

(10)

圖8 開通延時時間不同引起電流的瞬態(tài)不均圖

為保證并聯(lián)運行的可控硅能夠同時導(dǎo)通，在檢測可控硅的實驗過程中, 應(yīng)進(jìn)行開通延時時間配對。此外，可控硅觸發(fā)脈沖回路也是影響電流分配的重要因素，在硬件回路設(shè)計時應(yīng)注意以下幾個問題：

(1) 必須滿足可控硅觸發(fā)時刻同步；

(2) 保證觸發(fā)脈沖前沿陡峭，采用大電流觸發(fā)。實踐表明對于同一型號的可控硅，大電流觸發(fā)能夠得到較高的電流上升率，有效減少開通延時時間的影響。具體的方法是逐漸增大可控硅的門極觸發(fā)電流，直到觸發(fā)回路對開通延時時間的影響達(dá)到最小；

(3) 可控硅觸發(fā)脈沖回路的可靠性對勵磁功率柜均流至關(guān)重要，而從調(diào)節(jié)器發(fā)出的脈沖最易受到電磁干擾，所以脈沖回路應(yīng)使用屏蔽電纜，防止可控硅動誤觸發(fā)[9]。

3 官地電站勵磁功率柜均流處理

3.1 電站概況

官地水電站位于四川省涼山州西昌市和鹽源縣交界處，是繼錦屏二級水電站之后，錦屏一級水電站的又一補(bǔ)償電站。電站安裝4臺單機(jī)容量600 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量2 400 MW，年平均發(fā)電量117.76億kWh。根據(jù)地理位置和國家電網(wǎng)的輸電規(guī)劃，官地水電站和錦屏一、二級水電站作為一組電源，供電川渝及華東。

官地水電站勵磁系統(tǒng)功率柜選用德國西門子公司原裝進(jìn)口產(chǎn)品，單柜容量為2 360 A，其核心元件為EUPEC公司T 1971N型晶閘管。整流橋并聯(lián)支路數(shù)為4，均流方式為物理均流，直流側(cè)采用銅排連接，交流側(cè)除了交流開關(guān)柜送至各功率柜的等長電纜外，還在各功率柜之間增設(shè)了并聯(lián)電纜，其交直流側(cè)連接布置方式見圖9。

圖9 官地水電站勵磁系統(tǒng)功率柜連接方式圖

3.2 故障情況及處理建議

官地電站1號機(jī)組于2012年3月31日投產(chǎn)發(fā)電。投運初期，機(jī)組帶負(fù)荷較小，勵磁系統(tǒng)運行正常。隨著負(fù)荷的增加，在運行過程中發(fā)現(xiàn)部分功率柜電纜發(fā)熱嚴(yán)重。后用紅外線譜圖儀測量，發(fā)現(xiàn)1號功率柜交流側(cè)C相一根電纜外表皮溫度達(dá)到89.6 ℃，用鉗形電流表測量該電纜電流為640 A，電流過大導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重。測量其它電纜電流后發(fā)現(xiàn)功率柜交流側(cè)電流不均衡。

為消除安全運行隱患，于2012年7月9日進(jìn)行了勵磁陽極側(cè)電纜更換，將現(xiàn)有YJV-3 kV-1×185電纜更換為YJV-3 kV-1×240電纜，并在電纜更換過程中嚴(yán)格把控施工質(zhì)量，確保交流開關(guān)柜到功率柜的交流側(cè)電纜長度匹配，功率柜間的匯流電纜長度匹配，電纜銅接頭與功率柜交流側(cè)銅排接觸良好，無扭曲、變形現(xiàn)象并測量電纜的阻值。交流開關(guān)柜至各功率柜的具體的測量值見表1。

表1 電纜阻值測量表

重新開機(jī)并運行24 h候后，在勵磁電流為2 650 A時，測得功率柜交流側(cè)進(jìn)線電纜最高溫度39.4 ℃，最大電流310 A。

比較處理前，在勵磁電流為2 140 A時，功率柜交流側(cè)進(jìn)線電纜最高溫度89.6 ℃，最大電流為625 A，均流情況有較大的改善。檢測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 功率柜交流側(cè)進(jìn)線電流數(shù)據(jù)表

官地水電站功率柜T 1971N型晶閘管通態(tài)電阻Rt=300 μΩ，略小于交流側(cè)進(jìn)線電阻Ra，交流側(cè)電纜進(jìn)線電阻對于均流的影響比較明顯。電纜阻值不等、銅接頭與功率柜交流側(cè)銅排接觸不均可能是造成功率柜均流較差的原因之一。

結(jié)合官地水電站和其他電站的運行經(jīng)驗，有如下建議：① 盡最大努力保障功率柜交流側(cè)進(jìn)線電纜等長，如有必要，可以適當(dāng)延長電纜長度。② 取消功率柜之間增設(shè)的并聯(lián)電纜。增設(shè)并聯(lián)電纜主要是為了保證在一橋故障時電纜能夠承受強(qiáng)勵電流。根據(jù)電纜更換后功率柜交流側(cè)電流測量情況計算，YJV-3 kV-1×240完全能夠滿足強(qiáng)勵要求。增設(shè)柜間并聯(lián)電纜反而增加了功率柜交流側(cè)進(jìn)線電阻和電感匹配難度，對均流產(chǎn)生負(fù)面影響。③ 在交流進(jìn)線側(cè)電纜上加套磁環(huán)，調(diào)節(jié)各并聯(lián)回路補(bǔ)償電感量的大小。

4 功率柜的均流試驗

4.1 均流系數(shù)

均流系數(shù)是均流試驗的衡量標(biāo)準(zhǔn)，是指并聯(lián)運行各支路電流的平均值與最大值之比[1]。具體的計算公式為：

(11)

式中：KI為均流系數(shù)；Ii為第i條并聯(lián)支路電流；Imax為并聯(lián)支路中的電流最大值，共有m條并聯(lián)支路。規(guī)范[10]規(guī)定：在發(fā)電機(jī)額定勵磁電流情況下，均流系數(shù)不應(yīng)低于0.85。

通過式(11)能夠反映功率柜各并聯(lián)支路中最大值與平均值的偏差，但是如果出現(xiàn)最大值很大、最小值又很小的極端情況，如表2中提到的B相電流，大值可以達(dá)到648 A，小值只有463 A，式(11)不能夠真實地反映出最大值和最小值之間的偏差。而通過式(12)則可以很好的反映這一點。

(12)

5 結(jié) 語

物理均流措施包括按照晶閘管參數(shù)如導(dǎo)通壓降、通態(tài)電阻、開通延時時間等進(jìn)行匹配，按功率柜交、直流側(cè)進(jìn)出線進(jìn)行匹配，采用強(qiáng)觸發(fā)，在交流進(jìn)線側(cè)銅排或電纜上加套磁環(huán)等措施。動態(tài)均流則是通過數(shù)字方式對調(diào)節(jié)器輸出的晶閘管觸發(fā)脈沖進(jìn)行處理，調(diào)整其導(dǎo)通時刻，從而達(dá)到均流的效果[11]。需要強(qiáng)調(diào)的是，即便采用了動態(tài)均流技術(shù)，也應(yīng)該優(yōu)先使用常規(guī)均流措施以滿足各功率柜硬件回路的對稱性，避免最先導(dǎo)通的晶閘管承受很大的沖擊電流。

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Analysis on Current Sharing of Excitation Power Cabinet of Generator

LI Hui, FAN Jin-xi, LIU Kai

(Yalong River Hydropower Development Co., Ltd., Chengdu 610051, China)

Factors affecting the current sharing of the excitation power cabinet are described including the on-state characteristics, switching characteristics, temperature and busbar connection mode of components. Furthermore, the corresponding measures are provided for the actual issues of Guandi Hydropower Station. Additionally, a new assessment method for the current sharing of the controllable silicon is proposed.Key words:excitation power cabinet; controllable silicon; current sharing; current-sharing coefficient; Guandi Hydropower Station

2015-04-09

李輝(1984- ), 男，山西省榆社縣人，工程師，主要從事水電站二次設(shè)備檢修、維護(hù)工作 .

TM645.2

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.020