魯秉宸（三板溪水電廠，貴州 錦屏 556700）

淺談三板溪電廠UNITROL5000勵(lì)磁系統(tǒng)

魯秉宸
（三板溪水電廠，貴州 錦屏 556700）

摘要：三板溪電廠勵(lì)磁系統(tǒng)采用了ABB公司生產(chǎn)的UNIRTOL5000型靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)，文章介紹了三板溪電廠勵(lì)磁系統(tǒng)的組成、技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用情況。對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出了解決方案。

關(guān)鍵詞：三板溪；UNITROL5000勵(lì)磁系統(tǒng)；應(yīng)用；故障分析

0　引言

三板溪電廠位于沅水上游清水江，貴州省黔東南苗族侗族自治區(qū)錦屏縣境內(nèi)，距錦屏縣縣城25km，距湖南省懷化市直線距離約140km，是沅水干流上唯一具有多年調(diào)節(jié)能力的龍頭電站。電廠總裝機(jī)容量1000MW，安裝4臺(tái)250MW混流式機(jī)組，年均發(fā)電量為24.28億kW·h，采用一回500kV線路輸出，接入華中網(wǎng)調(diào)，送電至湖南。

1　三板溪電廠勵(lì)磁系統(tǒng)概況

三板溪電廠勵(lì)磁系統(tǒng)選用瑞士ABB公司生產(chǎn)的UNITROL5000型靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)，該設(shè)備由廣州擎天實(shí)業(yè)有限公司提供，是ABB公司UNITROL系列的第五代產(chǎn)品，不僅包含了前兩代勵(lì)磁調(diào)節(jié)器UNITROLF和UNITROLP的核心技術(shù)，同時(shí)還吸收了目前數(shù)字控制領(lǐng)域內(nèi)最先進(jìn)的研究成果和工藝，如DSP數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。UNITROL5000勵(lì)磁系統(tǒng)除了具備基本調(diào)節(jié)限制功能，還具有轉(zhuǎn)子溫度測(cè)量、定子電流限制器、獨(dú)特的疊加調(diào)節(jié)裝置、完善的ARCnet網(wǎng)絡(luò)通訊功能和多種調(diào)試手段的應(yīng)用及監(jiān)視保護(hù)功能，不但提高了勵(lì)磁系統(tǒng)的數(shù)字化程度，還提高了勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性及工藝水平，確保了勵(lì)磁系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行。

三板溪電廠發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)主要參數(shù)：額定功率250MW，額定電壓15.75kV，額定電流10183A，額定功率因數(shù)0.9，額定勵(lì)磁電壓353V，額定勵(lì)磁電流1 540A，空載勵(lì)磁電壓145V，空載勵(lì)磁電流927A，勵(lì)磁變?nèi)萘浚?×630kVA，勵(lì)磁變變比：15.75kV/705V。

2　勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)用

三板溪電廠勵(lì)磁系統(tǒng)采用自并勵(lì)方式，勵(lì)磁電源取自發(fā)電機(jī)機(jī)端，勵(lì)磁變采用單項(xiàng)干式變壓器。每套勵(lì)磁系統(tǒng)都包含5個(gè)控制柜，依次為勵(lì)磁調(diào)節(jié)柜、滅磁開關(guān)柜、功率Ⅰ柜、功率Ⅱ柜、開關(guān)切換柜?？煞譃?個(gè)主要的功能單元：勵(lì)磁變壓器、兩套相互獨(dú)立的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、起勵(lì)單元和滅磁單元、可控硅整流器單元。

2.1勵(lì)磁調(diào)節(jié)器

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器主要負(fù)責(zé)勵(lì)磁系統(tǒng)的控制部分，也叫自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（AVR），控制方式分2種。①自動(dòng)方式，它根據(jù)機(jī)端電壓來(lái)調(diào)節(jié)可控硅的觸發(fā)角，維持發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓在給定值附近。當(dāng)發(fā)電機(jī)受到系統(tǒng)影響發(fā)生改變時(shí)，它能自動(dòng)調(diào)節(jié)電壓，維持穩(wěn)定，同時(shí)在自動(dòng)方式下還有多種限制功能，能把勵(lì)磁電流限制在安全范圍之內(nèi)。②手動(dòng)方式，控制功能是維持勵(lì)磁電流保持不變，但該方式在系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)不能自動(dòng)調(diào)整電壓以維持穩(wěn)定，而且一般沒(méi)有限制功能。機(jī)組在正常運(yùn)行時(shí)需將勵(lì)磁系統(tǒng)控制方式切至自動(dòng)方式。

三板溪電廠采用的勵(lì)磁裝置具體型號(hào)為A5S-A/U221-D2000，調(diào)節(jié)器采用雙通道配置，每個(gè)通道都是一個(gè)由主控板（COB）和測(cè)量單元板（MUB）構(gòu)成獨(dú)立的處理系統(tǒng)，如圖1所示。

因兩個(gè)通道配置完全相同，都具備自動(dòng)和手動(dòng)

圖1A5S型-整流器n-1型配置，調(diào)節(jié)器為雙通道

兩種調(diào)節(jié)方式，故可選任一通道為運(yùn)行通道，而備用通道總是自動(dòng)跟蹤運(yùn)行通道。正常運(yùn)行情況下，兩個(gè)通道可以任意切換，在故障情況下通道切換邏輯如圖2所示。

圖2通道切換邏輯

2.2可控硅整流器

每套勵(lì)磁系統(tǒng)配置2個(gè)功率柜（+EG.1、+EG. 2），每個(gè)功率柜對(duì)應(yīng)1組整流器，每個(gè)整流器包括：三相可控硅整流橋、整流器接口板（CIN）、門極驅(qū)動(dòng)板（GDI）和整流器顯示單元（CDP）。

每組可控硅整流器都由一個(gè)全控整流橋組成，包含6個(gè)雙側(cè)冷卻可控硅。每個(gè)可控硅上串聯(lián)一個(gè)快速熔斷器，它的主要目的是將分支與有故障的可控硅隔離開，從而保護(hù)其他可控硅及其快熔免受破壞。快熔一旦熔化，通過(guò)一個(gè)彈簧起動(dòng)側(cè)面一個(gè)微動(dòng)開關(guān)（熔斷器的一個(gè)組成部分）用于指示報(bào)警。

為了減少整流過(guò)程中尖峰電壓，可控硅整流器采用了一個(gè)RC吸收回路，該回路直接連接到整流橋的交流電源側(cè)，它還可以吸收出現(xiàn)在可控硅整流橋副邊的過(guò)電壓。

整流器接口板（CIN）和門極驅(qū)動(dòng)板（GDI）負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)觸發(fā)脈沖信號(hào)的形成、放大及可控硅的驅(qū)動(dòng)，門極驅(qū)動(dòng)板（GDI）也用于主回路和控制回路之間的電氣隔離。

整流器顯示單元（CDP）安裝在功率柜柜門上，用于指示整流器的工作狀況及顯示整流器輸出電流，除此之外還能顯示每個(gè)晶閘管橋臂的導(dǎo)通狀態(tài)，如果有橋臂發(fā)生故障也可以在整流器顯示單元（CDP）指定的LED上顯示出來(lái)。

2.3起勵(lì)單元

三板溪電廠在投產(chǎn)時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)采用了殘壓起勵(lì)方式，整個(gè)起勵(lì)過(guò)程和順序控制是通過(guò)AVR軟件實(shí)現(xiàn)的，即起勵(lì)時(shí)首先投入殘壓起勵(lì)，高脈沖不間斷的觸發(fā)可控硅整流橋，當(dāng)可控硅整流橋輸入端電壓達(dá)到10～20V時(shí)即可正常工作。但如果殘壓起勵(lì)投入5s后發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓仍未達(dá)到額定電壓的10%，勵(lì)磁系統(tǒng)默認(rèn)殘壓起勵(lì)失敗，備用起勵(lì)回路啟動(dòng)。

因三板溪電廠屬于調(diào)峰調(diào)頻電廠，機(jī)組停機(jī)備用時(shí)間較多，且在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)組停機(jī)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或機(jī)組檢修后，殘壓起勵(lì)失敗頻率明顯增多，導(dǎo)致機(jī)組開機(jī)時(shí)間增加的次數(shù)也明顯增多，經(jīng)研究討論最終決定取消殘壓起勵(lì)方式，采用220V直流起勵(lì)的方式。220V直流電源取自機(jī)旁直流饋電分屏，起勵(lì)時(shí)程序直接驅(qū)動(dòng)起勵(lì)接觸器動(dòng)作，導(dǎo)通直流起勵(lì)回路，在發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓達(dá)到額定電壓的10%時(shí)，起勵(lì)接觸器動(dòng)作復(fù)歸，直流起勵(lì)回路退出，立即開始軟起勵(lì)過(guò)程并建壓到額定機(jī)端電壓。

2.4滅磁單元

滅磁設(shè)備的作用是將磁場(chǎng)回路斷開并盡可能快的將磁場(chǎng)能量釋放。滅磁回路主要由磁場(chǎng)斷路器Q2、滅磁電阻R02、跨界器F02及其相關(guān)的脈沖閉鎖元件組成。

三板溪電廠勵(lì)磁系統(tǒng)正常采用逆變滅磁、事故情況采用滅磁開關(guān)和滅磁電阻快速移能滅磁，滅磁開關(guān)選用ABBE2N/E-MS2000型四斷口滅磁開關(guān)，通過(guò)跨接器（CROWBAR）回路與滅磁電阻連接，當(dāng)事故停機(jī)時(shí)啟動(dòng)跨接器將轉(zhuǎn)子回路磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)移到滅磁電阻實(shí)現(xiàn)可靠滅磁。滅磁電阻選用SiC非線性滅磁電阻，既用于事故滅磁，也用于轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)，考慮極端工況下移能需要，SiC電阻的容量配置為3MJ。

3　勵(lì)磁系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行出現(xiàn)的問(wèn)題及分析處理

3.1滅磁開關(guān)輔助觸點(diǎn)聯(lián)跳GCB改造

三板溪電廠機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)原設(shè)計(jì)方案中采用兩組跳閘線圈的輸出繼電器K01、K02聯(lián)跳GCB的運(yùn)行方式。后考慮到繼電器的損壞可能性較大，根據(jù)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院的要求，三板溪水電廠采用了利用滅磁開關(guān)的輔助接點(diǎn)聯(lián)跳GCB的運(yùn)行方式，即當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)IE限制器、P/Q限制器等失效時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)先跳滅磁開關(guān)，然后再聯(lián)跳GCB。這種運(yùn)行方式的優(yōu)點(diǎn)是較直接利用跳閘線圈的輸出繼電器聯(lián)跳GCB的方式可靠性更高，弊端就是GCB的跳閘時(shí)間較滅磁開關(guān)的跳閘時(shí)間滯后，在這個(gè)時(shí)間差內(nèi)，機(jī)組為欠勵(lì)并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，存在較大的安全隱患，是國(guó)家和行業(yè)技術(shù)規(guī)范所不允許的。

鑒于以上原因，對(duì)三板溪水電廠1號(hào)～4號(hào)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)聯(lián)跳GCB的運(yùn)行方式進(jìn)行改造，在保留滅磁開關(guān)輔助接點(diǎn)聯(lián)跳GCB功能的前提下，增加跳閘線圈聯(lián)跳GCB的功能，以確保滅磁開關(guān)在第一時(shí)間聯(lián)跳GCB，提高機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性。具體接線如圖3所示。

圖3聯(lián)跳回路

X22:6/X22:56與X22:8/X22:58分別連接的是滅磁開關(guān)輔助觸點(diǎn)的兩對(duì)常閉接點(diǎn)，X21:2/X21:52與X21:5/X21:55分別連接的是勵(lì)磁系統(tǒng)內(nèi)部跳閘繼電器K01、K02的一對(duì)常開接點(diǎn)。

三板溪電廠采用發(fā)電出口開關(guān)GCB分、合閘實(shí)現(xiàn)機(jī)組同期并網(wǎng)，滅磁開關(guān)在停機(jī)備用時(shí)，也一直處于合閘狀態(tài)。當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)正常內(nèi)部無(wú)跳閘命令或滅磁開關(guān)正常合閘時(shí)，GCB跳閘回路不會(huì)導(dǎo)通；只有當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)內(nèi)部有跳閘命令輸出促使K01、K02繼電器動(dòng)作或滅磁開關(guān)本體跳閘時(shí)才會(huì)聯(lián)跳GCB。

3.2通道“風(fēng)機(jī)電源1消失”報(bào)警程序完善

自投產(chǎn)以來(lái)3號(hào)、4號(hào)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)走電制動(dòng)停機(jī)過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)當(dāng)電制動(dòng)即將結(jié)束時(shí)“電制動(dòng)投入令”復(fù)歸到達(dá)瞬間，勵(lì)磁系統(tǒng)報(bào)故障，1s后故障復(fù)歸。對(duì)兩通道報(bào)警記錄進(jìn)行查看發(fā)現(xiàn)，備用通道報(bào)：ALARM117“Fansupply1fail”（風(fēng)機(jī)電源1消失）。

（1）通道報(bào)“Fansupply1fail”（風(fēng)機(jī)電源1消失）邏輯分析

圖4為通道報(bào)“Fansupply1fail”（風(fēng)機(jī)電源1消失）故障邏輯圖：走電制動(dòng)停機(jī)流程時(shí)，電源取自400V廠用外來(lái)電源且勵(lì)磁系統(tǒng)在投入狀態(tài)，自用電故障10813輸入恒為“1”，勵(lì)磁系統(tǒng)投入10307輸入為“1”，經(jīng)過(guò)“與門”功能模塊SP113，12669輸出為“1”，風(fēng)機(jī)電源1模式412程序默認(rèn)參數(shù)值為“=1”，輸入值恒為“1”：1）如果此時(shí)電制動(dòng)投入令12722動(dòng)作，輸入為“1”，經(jīng)過(guò)“取反”功能模塊SP014，12605輸出為“0”，“與門”功能模塊SP114輸出值12607為“0”，通道不會(huì)報(bào)“風(fēng)機(jī)電源1消失”故障；2）如果此時(shí)電制動(dòng)投入令復(fù)歸，即12722輸入為“0”，經(jīng)過(guò)“取反”功能模塊SP014，12605輸出為“1”，“與門”功能模塊SP114輸出值12607為“1”，通道報(bào)“風(fēng)機(jī)電源1消失”故障。

圖4“風(fēng)機(jī)電源1消失”報(bào)警邏輯

如表1所示，節(jié)選了2012年9月20日3號(hào)機(jī)組正常停機(jī)流程部分重要節(jié)點(diǎn)，可以看出當(dāng)電制動(dòng)即將結(jié)束時(shí)，“勵(lì)磁系統(tǒng)退出”信號(hào)先于“電制動(dòng)投入令”復(fù)歸信號(hào)動(dòng)作，也就是勵(lì)磁系統(tǒng)投入10307輸出為“0”先于電制動(dòng)投入令12722輸入為“0”，正常情況下10307先于12722變?yōu)椤?”，圖1中風(fēng)機(jī)報(bào)警邏輯不滿足，無(wú)論是主用還是備用通道都不會(huì)報(bào)“風(fēng)機(jī)電源1消失”故障。

表1正常停機(jī)流程

（2）備用通道報(bào)“Fansupply1fail”（風(fēng)機(jī)電源1消失）的原因

對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)硬件及軟件回路仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)：1）“勵(lì)磁系統(tǒng)退出”信號(hào)由主用通道發(fā)出，通過(guò)快速輸入輸出板FIO1上開關(guān)量輸出接點(diǎn)直接傳輸給上位機(jī)，而備用通道接收“勵(lì)磁系統(tǒng)退出”即10307輸入為“0”信號(hào)，是通過(guò)主用通道與備用通道連接的16芯扁平電纜由勵(lì)磁軟件程序進(jìn)行傳輸?shù)模?）當(dāng)上位機(jī)接收到“勵(lì)磁系統(tǒng)退出”信號(hào)后立刻發(fā)“電制動(dòng)投入令”復(fù)歸即12722輸入為“0”信號(hào)，并通過(guò)快速輸入輸出板FIO2上開關(guān)量輸入接點(diǎn)直接傳輸給主用通道和備用通道；3）當(dāng)3號(hào)、4號(hào)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，就會(huì)出現(xiàn)主、備用通道間“勵(lì)磁系統(tǒng)退出”即10307輸入為“0”信號(hào)傳輸存在偶爾的毫秒級(jí)滯后情況，使得備用通道接收12722輸入為“0”信號(hào)正好先于備用通道接收10307輸入為“0”信號(hào)，所以才會(huì)發(fā)生當(dāng)電制動(dòng)即將結(jié)束時(shí)“電制動(dòng)投入令”復(fù)歸到達(dá)瞬間，勵(lì)磁系統(tǒng)報(bào)故障，1s后“勵(lì)磁系統(tǒng)退出”信號(hào)到達(dá)，故障復(fù)歸。

（3）處理方法

如圖5所示，依照上述原因?qū)?lì)磁系統(tǒng)主、備用通道中報(bào)警邏輯程序進(jìn)行了完善修改，在12722信號(hào)后面增加了一個(gè)10s的“下降延時(shí)”功能模塊SP339，即當(dāng)12722信號(hào)由“1”變?yōu)椤?”信號(hào)到達(dá)時(shí)，通過(guò)功能模塊SP339，輸出信號(hào)12851延遲10s由“1”變?yōu)椤?”，這樣就躲過(guò)了因主、備用通道間10307信號(hào)傳輸偶爾存在毫秒級(jí)滯后情況，導(dǎo)致備用通道接收12722輸入為“0”信號(hào)先于備用通道接收10307輸入為“0”信號(hào)，有效的避免了備用通道滿足報(bào)“風(fēng)機(jī)電源1消失”邏輯程序的情況。

圖5完善后報(bào)警邏輯

3.3調(diào)節(jié)器主控板（COB板）故障

（1）故障現(xiàn)象

三板溪電廠4臺(tái)機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)配置2個(gè)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，共8個(gè)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，2011年以來(lái)已有4個(gè)調(diào)節(jié)器內(nèi)COB板出現(xiàn)故障，其中2個(gè)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器內(nèi)COB板在斷電后重新上電時(shí)報(bào)“E02（RAM儲(chǔ)存器故障）”告警信號(hào)，即COB板上RAM儲(chǔ)存電路存在故障，根據(jù)《UN5000維護(hù)和故障排除指南》中提出的處理措施，多次重啟UNITROL5000系統(tǒng)后報(bào)警未消失，對(duì)報(bào)警COB板進(jìn)行更換后調(diào)節(jié)器恢復(fù)正常。

另外2個(gè)COB板同樣在斷電檢修后重新上電時(shí)報(bào)“E02（RAM儲(chǔ)存器故障）”告警信號(hào)，經(jīng)過(guò)多次重啟UNITROL5000系統(tǒng)后“E02”報(bào)警消失，但隨后報(bào)出ALARM108“RAM-backupfailed”（RAM備份失?。┕收细婢?，即COB板經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期儲(chǔ)存或斷電超過(guò)一定時(shí)間后，儲(chǔ)存器RAM的供電電容儲(chǔ)能耗盡，必須給該板通電至少0.5h，使RAM供電電容得到足夠高的電壓，然后關(guān)閉整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)重新啟動(dòng)。但2個(gè)COB板實(shí)際充電均超過(guò)2h，重啟系統(tǒng)報(bào)警重復(fù)出現(xiàn)，對(duì)COB板進(jìn)行更換后調(diào)節(jié)器也恢復(fù)正常。

（2）故障原因

三板溪電廠屬于地下室廠房，設(shè)備環(huán)境潮濕、惡劣，電子元器件老化速度較快；勵(lì)磁調(diào)節(jié)器停、送電次數(shù)頻繁，觸碰COB板時(shí)靜電影響等，都可能導(dǎo)致COB板報(bào)“E02”故障。

（3）解決方法

將廠房通風(fēng)除濕系統(tǒng)長(zhǎng)期開啟，以改善設(shè)備運(yùn)行環(huán)境；盡量不要過(guò)于頻繁的停、送調(diào)節(jié)器電源以免影響COB板上電子元器件的工作壽命；COB板檢查或勵(lì)磁系統(tǒng)檢修時(shí)必須帶防靜電護(hù)腕，防止靜電損壞電子元器件。

4　結(jié)語(yǔ)

UNITROL5000靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)功能強(qiáng)大、技術(shù)先進(jìn)，自三板溪電廠投產(chǎn)以來(lái)運(yùn)行工況良好，對(duì)電廠機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到了重要作用。但隨著運(yùn)行年份增加，需加大對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)檢修維護(hù)力度，以確保勵(lì)磁系統(tǒng)的控制與調(diào)節(jié)性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]ABBUNITROL5000型數(shù)字勵(lì)磁調(diào)節(jié)器功能說(shuō)明[Z].

[2]UNITROL5000User'Manual[Z].

中圖分類號(hào)：TV734.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5387（2015）01-0030-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.01.010

收稿日期：2014-04-24

作者簡(jiǎn)介：魯秉宸（1984-），男，助理工程師，從事水電廠勵(lì)磁設(shè)備檢修維護(hù)與技術(shù)管理工作。