黃智強(qiáng)

(南安市水利局，福建 南安 362300)

1 勵(lì)磁系統(tǒng)存在的問題

1.1 原勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

南安市筍塔二級(jí)水電站裝機(jī)2×320 kW，勵(lì)磁系統(tǒng)屬于傳統(tǒng)的自復(fù)勵(lì)勵(lì)磁機(jī)，主要由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、功率整流器、滅磁及轉(zhuǎn)子過壓保護(hù)回路、起勵(lì)單元、測量用電壓互感器、電流互感器以及勵(lì)磁變壓器組成(見圖1)。目前，機(jī)組運(yùn)行中，采用2套WRD2000型調(diào)節(jié)器互為備用，但2臺(tái)機(jī)組自1978年1月建成投產(chǎn)運(yùn)行以來，經(jīng)過40多年的運(yùn)行，在2009—2018年間，因勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制原因，機(jī)組前后共跳閘30余次，給電網(wǎng)、電站的安全、穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成巨大影響。

圖1 原勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1.2 存在的問題及改造必要性

1) 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器可調(diào)范圍窄

筍塔水電站2×320 kW1#、2#機(jī)組2套WRD2000型付勵(lì)磁機(jī)頻率、容量分別為350 Hz/152 kVA，額定和空載輸出電壓分別為274 V/300 V，主勵(lì)磁機(jī)空載勵(lì)磁電壓/額定勵(lì)磁電壓分別為3.9 V/10 V，據(jù)運(yùn)行參數(shù)可知，當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)可控硅控制角每減少1°，電站發(fā)電機(jī)輸入的勵(lì)磁電流就會(huì)由“0”上升至額定值，由此說明，機(jī)組原WRD2000勵(lì)磁調(diào)節(jié)器在勵(lì)磁系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，可調(diào)節(jié)的范圍非常有限，若調(diào)節(jié)器一旦失控“超調(diào)”，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行失穩(wěn)。

2) 勵(lì)磁機(jī)容量整定與發(fā)電機(jī)額定容量不符

站內(nèi)勵(lì)磁系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)整流器由“+”、“-”雙整流輪組成，主勵(lì)磁機(jī)電樞則由8組繞組組成，與旋轉(zhuǎn)整流器內(nèi)2個(gè)整流輪組成的8個(gè)全波整流橋相對應(yīng)，因每個(gè)全波整流橋的橋臂由2個(gè)二級(jí)管并聯(lián)，所以該勵(lì)磁系統(tǒng)最大勵(lì)磁限制倍數(shù)及強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)若按勵(lì)磁機(jī)容量整定，與2臺(tái)SFW200-10發(fā)電機(jī)的額定容量極為不符。

3) 勵(lì)磁系統(tǒng)易出現(xiàn)過勵(lì)現(xiàn)象

受勵(lì)磁故障沖擊影響，站內(nèi)發(fā)電機(jī)在異常運(yùn)行時(shí)，隨著勵(lì)磁容量激增，可能會(huì)多次引發(fā)主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子中樞鐵芯軸向止推壓板螺栓被剪斷的風(fēng)險(xiǎn)，且會(huì)損壞發(fā)電機(jī)，導(dǎo)致產(chǎn)生“過勵(lì)磁”故障。

4) 典型故障事例頻繁出現(xiàn)

故障事例1：2016年3月15日，電站1#勵(lì)磁機(jī)組在發(fā)電機(jī)投勵(lì)磁過程中，旋轉(zhuǎn)整流器內(nèi)側(cè)輪被燒毀。事后檢查發(fā)現(xiàn)，3號(hào)整流模件、整流輪內(nèi)側(cè)1/3范圍內(nèi)的鉛絲連接片元件被嚴(yán)重?zé)龤?，整流輪?nèi)壁出現(xiàn)一道深5.1 mm、寬37.9 mm、長218 mm的深坑。

故障事例2：2018年10月19日，在電站機(jī)組停機(jī)備用期間，通過解體檢查付勵(lì)磁機(jī)內(nèi)部構(gòu)件，發(fā)現(xiàn)定子頂部繞組因絕緣性降低，導(dǎo)致2個(gè)槽繞組外緣燒焦變碎、變黑。

經(jīng)分析診斷，故障事例1的成因如下：

① 3號(hào)二級(jí)管質(zhì)量不佳。在電流換向時(shí)，因3號(hào)二級(jí)管無法承受巨大的反向電壓作用，被擊穿放電，形成電弧。隨著轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，放電形成的電弧會(huì)迅速進(jìn)入3號(hào)二級(jí)管輪內(nèi)側(cè)，由此引發(fā)大面積的“相間短路”。

② 原WRD2000型勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置調(diào)控性能不佳，旋轉(zhuǎn)整流器一旦產(chǎn)生異常，該勵(lì)磁調(diào)節(jié)器在自復(fù)勵(lì)勵(lì)磁調(diào)控中產(chǎn)生的勵(lì)磁電流就會(huì)超過額定閾值，導(dǎo)致欠勵(lì)磁或過勵(lì)磁失控，并逐步增大失控故障范圍。

③ 在個(gè)別二極管損壞工況下，旋轉(zhuǎn)整流器整體鉛絲功能和電氣絕緣強(qiáng)度嚴(yán)重不足，無法快速反應(yīng)保證鉛絲迅速熔斷，將故障二級(jí)管切除后，勵(lì)磁系統(tǒng)其它整流設(shè)備一切恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。

④ 二極管長時(shí)間高強(qiáng)度工作，缺乏阻容保護(hù)，在反向過電壓/過電流影響作用下，其壽命會(huì)大大縮短。

故障事例2的成因有：

① 因定子繞組絕緣在運(yùn)行中溫度過高，或在下線過程中絕緣性能受損，絕緣設(shè)備老化，以至定子繞組被擊穿。

② 原勵(lì)磁機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)絕緣等級(jí)、勵(lì)磁機(jī)容量等均達(dá)不到《水利部關(guān)于農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)指導(dǎo)意見》[水電(2011)437號(hào)]相關(guān)技術(shù)要求，在勵(lì)磁調(diào)節(jié)中致使絕緣過熱老化。

③ 站內(nèi)勵(lì)磁系統(tǒng)7個(gè)回路并聯(lián)的電子繞組并聯(lián)回路間的阻抗分配失衡，導(dǎo)致個(gè)別定子繞組回路電流過大，過熱。

2 勵(lì)磁系統(tǒng)改造方案

2.1 勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)改造設(shè)計(jì)

1) 改造機(jī)組勵(lì)磁設(shè)備：將站內(nèi)現(xiàn)有WRD2000型傳統(tǒng)的自復(fù)勵(lì)勵(lì)磁機(jī)/勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置、設(shè)備等廢棄，重新制造并引進(jìn)新的SFW320-8/740型發(fā)電機(jī)及SAVR2000無刷勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)備。

2) 完善勵(lì)磁調(diào)控性能：將在現(xiàn)有運(yùn)行基礎(chǔ)上，將采用新的勵(lì)磁電源，將新的勵(lì)磁變壓器加裝于原SFW200-10型發(fā)電機(jī)出口處，并將自復(fù)勵(lì)勵(lì)磁方式改為“靜態(tài)無刷勵(lì)磁”方式[1]。

3) 增設(shè)勵(lì)磁阻容保護(hù)：借助新的“yn0型油浸式、自冷式升壓變壓器”代替?zhèn)鹘y(tǒng)的S7-800/10型銅芯油浸變壓器，為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)提供三相交流勵(lì)磁電源。

4) 更換機(jī)組動(dòng)力來源：原付勵(lì)磁機(jī)電源由廠用電取代[2]。

如圖2所示，技術(shù)改造后配備的無刷勵(lì)磁機(jī)自身采用靜態(tài)勵(lì)磁，勵(lì)磁電流取自發(fā)電機(jī)機(jī)端，通過勵(lì)磁變壓器降壓后經(jīng)可控硅整流供給，但由于原勵(lì)磁機(jī)自身的勵(lì)磁容量較小，因此改造后需采用新的技術(shù)手段(勵(lì)磁回路串聯(lián)電阻+時(shí)間常數(shù)補(bǔ)償+提高頂值電壓倍數(shù))，補(bǔ)償無刷勵(lì)磁機(jī)的時(shí)間常數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)無刷勵(lì)磁系統(tǒng)電壓的快速響應(yīng)，即可得到“高起始響應(yīng)”無刷勵(lì)磁系統(tǒng)。

圖2 “高起始響應(yīng)”型無刷勵(lì)磁機(jī)電氣原理示意

2.2 設(shè)備選型

1) 確定運(yùn)行參數(shù)，加裝中頻變壓器

為了盡可能降低付勵(lì)磁機(jī)帶來的固有放大倍數(shù)，提高勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，在改造中，將中頻變壓器分別加裝于筍塔二級(jí)電站的勵(lì)磁開關(guān)和付勵(lì)磁開關(guān)之間，以擴(kuò)大勵(lì)磁系統(tǒng)可控硅控制范圍，降低勵(lì)磁電壓倍數(shù)；同時(shí)，有效隔離電氣回路中的勵(lì)磁系統(tǒng)可控硅整流部分和付勵(lì)磁機(jī)，減少勵(lì)磁系統(tǒng)對付勵(lì)磁機(jī)的不良沖擊影響[3]。

經(jīng)計(jì)算分析，在空載和負(fù)載兩種額定工況下，永磁機(jī)的輸出電壓值U分別為290/3=96.7 V和274.6/3=91.5 V，而觸發(fā)角在兩種不同運(yùn)行工況下的數(shù)值α分別為cos(3.9/1.35·96.7)=88.3°以及cos(10/1.35·91.5)=85.36°，由此可知，在忽略變壓器運(yùn)行損耗前提下，將付勵(lì)磁機(jī)輸出的電壓經(jīng)“yn0型油浸式、自冷式升壓變壓器”變比降低為1/3較為合適，即當(dāng)電站發(fā)電機(jī)2×320 kW機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)觸發(fā)角調(diào)節(jié)范圍擴(kuò)大2°，通過中頻變壓，且經(jīng)空載額定到負(fù)載額定轉(zhuǎn)變，即可有效縮短整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間，提升系統(tǒng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)穩(wěn)定性。

2) 更換勵(lì)磁調(diào)節(jié)器

將筍塔二級(jí)電站內(nèi)現(xiàn)有可控硅整流部分、M300型模擬裝置以及2套互為備用的WRD2000型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器拆除，更換為全新的SAVR2000型交流無刷勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置。

3) 加裝阻容保護(hù)旋轉(zhuǎn)二級(jí)管

選擇能夠承受反向過電流/過電壓的性能良好的整流二極管設(shè)備，并將絕緣保護(hù)套加裝于其外圍的上下散熱器之間，實(shí)現(xiàn)對勵(lì)磁系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)二級(jí)管進(jìn)行安全的阻容保護(hù)，以防機(jī)組系統(tǒng)在勵(lì)磁調(diào)節(jié)過程中，因旋轉(zhuǎn)二級(jí)管被擊穿，電弧飛出而引發(fā)相間短路故障[4]。

4) 將工頻變壓器增設(shè)于勵(lì)磁開關(guān)電源側(cè)

為確保付勵(lì)磁機(jī)出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)，SAVR2000設(shè)備依然能夠進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)節(jié)，在改造時(shí)選擇投資費(fèi)用相對較低的380 V廠用電源，使工頻變壓器能夠?yàn)楦秳?lì)磁機(jī)開關(guān)電源側(cè)提供充足穩(wěn)定的備用電源。

改造后SAVR2000無刷勵(lì)磁機(jī)工作原理如圖3所示。

圖3 改造后SAVR2000無刷勵(lì)磁機(jī)工作原理示意

3 改造效果

經(jīng)改造，筍塔二級(jí)水電站1#、2#機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)均于2018年10月17日經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)收，成功投入運(yùn)行。改造之后，本站目前采用的勵(lì)磁系統(tǒng)為分別由FLB輔助柜、FLZ功率柜以及SAVR2000勵(lì)磁調(diào)節(jié)器組成的交流無刷勵(lì)磁系統(tǒng)，經(jīng)現(xiàn)場帶負(fù)荷運(yùn)行調(diào)試，1#、2#機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)均已順利通過試驗(yàn)?，F(xiàn)以2#機(jī)組為例，將3項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果分述如下。

3.1 勵(lì)磁機(jī)組開啟前試驗(yàn)

1) 勵(lì)磁設(shè)備開啟前通電檢查：SAVR2000勵(lì)磁調(diào)節(jié)設(shè)備通電開啟前，基本元件組成、相關(guān)結(jié)構(gòu)構(gòu)件、設(shè)備元件外觀均無異常，符合《小型水電站技術(shù)改造規(guī)范》(GB/T 50700—2011)[5-10]基本通電條件。

2) 勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置小電流試驗(yàn)：將SAVR2000勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置分別接入工頻同步板和變壓器，按照工頻工作方式，采用工頻電源作為該勵(lì)磁裝置可控硅FLB整流柜的陽極電源，并輸出40Ω的固定電阻作為可控硅的直流負(fù)載，然后通過調(diào)節(jié)“+”、“-”按鈕，適當(dāng)調(diào)整觸發(fā)角，對勵(lì)磁裝置電壓閉環(huán)、先后置頂角度兩橋分別進(jìn)行小電流試驗(yàn)[11]。

3) 勵(lì)磁系統(tǒng)各項(xiàng)模擬量和TV斷線模擬量測量校驗(yàn)[12]：分別在勵(lì)磁裝置儀表的TV端子和SAVR2000交流無刷勵(lì)磁調(diào)節(jié)TV端子接入100 V電壓和電流，測試顯示各項(xiàng)電流和電壓模擬量正確。同時(shí)，將SAVR2000交流無刷勵(lì)磁調(diào)節(jié)TV端子中的某一組電壓電流斷開，SAVR2000調(diào)節(jié)器能夠觸發(fā)TV斷線信號(hào)，調(diào)節(jié)器可迅速作出故障反應(yīng)。

改造后現(xiàn)場檢測試驗(yàn)環(huán)境如圖4所示。

(左：平臺(tái)SFC變頻軟起動(dòng)和勵(lì)磁裝置，右：試驗(yàn)機(jī)組)

圖4 改造后現(xiàn)場檢測試驗(yàn)環(huán)境示意

3.2 勵(lì)磁機(jī)組開啟后空載試驗(yàn)

1) 勵(lì)磁機(jī)組開啟后短路升流試驗(yàn)

改變SAVR2000勵(lì)磁調(diào)節(jié)器置定角運(yùn)行方式，在SFW320-8/740發(fā)電機(jī)出口開關(guān)短路運(yùn)行工況下，給勵(lì)磁調(diào)節(jié)器合“41A開關(guān)”的開機(jī)運(yùn)行指令，SAVR2000勵(lì)磁調(diào)節(jié)器能夠?qū)χ枚ń嵌绕鹗冀沁M(jìn)行自動(dòng)靈活調(diào)節(jié)。通過調(diào)整“+”、“-”磁按鈕，能夠?qū)?lì)磁裝置可控硅觸發(fā)角進(jìn)行自由調(diào)節(jié)，并使SFW320-8/740發(fā)電機(jī)現(xiàn)場短路電流從“0”逐漸上升到“額定”，再下降至“0”(如圖5所示)。

圖5 定子電流示意

2) 勵(lì)磁機(jī)組開啟后零起電壓試驗(yàn)

將SFW320-8/740發(fā)電機(jī)出口開關(guān)短路點(diǎn)解除，給勵(lì)磁調(diào)節(jié)器合“41A開關(guān)”的開機(jī)運(yùn)行指令，SAVR2000勵(lì)磁調(diào)節(jié)器電壓能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)運(yùn)行，并自動(dòng)升壓至最小電壓給定值。

3) 勵(lì)磁機(jī)組改造前后空載特性試驗(yàn)

通過調(diào)整SFW320-8/740發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓和“+”、“-”磁按鈕，勵(lì)磁機(jī)組開啟前后空載特性試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

從表1數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)改造，開啟前后，勵(lì)磁機(jī)組空載特性現(xiàn)場試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)生了較大變化，與改造前相比，改造后的筍塔電站經(jīng)SFW320-8/740發(fā)電機(jī)、SAVR2000勵(lì)磁調(diào)節(jié)器交流無刷勵(lì)磁調(diào)節(jié)后的給定電壓、機(jī)端電壓、可控硅觸發(fā)角、勵(lì)磁電流等逐步趨于合理和穩(wěn)定，運(yùn)行性能參數(shù)指標(biāo)更加可靠(如圖6所示)。

圖6 異步-同步變頻軟起動(dòng)過程網(wǎng)側(cè)電流

表1 勵(lì)磁機(jī)組改造前/后空載特性試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

在此基礎(chǔ)上，經(jīng)逆變滅磁試驗(yàn)及自動(dòng)升壓試驗(yàn)，分別將SFW320-8/740發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓升至100%UF/%后，給SAVR2000勵(lì)磁調(diào)節(jié)器交流無刷勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制指令后，快速自動(dòng)實(shí)現(xiàn)逆變滅磁。

此外，開啟SAVR2000勵(lì)磁調(diào)節(jié)器交流無刷勵(lì)磁“軟起勵(lì)”功能，經(jīng)遠(yuǎn)程勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制，現(xiàn)場SFW320-8/740發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓立即降低至90%UF/%，其錄波曲線變化情況見圖7所示。

圖7 勵(lì)磁機(jī)空載特性試驗(yàn)錄波曲線變化示意

3.3 勵(lì)磁機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行試驗(yàn)

現(xiàn)場分別經(jīng)電流閉環(huán)試驗(yàn)、欠勵(lì)/過勵(lì)試驗(yàn)，筍塔二級(jí)水電站SAVR2000交流無刷勵(lì)磁系統(tǒng)和SFW320-8/740發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)運(yùn)行復(fù)雜惡劣工況下，隨著運(yùn)行負(fù)載逐漸增大，勵(lì)磁機(jī)組電壓/電流閉環(huán)相互切換過程中，“增”、“減”磁操作無功、電壓始終能夠平滑變化過渡，基本無波動(dòng)。筍塔二級(jí)電站SAVR2000交流無刷勵(lì)磁系統(tǒng)空載輸出電壓波形及實(shí)測帶載輸出電壓波形如圖8所示。

a.空載輸出電壓波形

b.實(shí)測帶載輸出電壓波形

現(xiàn)場運(yùn)行試驗(yàn)測試結(jié)果顯示：

① 當(dāng)SFW320-8/740發(fā)電機(jī)有功功率為0 MW時(shí)，通過SAVR2000交流無刷勵(lì)磁系統(tǒng)“減磁”調(diào)節(jié)，可使發(fā)電機(jī)“進(jìn)相”運(yùn)行；

② 當(dāng)SFW320-8/740發(fā)電機(jī)無功功率為-19.97 MVar時(shí)，SAVR2000交流無刷勵(lì)磁系統(tǒng)“欠勵(lì)”限制動(dòng)作，并將發(fā)電機(jī)無功功率調(diào)升至“-19 MVar”，此時(shí)，經(jīng)SAVR2000勵(lì)磁調(diào)節(jié)器“增勵(lì)”，使SFW320-8/740發(fā)電機(jī)欠勵(lì)返回；

③ 當(dāng)SFW320-8/740發(fā)電機(jī)有功功率為0 MW時(shí)，通過SAVR2000交流無刷勵(lì)磁系統(tǒng)“增磁”調(diào)節(jié)，可使發(fā)電機(jī)“滯相”運(yùn)行；

當(dāng)SFW320-8/740發(fā)電機(jī)無功功率為99.97 MVar時(shí)，SAVR2000交流無刷勵(lì)磁系統(tǒng)“過勵(lì)”限制動(dòng)作，并將發(fā)電機(jī)無功功率調(diào)升至“99.66 MVar”，此時(shí)，經(jīng)SAVR2000勵(lì)磁調(diào)節(jié)器“減勵(lì)”，使SFW320-8/740發(fā)電機(jī)過勵(lì)返回，較好地滿足了本站勵(lì)磁系統(tǒng)交流無刷勵(lì)磁調(diào)控要求。

4 結(jié)語

筍塔二級(jí)水電站2×320 kW 1#、2#機(jī)組WRD2000勵(lì)磁系統(tǒng)經(jīng)過改造，系統(tǒng)運(yùn)行較為穩(wěn)定，性能基本可以達(dá)到技術(shù)改造要求，較好地滿足了電站無刷勵(lì)磁調(diào)控可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性等要求。