李勇,胡建華,柳鵬,彭發(fā)榮

(國(guó)家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司銀川分公司,寧夏 銀川 750011)

0 引 言

火力發(fā)電廠發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子往往處于長(zhǎng)時(shí)間高速轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài),其線圈容易因電、熱、化學(xué)腐蝕和電動(dòng)力作用導(dǎo)致匝間故障、接地故障和開(kāi)路故障[1]。發(fā)電機(jī)定子繞組接地會(huì)造成定子鐵芯被流經(jīng)故障發(fā)生處的電容電流引起電弧破壞,而且由于鐵芯燒傷導(dǎo)致磁場(chǎng)分布不平衡,使得定子繞組局部溫度超限,最終導(dǎo)致匝間短路或相間短路,嚴(yán)重破壞發(fā)電機(jī)[2-6]。一般來(lái)說(shuō),對(duì)于火電機(jī)組,假如某臺(tái)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生了機(jī)端過(guò)電壓故障,通過(guò)升壓變壓器并聯(lián)于高壓母線,利用介于發(fā)電機(jī)和高壓母線中的變壓器短路電抗,可以從全部并列運(yùn)行發(fā)電機(jī)中精確查尋出產(chǎn)生過(guò)電壓的發(fā)電機(jī)[7-8]。由于變壓器短路電抗的隔離作用,公共母線過(guò)電壓處于故障狀態(tài)的發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓值理應(yīng)最突出[9-11],而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子遭受電壓侵害時(shí),會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)子匝間短路現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)將威脅發(fā)電機(jī)定子及變壓器的安全[12-13]。因此,為避免上述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生過(guò)電壓的情況,目前國(guó)內(nèi)火力發(fā)電廠常常會(huì)給發(fā)電機(jī)組裝備進(jìn)口原裝和組裝的勵(lì)磁裝置,一般會(huì)附帶發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子滅磁及過(guò)電壓保護(hù)裝置,但其安全性是否可靠,仍需進(jìn)一步研究[14-17]。

根據(jù)文獻(xiàn)[18]中的要求,滅磁及過(guò)電壓保護(hù)裝置在交接和大修時(shí)必須進(jìn)行轉(zhuǎn)子過(guò)電壓裝置的性能試驗(yàn),目前開(kāi)展該項(xiàng)試驗(yàn)的專(zhuān)用測(cè)試儀器是電科院自行研制的DKY-1型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)裝置測(cè)試儀,但該儀器因集成化不高,目前已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的要求,需要對(duì)該儀器進(jìn)行改造和升級(jí)[19-23]。因此,擬在傳統(tǒng)測(cè)試方法的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)百萬(wàn)機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子滅磁及過(guò)電壓保護(hù)裝置工作原理的研究,引入差分傅里葉算法和濾波技術(shù),實(shí)現(xiàn)信號(hào)的完全傳輸。

綜上所述,在傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)裝置試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上,首先,通過(guò)了解發(fā)電機(jī)過(guò)電壓保護(hù)裝置的動(dòng)作情況和動(dòng)作電壓值,確定發(fā)電機(jī)過(guò)電壓保護(hù)裝置測(cè)試儀的電壓結(jié)構(gòu)參數(shù)。其次,采用高頻倍壓電路,應(yīng)用脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)技術(shù),使電壓穩(wěn)定度大幅度提高,使用大功率絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)器件和驅(qū)動(dòng)技術(shù),產(chǎn)生穩(wěn)定度高、電源功率大的直流輸出。從分壓電阻上采集電壓信號(hào),最后引入差分傅里葉算法和濾波技術(shù),實(shí)現(xiàn)信號(hào)的完全輸出,經(jīng)過(guò)單片機(jī)周期采樣,將采樣信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬電壓電流量,經(jīng)過(guò)單片機(jī)的A/D采樣通道,得到單片機(jī)能完整地采集到當(dāng)時(shí)的電壓和波形。提出了一種基于差分傅里葉算法和濾波技術(shù)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)裝置檢測(cè)方法,以便進(jìn)行穩(wěn)壓、穩(wěn)流和保護(hù)動(dòng)作調(diào)節(jié),為最終控制功能提供依據(jù),選取不同火電廠機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn),驗(yàn)證所提方法的有效性和準(zhǔn)確性。

1 傳統(tǒng)過(guò)電壓保護(hù)裝置測(cè)試儀原理及模型

轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)裝置基本電路及其原理是一組正反向并聯(lián)的可控硅串聯(lián)一個(gè)放電電阻后再并聯(lián)在勵(lì)磁繞組兩端,當(dāng)可控硅的觸發(fā)器電路檢測(cè)到轉(zhuǎn)子過(guò)電壓后,立即發(fā)出觸發(fā)脈沖使可控硅導(dǎo)通,利用放電電阻吸收過(guò)電壓能量。

如圖1所示,通過(guò)隔離調(diào)壓器的兩個(gè)輸入端連接電源,兩個(gè)輸出端與整流濾波電路連接后作為直流輸出測(cè)試端子,該整流濾波電路由橋式整流電路濾波器構(gòu)成。其中,橋式整流電路由四個(gè)二極管組成,而濾波器由單個(gè)電容器組成。

圖1 試驗(yàn)接線。

在交直流輸出選擇開(kāi)關(guān)的一個(gè)輸入端與隔離調(diào)壓器的一個(gè)輸出端之間串聯(lián)一個(gè)自制的過(guò)電流繼電器,該過(guò)電流繼電器的第一常閉觸點(diǎn)與自鎖繼電器的線圈串聯(lián),還包括零位保護(hù)行程開(kāi)關(guān),該零位保護(hù)行程開(kāi)關(guān)的觸發(fā)端安裝在隔離調(diào)壓器的零位處,并且該零位保護(hù)行程開(kāi)關(guān)的輸出端與自鎖繼電器的線圈串聯(lián),從而使隔離調(diào)壓器處于零位時(shí)零位保護(hù)行程開(kāi)關(guān)的輸出端閉合導(dǎo)通。

研究橋式整流和濾波器實(shí)現(xiàn)交直流電源輸出,采用高頻倍壓電路,應(yīng)用最新的PWM高頻脈寬調(diào)制技術(shù),使電壓穩(wěn)定度大幅度提高。使用差分傅里葉算法和濾波技術(shù),保證電壓電流信號(hào)及電壓波形能完全無(wú)損失傳送到顯示器。

2 過(guò)電壓保護(hù)裝置檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

2.1 差分傅里葉算法

時(shí)域是以時(shí)間為參照,頻域是以頻率為參照。正弦波在時(shí)域上是連續(xù)的周期信號(hào)[21-22],包括幅值、相位和頻率。傅里葉變換的本質(zhì)就是將任一個(gè)周期信號(hào)在頻域上看成無(wú)限多個(gè)分開(kāi)的離散的正弦波,所以正弦波可以看成一個(gè)在頻域上始終旋轉(zhuǎn)的、永恒不變的圓。經(jīng)過(guò)傅里葉變換之后,便可將電流電壓信號(hào)的各個(gè)頻率的波形提取出來(lái),基波和各次諧波甚至非 50 Hz 整數(shù)倍的間諧波。AD 采樣得到一個(gè)周期每個(gè)點(diǎn)的 AD 值,傅里葉變換可以求出每個(gè)點(diǎn)的實(shí)部和虛部,進(jìn)一步得到幅值和相角,因此可以從一個(gè)復(fù)雜的波形中提取出直流分量、基波和各次諧波分量,基波用于繼電保護(hù)判斷,保護(hù)元件有時(shí)需要用到二次諧波甚至高次諧波[3]。

疊加直流分量的正弦波公式一般可以表示為y=Ie+Asin(t+θ),其中Ie為直流分量。一階差分的原理是將正弦波相鄰的兩個(gè) AD 采樣點(diǎn)值進(jìn)行逐點(diǎn)做差,即可濾除直流分量,結(jié)果得到一個(gè)新的正弦波,此時(shí)針對(duì)新的正弦波不管用半波傅里葉還是全波傅里葉均不含直流分量。

新的正弦波與實(shí)際正弦波之間的補(bǔ)償關(guān)系根據(jù)三角函數(shù)和差化積公式得到,見(jiàn)式(1)。

(1)

進(jìn)一步推導(dǎo)出差分傅里葉公式為

(2)

差分后的正弦波公式為

(3)

差分傅里葉計(jì)算過(guò)程中需要成補(bǔ)償系數(shù),公式為

(4)

將新正弦波的正弦分量和余弦分量算出之后除以補(bǔ)償系數(shù)即得到實(shí)際的保護(hù)數(shù)據(jù)。

2.2 PWM脈沖寬度調(diào)制

在高頻開(kāi)關(guān)電源的控制反饋中,脈寬調(diào)制方式取得了業(yè)界的普遍認(rèn)可,這完全是因?yàn)?PWM 控制的開(kāi)關(guān)頻率恒定以及可調(diào)節(jié)控制的開(kāi)關(guān)占空比。其控制原理一般是將系統(tǒng)負(fù)載采集到的信號(hào)波與鋸齒波進(jìn)行對(duì)比,然后將對(duì)比之后得到的具有恒定頻率的變化脈寬的方波信號(hào)輸出,輸出信號(hào)作為功率開(kāi)關(guān)器件的控制源進(jìn)行控制。針對(duì)負(fù)載的不同狀態(tài),變化開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間,已達(dá)到輸出電壓穩(wěn)定的目的。如果按反饋環(huán)路樣式劃分,分別為電壓、電流兩種控制型。電壓控制一般是采樣負(fù)載端的輸出電壓,用以反饋控制信號(hào)達(dá)到閉環(huán)控制,可以輸出穩(wěn)定電壓,此種模式是單環(huán)控制系統(tǒng)。通過(guò)在電壓控制形式上,又額外引入一個(gè)采樣回饋值,作為雙環(huán)控制系統(tǒng),能夠在電源參數(shù)等方面起到優(yōu)化作用。

1)電壓控制模式。如圖2所示,電壓控制模式的基本原理是將測(cè)量的輸出采樣電壓VFB與給定的電壓Vref進(jìn)行比較后,將所得差值輸出VE,然后再將VE和芯片給出的波形相對(duì)比,會(huì)在 PWM 比較器的輸出端得到一定數(shù)值占空比的控制信號(hào),誤差電壓VFB的變化致使脈寬隨之變化,輸出端的能量值取決于脈沖寬度。

圖2 電壓控制模式。

2)電流控制模式。如圖3所示,電流控制模式是雙環(huán)控制,比電壓控制模式多了一個(gè)內(nèi)環(huán),即電流反饋環(huán)。

圖3 電流控制模式。

2.3 過(guò)電壓保護(hù)裝置檢測(cè)方法研究

基于差分傅里葉算法和濾波技術(shù)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)裝置檢測(cè)方法電氣原理如圖4所示。

圖4 測(cè)試方法電氣原理。

儀器使用前,先將儀器輸出端連接到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)裝置(跨接器)兩端。合上雙連倒板開(kāi)關(guān)K1,使儀器帶電,在確保隔離調(diào)壓器TB在零位時(shí),交直流輸出選擇開(kāi)關(guān)K2在直流輸出位置,按下合閘按鈕HN交流接觸器使CJ線圈勵(lì)磁,接觸器常閉節(jié)點(diǎn)閉合,同時(shí)合閘按鈕和零位保護(hù)行程開(kāi)關(guān)XC由交流接觸器一節(jié)點(diǎn)C給予自保持,電源主回路接通式隔離調(diào)壓器帶電,旋轉(zhuǎn)隔離調(diào)壓器旋鈕,使直流輸出電壓從0～1 kV平穩(wěn)升壓,直流輸出并接濾波電容C。根據(jù)采集的電壓電流數(shù)據(jù),描繪出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)裝置(跨接器)的動(dòng)作特性曲線,根據(jù)繪制的曲線判斷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)裝置的質(zhì)量,得出試驗(yàn)結(jié)論。

3 試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)不同1 000 MW燃煤電廠所提供的歷史數(shù)據(jù)中選取一組數(shù)據(jù)。實(shí)施采用數(shù)據(jù)收集和儀器的優(yōu)化仿真方式。借助于原來(lái)測(cè)試數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn),確定研制儀器的參數(shù),然后選用精密、智能化的設(shè)備元器件組裝儀器,并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行660～1 000 MW發(fā)電機(jī)組過(guò)電壓保護(hù)裝置的測(cè)試。

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)裝置是否按邏輯要求動(dòng)作以及實(shí)測(cè)出在過(guò)電壓情況下的保護(hù)動(dòng)作值。依據(jù)規(guī)程要求,轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作電壓值應(yīng)低于轉(zhuǎn)子繞組出廠工頻試驗(yàn)電壓幅值的70%,其容量可只考慮瞬時(shí)過(guò)電壓,動(dòng)作電壓值在廠家設(shè)計(jì)值誤差范圍內(nèi)。

表1 機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)子過(guò)電壓動(dòng)作結(jié)果

三臺(tái)機(jī)組試驗(yàn)過(guò)程中采用錄波器進(jìn)行波形分析,得到的波形結(jié)果如圖5—圖7所示。

圖5 機(jī)組1直流作用下轉(zhuǎn)子正方向的轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)裝置動(dòng)作波形。

圖6 機(jī)組2直流作用下轉(zhuǎn)子正方向的轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)裝置動(dòng)作波形。

圖7 機(jī)組3直流作用下轉(zhuǎn)子正方向的轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)裝置動(dòng)作波形。

根據(jù)差分傅里葉算法和濾波技術(shù)的發(fā)電機(jī)過(guò)電壓保護(hù)裝置不僅滿(mǎn)足低于轉(zhuǎn)子繞組出廠工頻試驗(yàn)電壓幅值的70%,而且遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值,達(dá)到了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)的目的。

4 結(jié) 論

針對(duì)電廠過(guò)電壓侵害造成的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路等威脅發(fā)電機(jī)定子及變壓器安全的問(wèn)題,設(shè)計(jì)一種基于差分傅里葉算法和濾波技術(shù)的新型智能化發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)裝置檢測(cè)方法,使用該檢測(cè)方法通過(guò)在某電廠勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)裝置試驗(yàn)。結(jié)果表明,該檢測(cè)方法能很好地驗(yàn)證機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)裝置保護(hù)邏輯動(dòng)作正確與否,動(dòng)作電壓值符合要求,驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)測(cè)試儀器的有效性和準(zhǔn)確性。