龙滩水电站励磁系统运行实践

张明,邓晓春

(龙滩水电开发有限公司，广西天峨547300)

0 概述

龙滩水电站的励磁系统由广科所引进瑞士ABB公司UNITROLR5000型产品。该励磁系统是1998年推出的数字式同步发电机静止励磁系统，是UNITROL系列的第五代励磁系统，采用了DSP数字信号处理技术、可控硅整流桥智能化均流技术、低残压快速起励技术、完善的通讯功能和多种调试手段、ARCnet现场总线技术等。龙滩水电站励磁系统主要零配件国外进口，整体设备国内组装。该型励磁系统在国内大型火电机组有一定的运行经验，龙滩投产前在单机700MW级水电站应用较少。本文介绍该该励磁系统主要功能特点及在龙滩水电站的应用情况。

1 励磁系统特点

1.1 励磁系统主要参数

1.2 功能单元模块化

UNITROLR5000型励磁系统在硬件设计方面功能单元模块化，功率柜由整流桥、阻容吸收单元、风机单元、控制单元4部分组成，每一部分均实现模块组件化，物理结构层次非常清晰，盘柜布置合理，运行维护方便。

UNITROLR5000具有强大的串行通讯功能。一方面，它可以通过串行通讯实现与电站监控系统的接口，支持Modbus,Modbus+和Profibus等协议。另一方面，在励磁系统内，控制和状态信号的交换是通过ARCnet网实现的。磁场断路器跳闸回路还附加了硬件回路。

在本励磁系统中，将ARCNET网络总线技术用于励磁系统内部调节器、功率柜、灭磁柜、人机界面等设备的相互连接，进行控制和信息交换，采用令牌传输，数据信息量大，可以减少柜间接线，提高工艺水平，提高系统运行可靠性。ARCNET网络总线技术提高了设备工艺水平，大大降低了运行维护工作量。

1.3 多种起励功能

UNITROLR5000型励磁系统提供了残压、辅助电源交、直流三种起励方式。正常运行时采用残压起励方式。电子控制回路能够正常工作的可控硅整流器阳极电压仅为10～20V，有效保证了残压起励的可靠性。当机端电压达到发电机额定电压的10%时，起励回路自动退出，软起励过程开始并将发电机电压升到预定水平。整个起励过程的控制和监测都是通过AVR软件实现的。在残压起励不成功时，可采用辅助交流和直流起励方式，利用厂用400V交流电源和220V直流电源起励。有效保证了长期停机后残压过低等情况下的正常启动。由于备用起励回路限流电阻很高，起励回路仅需要一个较小的电流，对电站的直流系统几乎没有任何冲击。

在实际运行中，龙滩水电站机组空转时的机端残压正常情况下为238V左右，功率柜阳极电压达到13～15V，满足残压启励条件。从投产至今，机组的建压过程全部采用残压来完成。

1.4 完善的灭磁功能

励磁系统正常停机时采用逆变灭磁。事故时通过跳灭磁开关，利用SiC灭磁电阻移能灭磁。按照最恶劣工况下转子能量Wfmax9.35MJ，预留20%的裕度，选取SiC电阻容量为12MJ。灭磁过程中，在断开灭磁开关的同时关断脉冲并通过控制回路使灭磁回路可控硅导通接通灭磁电阻灭磁。由于采取了脉冲关断的措施，励磁变副边交流电压被叠加到磁场断路器的电弧电压上，可以缩短灭磁时间。

龙滩水电站在应用时考虑到跳闸信号复归后，灭磁回路的导通由通过灭磁回路电流的大小决定，当灭磁电流小于可控硅的维持电流时，则回路截止。为了可靠灭磁，对原灭磁回路作了下改进，把灭磁开关的常闭接点串联接进灭磁控制回路中，只要灭磁开关动作灭磁回路一直导通，彻底消耗转子能量。

1.5 转子正向过电压保护功能

发电机端出现故障，如短路、错误的同步和/或异步运行，会引起反向的感应磁场电流，该电流在转子回路中会产生过电压。过电压必须被限制到足够安全的水平，而且应低于整流器可控硅的峰值反向电压。

跨接器电路通常用于直流侧过压保护。在UNITROLR5000型励磁系统中，该电路采用雪崩二极管用于探测转子回路中的正向和反向过电压。当雪崩二极管被击穿，相连的可控硅则被触发，立即将灭磁电阻器并联连接到转子回路上。同时发出跳闸令使磁场断路器立即断开。

龙滩水电站转子正向过电压动作设计值为3200V，即转子正向电压要超过该值后才能触发正向可控硅，灭磁回路才会并入转子回路。由于灭磁电阻SIC漏电流较大，过压后有可能无法关闭跨接器，根据龙滩水电站的运行要求，发电机组在正常运行出现短时间转子正向过电压不允许跳闸的情况，在UNITROLR5000型励磁系统原有功能的基础上，进行了一定的改进。发电机组运行时出现转子正向过电压时，若在0.5s内只出现1次过压则封脉冲，关闭正向导通可控硅，瞬间解除封脉冲令，励磁系统返回正常工作状态；若在0.5s内出现＞1次过压情况，则发“跨接器故障”跳灭磁开关。为了确保功能动作正确性，利用机组投产时模拟机组过压专门做了试验，试验结果动作正确。

1.6 交流侧过电压保护

区别于传统的整流柜交流侧集中式过压保护装置，UNITROLR5000型励磁系统在每个整流桥的交流侧设置过电压保护，吸收由晶闸管整流而引起的电压尖峰及阳极侧可能产生的过电压。过电压保护装置主要由1个三相二极管整流桥和1个电容组成。对于高频过电压而言，电容代表1个低阻抗并且起滤波器的作用。与电容并联的有个放电电阻器，在电容放电时吸收能量。这种用途的电容应能支持较高的di/dt。二极管整流桥的AC侧由带接点指示的熔断器保护。

1.7 手动控制

当手动控制模式下运行时，UNITROLR5000以同步发电机的磁场电流作为反馈量进行调节。手动控制模式的给定功能与AVR控制模式的给定功能相同。为了避免在手动模式下突然甩负荷引起的过电压，手动模式具有自动返回空载的功能。在发电机断路器跳闸的情况下，一个脉冲信号传送给调节器，使手动给定值立即恢复到预定值。在需要所谓的手动限制的情况下，手动控制的最小和最大控制点可以按照作为当前有功和无功功率水平的函数，或发电机实际电压的函数来计算。

2 设备运行情况

2.1 运行评价

自2007年5月首台机组投产以来，UNITROLR5000励磁系统在龙滩水电站总体运行状况良好，未曾发生过异常调节现象，完全满足机组及电网实际运行要求。在调节性能方面，相关指标远远优于规范要求，同等情况下，其调节时间是国标要求的1/3，超调量是国标要求的1/2，振荡次数为0.5次，其独特的动态均流技术，使得7台机组中均流系数最低达到96.2%，最高到达99.7%，远远高于85%的规范要求；在限制、保护功能方面，配置齐全，完全满足规范要求；在电网功能要求方面，其配置的电功率及转子角频率双输入信号的PSS-2A型电力系统稳定器，对低频振荡有良好的抑制作用，且不会产生反调现象，有利于提高电网的稳定性。

2.2 主要问题及处理措施

该励磁系统总体符合规程规范要求，但由于在水电站运行经验较少，投入运行后根据缺陷和隐患排查情况进行了一些功能改进和完善。

(1)功率柜冷却系统性能不可靠

励磁功率柜原设计冷却风机由自用电、厂用电两路电源供电经切换中间继电器向主备用两组4台风机供电。正常运行方式下以自用电为主，在起励过程中或自用电故障情况下自动切至由厂用电供电。当主用风机出现故障后，出风口的挡板会自动掉下，通过位置开关的接点作用，将风机运行状态反馈给控制单元，启动备用风机，实现主、备风机的相互切换。

由于电源切换回路采用中间继电器，接点容量不足易烧损而导致冷却系统失电停机事故，在国内曾发生该类故障案例。龙滩取消原设计中厂用电、自用电电源切换回路，采用自用电、厂用电分别向主用风机和备用风机供电。有效避免通过继电器接点容量不足、切换不可靠的问题，实现了主备用冷却风机的完全备用，提高了设备的可靠性。

由于原设计风机启动电容安装在风机单元线槽内，元件不易散热，经长时间运行后电容品质下降，甚至损坏导致风机不能正常启动或功率柜不能正常运行。该现象是龙滩励磁系统在投产初期的主要故障。通过改变电容参数改善热容量性能，提高了稳定性；改变电容安装位置，改善元件运行环境，提高了可靠性。经过改造后，故障消除，设备运行稳定。

(2)功率柜元件布置不合理

该励磁系统投运行初期发现，整流柜阳极侧阻容保护电阻安装位置处于功率柜顶部且偏后靠近柜门，加上柜体密封，电阻产生的热能不容易散热，致使柜壳、柜体温度上升，电阻本体最高温度达165℃，整流柜柜门温度达到43℃以上。功率柜阻容保护电容器安装在整流桥正上方，电容损坏电容液体飞溅会直接落到晶闸管处，极易造成短路爆炸事故。这些反映出元件布置不合理的问题，如不改善，将影响设备稳定性和安全性。

为改善阻容保护单元的电阻散热条件，将其转移至功率柜冷却风道正上部，使整流柜冷却风机的风量带走阻容保护电阻的热能。改造后功率柜门温度降至28～30℃，与周边环境温度相同，阻容保护电阻本体温度在85～150℃之间变化，散热效果非常明显。为防止阻容保护电容故障造成设备事故，将该电容器移至功率柜后部，与其它元件有效隔离，提高了设备运行安全性能。

(3)通讯故障冗余能力弱

由于ARCnet总线承担着励磁系统控制和状态信号交换，它的故障冗余能力将直接影响整套设备乃至发电机组的安全、稳定性能。龙滩水电站励磁系统运行中多次出现励磁系统故障、整流桥报警、起励闭锁、通道报警、整流桥失灵、整流桥被闭、备用通道报警等信号。检查发现是调节器通讯总线T型、Y型接头接触不良，运行中极易引发故障，甚至事故停机。由于总线结构在设备制造后很难进一步改进，龙滩目前只能通过提高工艺手段改善总线连接可靠，不能从根本上解决通讯冗余问题。

控制总线方式无论从设备制造工艺水平、系统运行可靠性能，还是现场运行维护方便来讲，都应当值得肯定。为提高其可靠性，建议采用双总线方式，实现通讯故障和控制冗余。建议控制信号与事故信号分别通讯，并增加系统故障、事故逻辑判断，增加励磁系统的安全、稳定性能。

3 结论

经过几年的运行，从UNITROLR5000型励磁系统的实践经验看，该型调节器在励磁控制领域，使用了许多新技术和新器件，无论从硬件、软件还是工艺结构设计方面，均有独到之处。存在的大部分问题得到了处理，并在行业内其他水电站得到了推广，提高了该型产品的整体稳定水平。尽管个别问题暂时无法彻底解决，但由于采取了相应的措施，能够满足电力生产要求。