无刷励磁在笋塔二级水电站励磁系统技术改造中的应用

2020-02-11黄智强

广东水利水电 2020年1期

黄智强

(南安市水利局，福建南安 362300)

1 励磁系统存在的问题

1.1 原励磁系统结构

南安市笋塔二级水电站装机2×320 kW，励磁系统属于传统的自复励励磁机，主要由励磁调节器、功率整流器、灭磁及转子过压保护回路、起励单元、测量用电压互感器、电流互感器以及励磁变压器组成(见图1)。目前，机组运行中，采用2套WRD2000型调节器互为备用，但2台机组自1978年1月建成投产运行以来，经过40多年的运行，在2009—2018年间，因励磁调节控制原因，机组前后共跳闸30余次，给电网、电站的安全、稳定及经济运行造成巨大影响。

图1 原励磁系统结构示意

1.2 存在的问题及改造必要性

1) 励磁调节器可调范围窄

笋塔水电站2×320 kW1#、2#机组2套WRD2000型付励磁机频率、容量分别为350 Hz/152 kVA，额定和空载输出电压分别为274 V/300 V，主励磁机空载励磁电压/额定励磁电压分别为3.9 V/10 V，据运行参数可知，当励磁系统可控硅控制角每减少1°，电站发电机输入的励磁电流就会由“0”上升至额定值，由此说明，机组原WRD2000励磁调节器在励磁系统正常运行时，可调节的范围非常有限，若调节器一旦失控“超调”，将会导致整个励磁系统运行失稳。

2) 励磁机容量整定与发电机额定容量不符

站内励磁系统旋转整流器由“+”、“-”双整流轮组成，主励磁机电枢则由8组绕组组成，与旋转整流器内2个整流轮组成的8个全波整流桥相对应，因每个全波整流桥的桥臂由2个二级管并联，所以该励磁系统最大励磁限制倍数及强励倍数若按励磁机容量整定，与2台SFW200-10发电机的额定容量极为不符。

3) 励磁系统易出现过励现象

受励磁故障冲击影响，站内发电机在异常运行时，随着励磁容量激增，可能会多次引发主励磁机转子中枢铁芯轴向止推压板螺栓被剪断的风险，且会损坏发电机，导致产生“过励磁”故障。

4) 典型故障事例频繁出现

故障事例1：2016年3月15日，电站1#励磁机组在发电机投励磁过程中，旋转整流器内侧轮被烧毁。事后检查发现，3号整流模件、整流轮内侧1/3范围内的铅丝连接片元件被严重烧毁，整流轮内壁出现一道深5.1 mm、宽37.9 mm、长218 mm的深坑。

故障事例2：2018年10月19日，在电站机组停机备用期间，通过解体检查付励磁机内部构件，发现定子顶部绕组因绝缘性降低，导致2个槽绕组外缘烧焦变碎、变黑。

经分析诊断，故障事例1的成因如下：

① 3号二级管质量不佳。在电流换向时，因3号二级管无法承受巨大的反向电压作用，被击穿放电，形成电弧。随着转子高速旋转，放电形成的电弧会迅速进入3号二级管轮内侧，由此引发大面积的“相间短路”。

② 原WRD2000型励磁调节装置调控性能不佳，旋转整流器一旦产生异常，该励磁调节器在自复励励磁调控中产生的励磁电流就会超过额定阈值，导致欠励磁或过励磁失控，并逐步增大失控故障范围。

③ 在个别二极管损坏工况下，旋转整流器整体铅丝功能和电气绝缘强度严重不足，无法快速反应保证铅丝迅速熔断，将故障二级管切除后，励磁系统其它整流设备一切恢复正常运行状态。

④ 二极管长时间高强度工作，缺乏阻容保护，在反向过电压/过电流影响作用下，其寿命会大大缩短。

故障事例2的成因有：

① 因定子绕组绝缘在运行中温度过高，或在下线过程中绝缘性能受损，绝缘设备老化，以至定子绕组被击穿。

② 原励磁机组励磁系统绝缘等级、励磁机容量等均达不到《水利部关于农村水电增效扩容改造项目初步设计指导意见》[水电(2011)437号]相关技术要求，在励磁调节中致使绝缘过热老化。

③ 站内励磁系统7个回路并联的电子绕组并联回路间的阻抗分配失衡，导致个别定子绕组回路电流过大，过热。

2 励磁系统改造方案

2.1 励磁系统技术改造设计

1) 改造机组励磁设备：将站内现有WRD2000型传统的自复励励磁机/励磁调节装置、设备等废弃，重新制造并引进新的SFW320-8/740型发电机及SAVR2000无刷励磁系统设备。

2) 完善励磁调控性能：将在现有运行基础上，将采用新的励磁电源，将新的励磁变压器加装于原SFW200-10型发电机出口处，并将自复励励磁方式改为“静态无刷励磁”方式[1]。

3) 增设励磁阻容保护：借助新的“yn0型油浸式、自冷式升压变压器”代替传统的S7-800/10型铜芯油浸变压器，为发电机励磁系统提供三相交流励磁电源。

4) 更换机组动力来源：原付励磁机电源由厂用电取代[2]。

如图2所示，技术改造后配备的无刷励磁机自身采用静态励磁，励磁电流取自发电机机端，通过励磁变压器降压后经可控硅整流供给，但由于原励磁机自身的励磁容量较小，因此改造后需采用新的技术手段(励磁回路串联电阻+时间常数补偿+提高顶值电压倍数)，补偿无刷励磁机的时间常数，从而实现无刷励磁系统电压的快速响应，即可得到“高起始响应”无刷励磁系统。

图2 “高起始响应”型无刷励磁机电气原理示意

2.2 设备选型

1) 确定运行参数，加装中频变压器

为了尽可能降低付励磁机带来的固有放大倍数，提高励磁系统运行稳定性，在改造中，将中频变压器分别加装于笋塔二级电站的励磁开关和付励磁开关之间，以扩大励磁系统可控硅控制范围，降低励磁电压倍数；同时，有效隔离电气回路中的励磁系统可控硅整流部分和付励磁机，减少励磁系统对付励磁机的不良冲击影响[3]。

经计算分析，在空载和负载两种额定工况下，永磁机的输出电压值U分别为290/3=96.7 V和274.6/3=91.5 V，而触发角在两种不同运行工况下的数值α分别为cos(3.9/1.35·96.7)=88.3°以及cos(10/1.35·91.5)=85.36°，由此可知，在忽略变压器运行损耗前提下，将付励磁机输出的电压经“yn0型油浸式、自冷式升压变压器”变比降低为1/3较为合适，即当电站发电机2×320 kW机组励磁系统触发角调节范围扩大2°，通过中频变压，且经空载额定到负载额定转变，即可有效缩短整个励磁系统的调节响应时间，提升系统励磁调节稳定性。

2) 更换励磁调节器

将笋塔二级电站内现有可控硅整流部分、M300型模拟装置以及2套互为备用的WRD2000型励磁调节器拆除，更换为全新的SAVR2000型交流无刷励磁调节装置。

3) 加装阻容保护旋转二级管

选择能够承受反向过电流/过电压的性能良好的整流二极管设备，并将绝缘保护套加装于其外围的上下散热器之间，实现对励磁系统旋转二级管进行安全的阻容保护，以防机组系统在励磁调节过程中，因旋转二级管被击穿，电弧飞出而引发相间短路故障[4]。

4) 将工频变压器增设于励磁开关电源侧

为确保付励磁机出现运行故障时，SAVR2000设备依然能够进行励磁调节，在改造时选择投资费用相对较低的380 V厂用电源，使工频变压器能够为付励磁机开关电源侧提供充足稳定的备用电源。

改造后SAVR2000无刷励磁机工作原理如图3所示。

图3 改造后SAVR2000无刷励磁机工作原理示意

3 改造效果

经改造，笋塔二级水电站1#、2#机组励磁系统均于2018年10月17日经过试验验收，成功投入运行。改造之后，本站目前采用的励磁系统为分别由FLB辅助柜、FLZ功率柜以及SAVR2000励磁调节器组成的交流无刷励磁系统，经现场带负荷运行调试，1#、2#机组励磁系统均已顺利通过试验。现以2#机组为例，将3项试验结果分述如下。

3.1 励磁机组开启前试验

1) 励磁设备开启前通电检查：SAVR2000励磁调节设备通电开启前，基本元件组成、相关结构构件、设备元件外观均无异常，符合《小型水电站技术改造规范》(GB/T 50700—2011)[5-10]基本通电条件。

2) 励磁调节装置小电流试验：将SAVR2000励磁调节装置分别接入工频同步板和变压器，按照工频工作方式，采用工频电源作为该励磁装置可控硅FLB整流柜的阳极电源，并输出40Ω的固定电阻作为可控硅的直流负载，然后通过调节“+”、“-”按钮，适当调整触发角，对励磁装置电压闭环、先后置顶角度两桥分别进行小电流试验[11]。

3) 励磁系统各项模拟量和TV断线模拟量测量校验[12]：分别在励磁装置仪表的TV端子和SAVR2000交流无刷励磁调节TV端子接入100 V电压和电流，测试显示各项电流和电压模拟量正确。同时，将SAVR2000交流无刷励磁调节TV端子中的某一组电压电流断开，SAVR2000调节器能够触发TV断线信号，调节器可迅速作出故障反应。

改造后现场检测试验环境如图4所示。

(左：平台SFC变频软起动和励磁装置，右：试验机组)

图4 改造后现场检测试验环境示意

3.2 励磁机组开启后空载试验

1) 励磁机组开启后短路升流试验

改变SAVR2000励磁调节器置定角运行方式，在SFW320-8/740发电机出口开关短路运行工况下，给励磁调节器合“41A开关”的开机运行指令，SAVR2000励磁调节器能够对置定角度起始角进行自动灵活调节。通过调整“+”、“-”磁按钮，能够对励磁装置可控硅触发角进行自由调节，并使SFW320-8/740发电机现场短路电流从“0”逐渐上升到“额定”，再下降至“0”(如图5所示)。

图5 定子电流示意

2) 励磁机组开启后零起电压试验

将SFW320-8/740发电机出口开关短路点解除，给励磁调节器合“41A开关”的开机运行指令，SAVR2000励磁调节器电压能够实现闭环运行，并自动升压至最小电压给定值。

3) 励磁机组改造前后空载特性试验

通过调整SFW320-8/740发电机机端电压和“+”、“-”磁按钮，励磁机组开启前后空载特性试验统计结果见表1。

从表1数据可以看出，经改造，开启前后，励磁机组空载特性现场试验统计结果发生了较大变化，与改造前相比，改造后的笋塔电站经SFW320-8/740发电机、SAVR2000励磁调节器交流无刷励磁调节后的给定电压、机端电压、可控硅触发角、励磁电流等逐步趋于合理和稳定，运行性能参数指标更加可靠(如图6所示)。

图6 异步-同步变频软起动过程网侧电流

表1 励磁机组改造前/后空载特性试验统计结果

在此基础上，经逆变灭磁试验及自动升压试验，分别将SFW320-8/740发电机机端电压升至100%UF/%后，给SAVR2000励磁调节器交流无刷励磁调节控制指令后，快速自动实现逆变灭磁。

此外，开启SAVR2000励磁调节器交流无刷励磁“软起励”功能，经远程励磁调节控制，现场SFW320-8/740发电机机端电压立即降低至90%UF/%，其录波曲线变化情况见图7所示。

图7 励磁机空载特性试验录波曲线变化示意

3.3 励磁机组并网运行试验

现场分别经电流闭环试验、欠励/过励试验，笋塔二级水电站SAVR2000交流无刷励磁系统和SFW320-8/740发电机在并网运行复杂恶劣工况下，随着运行负载逐渐增大，励磁机组电压/电流闭环相互切换过程中，“增”、“减”磁操作无功、电压始终能够平滑变化过渡，基本无波动。笋塔二级电站SAVR2000交流无刷励磁系统空载输出电压波形及实测带载输出电压波形如图8所示。