泵站励磁装置故障分析与改造

2021-08-07王华良

中国农村水利水电 2021年7期

张宇，李扬，王华良，汤炜

（1.江苏省江都水利工程管理处，江苏扬州225200；2.北京前锋科技有限公司，北京101400；3.江苏省扬州市江都区水务局，江苏扬州225200）

0 引言

江都第四抽水站是南水北调东线工程重要泵站之一，安装有7台套机组（立式液压全调节轴流泵+立式同步电动机），单机流量30 m3/s，容量3 400 kW，总装机容量23 800 kW，总抽水能力210 m3/s。

江都第四抽水站的励磁装置经过多次改造。1977年采用的是KGLF11 型可控硅励磁装置。1994年，更新改造为BKL-101C 型同步电动机励装置。该装置主回路采用无续流二极管型半控桥式线路。1998年底，励磁装置改造为LZK-3型同步电动机励磁综合控制器。该励磁系统在原BKL-101C型励磁装置基础上进行改造，增加了励磁综合控制器。2009年改造为LZK-3G型励磁装置，采用三相桥式半控整流技术，10年使用下来因设备老化、故障频发等问题，主要表现在励磁装置设备远程控制和监视不能满足现场需求；励磁在运行时还存在失控现象；电机起动时，励磁装置精准投励较差，导致电机起动失败；励磁运行时，其灭磁电阻有电流通过，使之发热，影响泵站安全；由于水泵负荷波动或电网电压波动，励磁装置反应不够迅速，导致电机失步。当电机运行时，励磁装置会有可控硅损坏现象，导致水泵机组停机。为了满足现代化和智能化管理泵站，励磁装置设备亟须进行改造和升级。

1 LZK-3G型励磁装置存在问题及分析［1］

江都第四抽水站LZK-3G 型励磁装置设备元器件老化严重，功能相对落后，且备品备件无法采购。在开机和运行过程中，故障频发，总结有以下6种：

（1）通讯故障，数据刷新延迟严重，甚至上位机无法读取励磁控制器测量数据，通讯中断。

（2）励磁失控现象。原励磁装置采用三相桥式半控整流技术，只需三路可控硅触发脉冲。其整流结构由正桥臂为三只可控硅，负桥臂为三只续流二极管组成，如图1所示。

图1 三相桥式半控整流原理图Fig.1 Three phase bridge half control rectifier

三相桥式半控整流励磁装置在灭磁回路二极管损坏情况下存在失控现象，一旦励磁装置灭磁需停发正桥臂三只可控硅触发脉冲。由于转子是大电感，负桥臂二极管起续流作用。励磁在灭磁时间内电机转子仍有较大励磁电流，剩余励磁电流将危害人身安全，其失控电压波形如图2所示。

图2 三相桥式半控整流失控电压波形图Fig.2 Out of control voltage waveform of three-phase bridge half control rectifier

（3）灭磁电阻带电发热、变压器发热、可控硅易损。励磁设备存在灭磁电阻长时间带电，引起灭磁电阻发热状况。励磁变压器在强励时发热明显，励磁运行中有可控硅易损现象。

（4）励磁投励失败。现场起动同步电机时，监视系统显示跳车信号，致使电机无法正常起动和运行，最终确认为励磁投励失败故障。

（5）电机失步。泵站在运行中，水泵突然会出现停机现象，经查为励磁装置报电机失步故障。

（6）恒功率因素调节缓慢。

原励磁功率因素调节采用功率因素变送器，信号采集后送至单片机控制系统，其设计原理如图3所示。

图3 恒功率因素测量和控制原理Fig.3 Constant power factor measurement and control

功率因素变送器的硬件配置影响了功率因素调节的实时性和快速性，表现出励磁系统不够稳定，调节缓慢等现象。

2 改造方案

针对以上问题，选用WKLF-102 型励磁装置，它具有以下功能来满足泵站改造和升级要求：

（1）具有通讯网关，将RS485通讯转换为以太网，提高通讯可靠性，励磁数据实时上传至上位机，中控室实时监控励磁运行情况。

（2）采用三相桥式全控整流，励磁变压器和可控硅应考虑在强励、系统电压跌落和长时间过负荷运行等极端条件下，能够运行良好，不发热不损坏。

（3）利用三相桥式全控整流在可控硅触发角85°整流有负电压去关断灭磁回路中的可控硅，使得灭磁电阻脱开转子回路而保持冷态。

（4）分析同步电机异步起动特点，并根据电机转子和定子磁势分析出励磁投励最佳时刻，优化电气原理图设计，使得励磁装置精准投励，解决投励失败问题；软件控制则采用失步再整步保护和双闭环控制，解决电机失步和励磁调节缓慢的问题。

2.1 三相桥式半控整流失控问题解决方法

采用三相桥式全控整流可以解决三相桥式半控整流失控的问题。三相桥式全控整流由于负桥臂是可控硅组成，没有续流，因而停机时不存在失控。数字调节器停发六路可控硅触发脉冲，全桥整流输出立即停止。其控制原理如图4所示。

图4 三相桥式全控整流控制原理图Fig.4 Three phase bridge full control rectifier

三相桥式全控整流，正桥臂、负桥臂分别由三只可控硅组成。模拟量采用软件滤波，可实现现场抗谐波信号干扰［3］。励磁投励后，可控硅触发角α控制在85°时整流输出负电压，利用输出负电压去关断灭磁回路可控硅V7，使得灭磁电阻在励磁运行后可控硅V7 关断而迅速脱开同步电机转子，保证灭磁电阻长时间无电流，保持冷态。

2.2 励磁变压器过热问题解决方法

为了解决原励磁变压器过热情况，应满足以下条件：

（1）励磁变压器应在同步电机1.1 倍额定励磁电流下能够长期运行，且有一定裕量。

（2）同步电机的系统电压下降至80%时，励磁装置保证强励倍数不小于1.4倍。

（3）励磁装置处于最大励磁电流时，保证可控硅触发角不超过10°。

根据以上条件，励磁变压器二次侧电压U21应满足公式：

式中：Ufe为额定励磁电压162 V；ΔU为可控硅总压降2 V；cosα为可控硅最小触发角系数0.986；C为三相桥式倾斜系数0.5；K为强励倍数1.4；XT为励磁变压器漏抗0.04。

根据式（1），U21=223 V，取整后考虑裕度，选取U21为230 V。选取变压器容量时，应考虑变压器损耗和1.1 倍励磁电流同步电机稳定运行，应满足公式如下：

式中：S为励磁变压器容量；U21励磁变压器二次侧电压；Ife为额定励磁电流。

根据式（2），励磁变压器容量S=106 kVA，考虑裕度，可选取励磁变容量110 kVA，电压为400 V/230 V，可保证励磁装置在任何情况下变压器稳定运行。

2.3 可控硅损坏问题解决方法

可控硅损坏原因有过电压和过电流。在选取可控硅时应满足以下条件：

（1）可控硅电压反向重复峰值VRRM，应大于励磁变压器二次侧峰值电压的2.75倍，满足以下：

根据式（3）VRRM=894.335 V，考虑可控硅电压裕度（实际值应大于计算值的2.5倍），可选可控硅反向重复峰值2 600 V。

（2）可控硅在常温下平均通态电流IT，应考虑海拔、环境温度系数、散热器系数，散热风机风速系数等，满足以下：

式中：K1为电流储备系数，取2；K2为桥式电路系数，取0.367；K3为海拔系数，取1.1；K4为风速系数，取1；K5为温度系数，取1；K6风速降低系数，取0.9。

故IT=268.2 A，再考虑可控硅电流裕度（实际值应大于计算值的2倍），可选可控硅平均通态电流600 A。由此，可控硅选取KP600 A/2 600 V，再配备可控硅阻容过压吸收模块和快速熔断器保护，使得可控硅能长期稳定运行。

2.4 投励失败和过早投励引起失步问题的解决方法

同步电机一般以异步起动方式为主，电机将从零转速升至额定转速95%时，励磁以顺极性准确角投励方式投励，并保持几秒的强励动作，强行把电机牵入同步。其投励逻辑图如图5所示。

图5 励磁装置投励逻辑图Fig.5 Logic diagram of excitation device

采用电流霍尔传感器AP1 检测转子滑差情况，判断电机起动时转子感应电流的幅值和频率，捕捉同步电机5%滑差，并进行准确角投励［4］。

同步电机异步起动特点：前期起动定子电流幅值高，其转子感应交变电流幅值也大，且频率高，接近工频50 Hz；后期随着电机不断升速，电机起动定子电流幅值不断衰减，其转子感应交变电流幅值相应减少，频率变小，励磁装置将动作于投励状态，将同步电机牵入同步。

同步电机在异步起动加速过程中，由于定子电压作用形成定子磁势F1，同步电机励磁绕组在异步起动过程中产生交变感应电压，与灭磁电阻形成转子感应电流，从而产生转子磁势为Ff。

F1磁势和Ff磁势夹角在45°～90°时，励磁装置投励。此刻同步电机定子磁场和转子励磁绕组磁场处于顺向吸引区，同步电机易牵入同步且对电网冲击少，产生脉振最小，投励时刻最佳，工程上称为最佳顺极性投励［5］，其F1磁势和Ff磁势图如图6 所示。反之，其他区域投励较为困难，容易发生投励失败，且对电机及电网有较大冲击。

图6 顺极性投励磁势图Fig.6 Excitation potential diagram of forward polarity

励磁装置根据电机起动时转子感应交变电流波形，利用IC1电流霍尔传感器LT308，并通过励磁装置内部运算放大器IC2、IC3和过零比较器IC4，将信号转变为TTL 电平信号，送至微机处理器，其电路原理图如图7所示。

图7 励磁装置投励原理图Fig.7 Schematic diagram of excitation device

励磁装置检测转子感应电流半波周期ΔTHC，当ΔTHC=0.2 s时，滑差即为5%时投励。转子感应电流半波周期与同步电机滑差率满足以下关系：

式中：ΔTHC为转子感应电流半波周期；S为同步电机滑差率；f为转子感应电流频率。

当同步电机转子滑差率S＝5%时，ΔTHC=0.2 S。满足上述条件，励磁装置发出投励信号。其同步电机起动时，转子感应电流波形及微机TTL电平信号如图8所示。

图8 转子感应电流波形及微机TTL波形Fig.8 Induced current waveform of rotor and TTL

另外，凸极效应比较强且转动惯量较小的同步电机，在空载异步起动时，起动电流幅值偏小且衰减过快，进入亚同步时间较短，励磁装置难以捕捉到滑差。在上述情况下，励磁装置将采取定时投励，确保同步电机牵入同步。

励磁装置有滑差投励和定时投励两种投励方式，以顺极性准确角滑差投励方式为主，定时投励方式为辅，这样保证了励磁装置投励准确性，从而解决了励磁投励失败和过早投励引起失步的问题。

2.5 带励失步问题的解决方法

同步电机在水泵水位突增期间或系统电网电压波动不稳定时，如果励磁装置调节反应过慢，就有可能导致同步电机失步，即为带励失步［6］。

带励失步将励磁装置产生的电磁转矩与失步引起感应电流形成的电磁转矩，两者电磁转矩共同作用，引起电机脉振。其电机总电磁转矩为

式中：P为电机总电磁转矩；S为同步电机滑差率；E为同步电机转子电动势；U为同步电机定子电压有效值；Xd'为同步电机超瞬变电抗；θ为转子电动势与定子电压矢量夹角。

同步电机在失步影响下，励磁电流、有功功率和定子电流幅值周期性振荡，导致同步电机的机械振荡；电气振荡和机械振荡两者叠加，使得同步电机受损。

为了解决电机失步，采取失步再整步保护措施。励磁装置在运行过程中应实时检测电机滑差，如电机滑差达到3%要求，励磁装置则判定电机属于失步状态且失步程度较轻，则装置应自动快速灭磁，然后再次判断电机滑差是否小于再整步临界滑差；若满足条件，励磁再次投励并发出强励动作。若同步电机能牵入同步成功，机组则继续运行；若同步电机牵入同步不成功，则励磁发跳电机信号。其失步再整步保护软件流程图如图9所示。

图9 励磁装置失步再整步保护流程图Fig.9 Flow chart of out of step and step protection

励磁装置失步再整步保护有效解决了电机运行过程中失步的问题，但是该保护有一定条件：同步电机失步程度不能太深、电机负载不能过重，即带励失步时的滑差SW和再整步临界滑差SL应满足以下关系：

式中：SW为同步电机带励失步时滑差；SL为同步电机再整步临界滑差。

2.6 恒功率因素调节缓慢问题的解决

可采用双闭环控制模式解决该问题。内环为恒励磁电流控制模式（称手动模式），励磁绕组阻值变化和励磁电源波动都能使励磁电流保持恒定。其控制满足下式：

式中：If1为励磁电流给定；ΔIfd励磁电流变化量；KP比例系数；KI为积分系数。

外环为恒功率因素控制模式或恒无功功率控制模式（称自动模式）。其控制对象是功率因素或无功功率，但此控制模式最终控制对象仍为励磁电流。

在恒功率因素满足公式：

式中：If2为恒功率因素下励磁电流；cosα功率因素变化量；KPα为比例系数；KIα为积分系数；KDα为微分系数。

在恒无功功率下有公式：

式中：If3为恒无功功率下励磁电流；ΔQ为无功功率变化量；KPQ为比例系数；KIQ为积分系数；KDQ为微分系数。

通过机端电流信号和机端电压信号测量，可以计算出电机的无功功率、有功功率、功率因素、视在功率；利用不同控制对象采取不同PID 和双闭环控制模式，实现模拟量快速、精准、良好静态和动态调节的特性。

2.7 WKLF-102现场调试

经过改造和升级后，现场1 号～7 号机组共7 台水泵，对应WKLF-102 型励磁装置分别进行开机调试。以1 号机组为例，图10 为同步电机起动从零转速升速到同步电机牵入同步的定子电流波形，图11为同步电机起动到投励后转子感应交变电流和投励后励磁电流波形。根据同步电机定子电流波动情况判定励磁投励比较平稳；同步电机牵入同步时，定子电流相对平稳，故励磁投励时对电网系统冲击较小。