水轮发电机组励磁起励回路对直流电源系统影响的分析

徐勇军 石江华

贵州黔源电力股份有限公司普定发电公司 贵州安顺 562100

1 事故情况

励磁直接影响发电机、发电厂、电网的安全稳定和经济运行。励磁控制系统是发电厂中极为重要的关键设备,主要任务是向发电机励磁绕组提供一个可以根据需要进行调节的直流电压,维持机端电压恒定,满足发电机正常发电的需要,同时控制发电机组之间无功功率的合理分配,提高同步发电机并列运行的稳定性,满足电力系统安全稳定运行的需要。随着电力工业的发展,自并励励磁系统在水轮发电机组中得到广泛应用。励磁系统是发电厂电力系统的核心控制装置之一,励磁系统的合理设计对电力系统而言非常重要,励磁系统设计的可靠性、可维护性、便于操作性等,将影响电力系统的可靠运行,也会影响后期日常维护和检修过程。在自并励励磁系统中,发电机的起励方式有直流电源起励、交流电源起励、残压起励。起励控制回路的设计可靠性关系到发电厂的安全运行。在没有残压起励功能时,使用直流电源起励或交流电源起励,需要向发电机组转子提供很大的电流。这一电流最大时达到额定空载电流的10%,会对发电厂的直流电源系统或交流电源系统造成很大冲击,可能引起继电保护及安全自动装置误动作。

某水电站位于乌江上游南源贵州省安顺市普定县三岔河中游,距贵阳市125 km。水库正常蓄水位为1 145 m,总库容为4.013 7亿m3,为不完全年调节水库。水电站原总装机容量为75 MW,共装设三台25 MW立轴混流式水轮发电机组,年平均发电量为3.16亿kW·h。这一水电站以发电为主,兼有供水、灌溉、养殖、旅游等综合功能。水电站枢纽由碾压混凝土拱坝、坝身泄洪系统、右岸引水系统、右岸岸边式地面厂房及开关站组成。水电站引水系统由进水口、渐变段、引水隧洞、钢筋混凝土岔管、压力钢管段组成,总长约280 m,为一管三机引水型式。水电站于1989年12月开工建设,1993年11月开始蓄水,1994年6月第一台机组发电。投产至今,多数设备已达到经济运行年限,同时受当时设计、制造条件的限制,设备及其配套设施较差,水电站运行过程中出现一系列问题,水轮发电机组老化,线圈绝缘等级低,自动化水平低,多年来事故频发。尤其是水轮发电机组运行稳定性差,高水头额定负荷为25 MW时振动严重。为了避开该负荷下的振动区,调度允许三台机组出力增大至28 MW。多年来,由于机组长期超额定负荷运行,加上定子绕组绝缘水平偏低,使三台机组定子绕组及铁心温度长期超过105 ℃运行,定子绕组流胶严重。加上三台机组效率偏低,三台主变压器及七台厂用变压器损耗大,使水电站年度综合损耗较大。机组长期偏离最优工况运行,加速机组老化和磨损。为保证机组安全运行,于2016年启动三台机组的增容改造工程。其中,1号机组于2018年10月22日开始施工,2019年3月28日并网发电,2号机组于2017年10月29日开始施工,2018年4月10日并网发电,3号机组于2016年10月12日开始施工,2017年4月12日并网发电。

三台机组励磁系统采用自并励励磁系统,起励方式为直流电源起励,直流电源取自厂站直流电源220 V系统。机组励磁系统起励时,对直流电源系统产生巨大冲击和谐波干扰,可能会造成继电保护及安全自动装置误动作。

2 直流电源起励原理

水轮发电机组自并励励磁系统直流电源起励控制回路一般原理如图1所示,控制回路由起励限流电阻BR、起励二极管ZD、起励接触器KM2等元件组成。水轮发电机组自并励励磁系统采用无残压起励功能,起励时需要给转子提供很大的电流,用于转子建立磁场。励磁系统起励控制回路的起励电源取自厂站直流电源220 V系统,当按下起励按钮SB3或接收到远程起励命令时,起励接触器KM2线圈带电,起励接触器KM2的常开触点闭合,将直流220 V电源经过起励二极管ZD和起励限流电阻BR接入转子,向转子提供电流,建立磁场。转子转动切割定子绕组,定子绕组建立三相交流电压。三相交流电压经过励磁变升压后,输出至励磁系统励磁功率柜三相整流桥,作为供电电源。晶闸管整流的直流电压又供给转子,与起励电源并联在一起。当励磁功率柜三相整流桥的输出电压大于直流电源电压时,起励二极管ZD反向截止,直流电源的正极和转子隔离。按下起励按钮SB3或远程起励命令的保持时间短于晶闸管输出电压大于直流电源电压所需时间时,起励接触器KM2线圈失电,起励接触器KM2的常开触点断开,直流电源正极、负极和转子完全断开。按下起励按钮SB3或远程起励命令的保持时间长于晶闸管输出电压大于直流电源电压所需时间时,起励二极管ZD反向截止,直流电源的正极和转子隔离,直至起励按钮SB3释放或远程起励命令消失,直流电源的负极才和转子隔离。励磁系统起励直至起励接触器KM2线圈失电,起励接触器KM2常开触点断开时,都与厂站直流电源220 V系统存在电气回路上的联系,这导致在励磁系统起励时,厂站直流电源220 V系统或多或少会受到励磁系统晶闸管整流桥输出量的干扰,以及为转子提供较大转子电流的冲击,引起厂站直流电源220 V系统电压波动,严重时甚至会导致继电保护及安全自动装置误动作。

3 直流电源起励方式的影响

水轮发电机组自并励励磁系统采用直流电源起励方式时,需要给转子提供一个很大的电流,消耗大量直流电能,这会对厂站直流电源220 V系统产生较大冲击和干扰。晶闸管整流桥输出直流分量和谐波分量在很大程度上也会污染厂站直流电源220 V系统。两者综合影响,会使直流电源220 V系统产生一定程度的电压波动,尤其是起励二极管从导通到截止的时间段,晶闸管整流桥输出直流分量和谐波分量对厂站直流电源220 V系统的干扰最大,引起继电保护及安全自动装置误动作的可能性也最大。

1号机组励磁系统起励时,造成厂站直流电源220 V系统电压剧烈波动,导致某条35 kV出线开关误动作跳闸,故障录波装置开入量误动作。开关跳闸时的故障录波波形如图2所示,可见直流电源220 V系统电压出现两个时间段的波动。第一个时间段为-0.02～0.291 s,出现幅值为183.093～253.2 V的周期性波动,造成302断路器跳位、101线路永久跳闸、1号主变差动保护动作等的开关量出现不同程度的跳变现象。第二个时间段为0.291～0.320 s,出现幅值为119.3～253.2 V的波动,造成35 kV梭沙302线路断路器跳闸动作。

当直流电压为最低值119.3 V时,直流电压的谐波分量见表1。

图1 水轮发电机组自并励励磁系统直流电源起励控制回路一般原理

图2 故障录波波形

表1 直流电压谐波分量 V

从表1中可以看出,奇次谐波对直流的干扰最大,特别是三次谐波,幅值达到16.95 V。

此次励磁系统起励时导致直流电源220 V系统出现波动,对全厂开关量造成扰动,具体情况见表2。-0.02～0.320 s时,开关量变位次数多达500次。第一时间段-0.02～0.291 s内影响的开关量达到四种,占总量的44.4%。第二时间段0.291～0.320 s内影响的开关量达到九种,占总量的100%。

表2 全厂开关量扰动

通过以上分析,水轮发电机组自并励励磁系统在起励时,对直流电源220 V系统产生冲击和谐波干扰,这是造成35 kV断路器误跳闸和故障录波装置开入量误动作的直接原因。

4 整改措施

针对励磁系统起励对直流电源220 V系统产生冲击和谐波干扰,造成35 kV断路器误跳闸和故障录波装置开入量误动作,对励磁系统起励回路进行研究分析,从可行性角度出发,制订了整改措施。在起励回路负极回路中串入一个起励二极管ZD1,如图3所示。起励二极管ZD1与原起励二极管ZD配合使用,励磁系统起励时转子电压高于起励电源电压,起励二极管ZD和ZD1均截止,起励电源完全和发电机组转子隔离,由此减小对直流电源220 V系统的冲击和谐波干扰。

对励磁系统起励控制回路进行整改后,在励磁系统起励时对直流电源电压进行录波,录波波形如图4所示。对录波数据分析,励磁系统起励造成直流电源电压波动范围为215.2～232.07 V,扰动时长为2.5 ms。当直流电压为最低值215.2 V时,直流电压的谐波分量见表2,可知谐波分量很小。调查故障录波装置,录波开关量未启动,由此可见励磁系统起励对直流电源系统的冲击和干扰很小,对其它设备的安全运行无威胁。

图3 整改措施

图4 整改后录波波形

表3 整改后直流电压谐波分量 V

5 结束语

直流电源起励的水轮发电机组,在起励瞬间会对厂站直流电源220 V系统生产冲击和谐波干扰,直接影响继电保护及安全自动装置的安全运行。通过对水轮发电机组励磁起励回路对直流电源220 V系统的影响进行研究分析,提出在励磁系统起励回路负极回路中串入一个起励二极管。这一起励二极管与原起励二极管配合使用,当转子电压高于起励电源电压时,两个起励二极管均截止,起励电源完全和发电机组转子隔离。对整改前和整改后的水轮发电机组自并励励磁系统进行直流电源起励,分析对直流电源220 V系统产生的冲击和谐波干扰。在励磁系统起励回路负极回路中串入一个起励二极管后,可以大大减小对直流电源220 V系统的冲击和谐波干扰,保证继电保护、安全自动装置及其它设备的安全运行。