NES6100型励磁调节器电源回路优化研究

2023-06-17王金虎秦志勇

仪器仪表用户 2023年7期

王金虎，孙晖，秦志勇

（浙能阿克苏热电有限公司，新疆维吾尔自治区阿克苏 843000）

0 引言

发电机励磁系统在电力系统中起着非常重要的作用，随着大电网的互联运行以及电力系统容量不断倍增，加之快速励磁装置的广泛应用，电力系统也出现了许多新的问题。例如，由于系统阻尼不足出现的低频振荡，远距离输电线路的串联补偿电容引起的次同步振荡及轴系扭振，系统无功不足、无功功率平衡破坏导致的电压崩溃，这些都威胁着电力系统的稳定运行[1-3]。因此，提高励磁系统运行的可靠性和稳定性显得尤为重要，对于电网和发电机的安全稳定运行具有重要的实现意义[4,5]。

本文研究了某热电公司实际运行过程中励磁系统运行存在的安全隐患，通过对励磁调节器电源部分的改进，简单的接线方式，使可控硅励磁系统的运行更加可靠[6]。消除了单一电源开关跳闸引起两套励磁调节器同时故障而使发电机失磁跳机的安全隐患，为火电机组励磁调节器安全运行及优化改造提供参考。

1 励磁调节器基本情况及运行隐患

1.1 励磁调节器基本情况

某公司励磁系统采用机端自并励静态可控硅整流方式，主要由励磁变、三相全控桥式整流装置、灭磁装置、起励装置、微机励磁调节器等组成。励磁交流电源取自发电机机端，发电机机端电压经励磁变压器降压整流，通过灭磁开关（磁场开关）供给发电机转子绕组，建立旋转磁场，控制励磁电流来调节同步发电机机端电压和无功功率。

发电机励磁系统均采用国内某公司制造的NES6100型号励磁调节器，调节器控制单元采用高性能微处理器PowerPC 和两块支持高速浮点运算的数字信号处理器DSP构成的多核硬件平台，采用嵌入式实时多任务操作系统，模块化软件程序设计，并配备网络化的人机交互系统。

1.2 励磁调节器运行安全隐患

1.2.1 直流环路互窜隐患

该公司每台机组配置两段220V 直流母线，分别配置一套直流绝缘监测装置。由于原直流绝缘监测装置功能单一，2021 年5 月结合机组检修，对1 号机220V 直流绝缘监测装置进行了换型升级，并在直流系统每一支路上加装高精度漏电流传感器，提高了直流回路绝缘监测的灵敏性。当直流系统发生异常时，直流绝缘监测装置启动选线，可监测直流系统正极接地、负极接地、正负极同时接地、环路互窜、蓄电池接地等主要故障，故障信息显示在装置屏幕上。

2021 年06 月17 日，1 号机组检修结束后，励磁系统灭磁开关两路控制电源恢复送电，220V 直流1A 段绝缘监测装置报“主屏A 段12 路环路互窜告警”，220V 直流1B段绝缘监测装置报“主屏B 段12 路环路互窜告警”，检查确认报警支路分别为1 号机灭磁开关控制电源1，1 号机灭磁开关控制电源2。

1 号机组220V 直流绝缘监测装置在换型后监测到直流环路互窜，是新换型的绝缘监测装置问题，还是励磁系统二次回路存在隐患，引起了高度关注。经过分析研究发现1 号机灭磁开关两路控制电源环路互窜报警实为励磁调节器二次回路设计缺陷导致，换型前的直流绝缘监测装置因功能较为单一，而一直未能发现环路互窜的缺陷。

正常情况下，两套直流系统独立运行。由于各种原因使直流系统之间电气连接形成环网，在直流系统故障时可能会导致继电保护装置无法正确动作，使得在系统发生故障时扩大事故范围[7,8]。

1.2.2 发电机失磁隐患

2021 年，1 号机励磁调节器开展静态试验过程中，在拉开1 号机B 套励磁调节器装置直流电源总开关时，发现A 套、B 套励磁调节器开入信号异常。经检查二次回路，发现1 号励磁调节器开入电源为单电源，取自B 套励磁调节器直流电源，同时供两套励磁调节器使用，如果B 套励磁调节器直流电源故障，则会造成A 套、B 套励磁调节器同时失去开入电源。机组运行过程中，如果因单一电源开关跳闸而引起两套励磁调节器同时故障，那机组必然因失去励磁而跳机。如果电力系统中无功功率储备不足，将使系统中邻近点的电压低于允许值，破坏负荷与各电源间的稳定运行，甚至造成系统电压崩溃[9,10]，存在非常大的安全隐患。后经进一步检查，采用同类型励磁调节器的2 号机组也存在同样的安全隐患。

2 励磁调节器二次回路优化

2.1 励磁调节器脉冲电源回路优化

直流环路互窜虽然未造成实质性故障而影响机组安全运行，但本着防患于未然的初衷，公司电气技术人员对励磁调节器脉冲电源原理图进行了深入分析研究，发现1 号机励磁调节器灭磁开关有两个跳闸线圈，其两路控制电源分别取自220V 直流1A 段和220V 直流1B 段，任一路跳闸回路动作后，会同时断开脉冲触发电源，使功率柜的可控硅关断。由图1 可知，断开脉冲触发电源通过一个中间继电器KA1 实现，此设计导致灭磁开关两路直流控制电源的负极通过KA1 线圈连接在一起了，从而导致220V 直流1A 段和220V 直流1B 段产生负极环路，影响了直流系统的稳定运行。原有励磁调节器脉冲电源回路原理图如图1 所示。

图1 励磁调节器脉冲电源回路原理图（原图）Fig.1 Schematic diagram of excitation regulator pulse power supply circuit（original drawing）

为此，拟定二次回路优化方案如下：拆开1 号机励磁调节器脉冲电源控制回路中KA1 继电器处的并联点，在KK-19、KK-20 号端子之间增加一个中间继电器KA2，在脉冲电源回路KA1 继电器辅助触点后，串联KA2 继电器的常闭触点，实现灭磁开关跳闸后KA1 或KA2 继电器任一动作均可断开脉冲电源，如图2 所示。

图2 励磁调节器脉冲电源回路原理图（优化后）Fig.2 Schematic diagram of excitation regulator pulse power supply circuit (optimized)

2022 年5 月，1 号机组检修期间实施了优化方案。二次回路优化后，实现了继电器KA1 配合灭磁开关第一路跳闸线圈动作后断开脉冲电源，继电器KA2 配合灭磁开关第二路跳闸线圈动作后断开脉冲电源，使灭磁开关的两路直流控制电源不再直接连接，从而避免产生环路互窜现象。改造完成后，对1 号机励磁调节器进行了小电流试验及灭磁开关传动，验证了脉冲电源回路的正确性、可靠性，证明二次回路优化解决了灭磁开关跳闸封脉冲回路引起的两路控制电源环路互窜问题，有效提高了220V 直流1A 段、1B 段分列运行的可靠性。

2.2 励磁调节器开入电源优化

1 号机A 套、B 套励磁调节器装置均由双路电源（一路交流、一路直流）供电，任一路失电均不影响励磁调节器装置运行。两套励磁调节器共用一路开入电源，该开入电源取自B 套励磁调节器装置直流电源。如图3 所示，开入电源开关Q6 与B 套励磁调节器直流电源开关Q4 同源。在1 号机组运行中，若Q4 开关跳闸，则不影响B 套励磁调节器运行，但若Q4 开关的进线电源开关跳闸，则会使两套励磁调节器开入电源失电，导致两套励磁调节器失去开入电源而故障，引起机组失磁跳机。原有励磁调节器开入电源原理图如图3 所示。

图3 励磁调节器开入电源原理图（原图）Fig.3 Schematic diagram of excitation regulator input power supply (original diagram)

为此，基于对励磁调节器开入电源原理图的分析研究，拟定优化方案如下：在1 号机励磁调节器装置开入电源开关Q6 上端，增加“由直流接触器K70 构成的双电源自切换回路”。电源1 取自A 套励磁调节器直流电源开关Q3 的进线，电源2 取自B 套励磁调节器直流电源开关Q4的进线，如图4 所示。机组运行中，Q3 开关的进线电源和Q4 开关的进线电源均正常，K70 接触器得电，其常开辅助触点（1 和2、3 和4）闭合，常闭辅助触点（R1 和R2、R3 和R4）断开，开入电源开关Q6 由Q3 开关的进线电源供电；当Q3 开关的进线电源失电时，K70 接触器失电，其常开辅助触点（1 和2、3 和4）断开，常闭辅助触点（R1 和R2、R3 和R4）闭合，开入电源开关Q6 由Q4 开关的进线电源供电，从而确保了开入电源不会失电。

图4 励磁调节器开入电源原理图（优化后）Fig.4 Schematic diagram of excitation regulator input power supply (optimized)

2022 年5 月，1 号机组检修期间实施了优化方案。二次回路优化后，单路直流电源改为双路直流电源自动切换，从而实现当某一套励磁调节器直流电源进线因故失电时，不会导致开入电源失电，提高了励磁调节器运行的可靠性。改造完成后，结合励磁调节器小电流试验进行了开入电源切换测试，验证了双电源自动切换回路的可靠性及开入电源的正确性。证明二次回路优化消除了单一电源开关跳闸引起两套励磁调节器同时故障，而使发电机失磁跳机的安全隐患。