勵(lì)磁系統(tǒng)整流裝置均流不佳問(wèn)題解決方法

余 振，萬(wàn) 泉

(國(guó)電南瑞科技股份有限公司江蘇南京210061)

均流系數(shù)是勵(lì)磁系統(tǒng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DLT583[1]、GBT7409[2]均規(guī)定功率整流裝置均流系數(shù)一般不小于0.85,以便設(shè)備的容量得到充分合理的應(yīng)用。電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定當(dāng)并聯(lián)運(yùn)行的支路中，有1條支路退出運(yùn)行時(shí)，應(yīng)能保證發(fā)電機(jī)在所有運(yùn)行方式下（包括強(qiáng)勵(lì)）均能連續(xù)長(zhǎng)期運(yùn)行，如均流系數(shù)較低時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁系統(tǒng)退出1條支路后不能滿足強(qiáng)勵(lì)運(yùn)行的電流要求，進(jìn)而影響電廠的安全可靠運(yùn)行，因此均流問(wèn)題現(xiàn)在越來(lái)越受到電廠人員的重視。本文針對(duì)整流裝置均流不佳的各種原因進(jìn)行分析，提出了相應(yīng)的解決方法，并在實(shí)際應(yīng)用中效果較好。

1 影響均流系數(shù)的幾種原因

衡量勵(lì)磁系統(tǒng)整流裝置均流好壞程度的標(biāo)準(zhǔn)是均流系數(shù)，數(shù)值越大均流越好，反之則均流越差。均流系數(shù)K1計(jì)算公式[1]如下：

在任意時(shí)刻，并聯(lián)的2個(gè)支路導(dǎo)通為相同的兩相可控硅。電流分配如圖1所示，交、直流側(cè)電抗參數(shù)、可控硅參數(shù)、換相時(shí)刻和換相過(guò)程都影響T12和T22之間電流分配。T12和T22回路方程列寫如下：

上式在b相導(dǎo)通期間，滿足：

式中：R1a，R2a分別為整流橋l，2 b相交流側(cè)銅排或電纜電阻；R1d，R2d分別為整流橋1，2直流側(cè)銅排或電纜電阻；R1T，R2T分別為整流橋1，2 b相可控硅通態(tài)電阻；L1a，L2a分別為整流橋1，2 b相交流側(cè)銅排或電纜電感；L1d，L2d分別為整流橋1，2直流側(cè)銅排或電纜電感；i1，i2分別為整流橋1，2 b相可控硅電流；V1T，V2T分別為整流橋1，2 b相可控硅通態(tài)壓降或?qū)ㄞD(zhuǎn)折壓降（門檻壓降）；α為整流橋可控硅觸發(fā)角；γ為整流橋可控硅換相角。根據(jù)以上公式分析及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，在可控硅元件沒(méi)有損壞的前提下，影響均流系數(shù)的原因主要有以下幾種。

1.1 交流阻抗影響

對(duì)于交流側(cè)采用銅排互連的整流橋，離交流進(jìn)線處較近的功率柜由于交流阻抗較小通常輸出電流較大，而離交流進(jìn)線處較遠(yuǎn)的功率柜由于交流阻抗較大通常輸出電流較小。不同的進(jìn)出線方式也影響并聯(lián)元件之間電流分配，理想與實(shí)際母排連接方式如圖2所示。這就要求采用合理的布局，盡量減小可控硅整流橋交直流回路阻抗的差異，特別是交流側(cè)感抗的差異。

1.2 可控硅元件的管壓降影響

如圖3所示，并聯(lián)可控硅對(duì)于通態(tài)峰值電壓（VTM）、斜率電阻（RT0）、門檻電壓（VT0）對(duì)均流效果影響較大。在選擇可控硅時(shí)應(yīng)盡量選取上述參數(shù)相近的元件作為同一橋臂的位置進(jìn)行并聯(lián)，最大限度保證各可控硅平均通態(tài)壓降的一致性。

1.3 可控硅元件的開(kāi)通特性

由于可控硅元件導(dǎo)通特性及觸發(fā)脈沖的差異，導(dǎo)致可控硅開(kāi)通存在時(shí)間差異，引起支路電流的差異。如圖4的-C相晚觸發(fā)導(dǎo)致C相電流明顯不均流。

圖4 -C相晚觸發(fā)電流波形

1.4 一次回路上存在接觸不良的情況

由于銅排連接螺絲不合適或者連接不緊導(dǎo)致接觸電阻較大，通常該柜電流比其他柜明顯偏低[3，4]。

2 在線監(jiān)測(cè)手段

對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)均流的監(jiān)測(cè)方法通常有如下幾種：

（1）霍爾元件。由于電流互感器不適用于直流電流的測(cè)量，無(wú)法判斷出各柜的實(shí)際輸出大小，而分流計(jì)精度較低，且串聯(lián)在主電路上，測(cè)量存在安全隱患。用霍爾元件測(cè)量直流電流，弱電回路與主電路隔離，能夠輸出與被測(cè)電流波形相同的“跟隨電壓”，容易與計(jì)算機(jī)或二次儀表接口。其精準(zhǔn)度高，線性度好，響應(yīng)時(shí)間快，頻帶寬，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓。各功率柜的直流側(cè)輸出使用霍爾元件進(jìn)行測(cè)量，輸出電流大小一目了然。

（2）電壓測(cè)量。使用萬(wàn)用表測(cè)量各段銅排的阻抗壓降。采用此方法可以測(cè)量出銅排各段的壓降和可控硅的管壓降，當(dāng)銅排壓接不緊密使得接觸電阻變大或某相可控硅壓降與其他相差別較大時(shí)，利用此方法可以較為快速的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

（3）溫度測(cè)量。使用紅外線測(cè)溫儀可以隨時(shí)檢查每條橋臂上整流元件和快熔的運(yùn)行情況，均流特性差的整流柜，其快熔之間溫差較大，個(gè)別快熔溫升異常，參照該整流柜的均流測(cè)試表可以看出：溫度過(guò)高的快熔壓降大，溫度偏低的快熔壓降小。并且與溫度偏高的快熔連接的元件溫度也偏高，其承受的電流較大，與溫度較低的快熔連接的元件溫度也較低，其承受的電流偏小。因此，均流偏差是導(dǎo)致元件、快熔溫升異常的直接原因。這樣就為均流調(diào)整、測(cè)算找到了一個(gè)新的參照數(shù)據(jù)——快熔運(yùn)行溫度。同理，元件溫度也可以是均流調(diào)整和測(cè)算誤差參照數(shù)據(jù)，這要根據(jù)整流柜的具體結(jié)構(gòu)來(lái)確定[5]。

（4）電流波形分析。配合大電流探頭對(duì)單柜的交流側(cè)進(jìn)行測(cè)量，對(duì)交流側(cè)的電流波形進(jìn)行分析，可找出導(dǎo)通異常的可控硅。在0.122時(shí)刻-C相電流上升波形如圖4所示，可知觸發(fā)延時(shí)致使電流在一整個(gè)導(dǎo)通周期之內(nèi)都沒(méi)有爬升至電流均分點(diǎn)，有效值變化達(dá)到一半以上，兩管均流差值較大。查看交流側(cè)波形，可以檢測(cè)出：①脈沖觸發(fā)引起的不均流問(wèn)題，如脈沖未觸發(fā)、脈沖出發(fā)強(qiáng)度不夠等；②各支路由可控硅元件參數(shù)不匹配引起的不均流問(wèn)題。

3 解決均流問(wèn)題的方法

對(duì)于勵(lì)磁系統(tǒng)均流較差的問(wèn)題，首先應(yīng)結(jié)合上文提到的各種監(jiān)測(cè)手段確定可控硅元件是否工作正常，如元件本身均正常導(dǎo)通，則需要根據(jù)各柜的異常情況實(shí)施最優(yōu)的解決方案。

3.1 調(diào)換可控硅排列次序

對(duì)于可控硅的并聯(lián)使用，要得到大范圍的動(dòng)態(tài)均流，應(yīng)選擇并聯(lián)可控硅元件的RT0，VT0一致（相等最好）。選斜率電阻相近的可控硅元件作為同一橋臂的位置進(jìn)行并聯(lián)，VTM相近僅作為參考。

其優(yōu)點(diǎn)：成本較低，一般情況下采用此方法能解決部分均流問(wèn)題。缺點(diǎn)：可控硅的拆卸較麻煩，受可控硅的參數(shù)影響，此方法有一定局限性。

3.2 交流母排重新設(shè)計(jì)

在整流元器件參數(shù)較匹配或完全一致情況下，有時(shí)候也會(huì)出現(xiàn)不均流的問(wèn)題。在排除了脈沖觸發(fā)與銅排壓接不緊密后，往往由于交流母排設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致：（1）銅排彎折或者接口太多，自感與接觸電阻較大；（2）柜體結(jié)構(gòu)不合理，單相銅排渦流；（3）銅排排列不合理，距離過(guò)近，排間產(chǎn)生互感。

隨著機(jī)組容量的提升，各橋臂的載流能力要求越來(lái)越高，銅排布局對(duì)均流影響越來(lái)越大。電解鋁與離子膜燒堿行業(yè)同相逆并聯(lián)的技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，同相逆并聯(lián)（如圖5所示）特點(diǎn)就是利用導(dǎo)體產(chǎn)生的磁力線相互抵消，減少導(dǎo)排的互感，最終減少母線的交流阻抗，達(dá)到提高功率因數(shù)的目的。采用同相逆并聯(lián)后，還可以減少渦流引起的附加損耗。

其優(yōu)點(diǎn)：能解決由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引起的均流問(wèn)題。缺點(diǎn)：更換銅排成本較高，部分受制于功率柜空間而無(wú)法重新設(shè)計(jì)，只能解決少部分均流問(wèn)題。

3.3 安裝磁環(huán)

磁環(huán)線圈有阻止交流電路中電流變化的特性。通過(guò)調(diào)節(jié)磁環(huán)磁阻的大小來(lái)改變功率裝置的交流阻抗，磁阻越小，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)就越大，等效產(chǎn)生阻抗就越大。如圖6所示，靠近交流進(jìn)線側(cè)的1號(hào)與2好功率柜交流阻抗勢(shì)必小于相對(duì)遠(yuǎn)端3號(hào)功率柜。1號(hào)與2號(hào)功率柜安裝磁環(huán)后，適當(dāng)調(diào)節(jié)磁環(huán)氣隙使得3柜進(jìn)線交流阻抗基本一致從而達(dá)到均流的目的。

其優(yōu)點(diǎn)：使用磁環(huán)增加該功率裝置的交流阻抗，達(dá)到均衡各柜輸出電流的目的，對(duì)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)性能沒(méi)有任何影響，可以解決大多數(shù)均流問(wèn)題。缺點(diǎn)：在單柜輸出較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲；將消耗一定的功率引起發(fā)熱；會(huì)發(fā)生高頻震動(dòng)，磁環(huán)如安裝不緊長(zhǎng)時(shí)間使用后有松脫的隱患[6]。

3.4 智能均流

通過(guò)常規(guī)自然均流方式，勵(lì)磁整流系統(tǒng)一般能夠達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。但近年來(lái)部分電廠要求均流系數(shù)達(dá)到0.95以上，因此部分廠商開(kāi)發(fā)了數(shù)字智能均流功能。其原理是通過(guò)數(shù)字方式對(duì)AVR輸出的可控硅觸發(fā)脈沖進(jìn)行處理，調(diào)整可控硅導(dǎo)通時(shí)刻，從而達(dá)到均流的目的。如圖4波形為某電廠不均流時(shí)單柜輸出波形，采用數(shù)字均流后波形如圖7所示，整體的均流系數(shù)達(dá)到0.99。

數(shù)字式均流與常規(guī)均流相比有一定的優(yōu)勢(shì)：

（1）調(diào)整方法簡(jiǎn)單，調(diào)整方向明確，能夠在線實(shí)施，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整工作量不大。

（2）降低對(duì)可控硅器件參數(shù)一致性要求，從而降低選配難度。

（3）具備較強(qiáng)的交、直流進(jìn)出線變化的適應(yīng)性，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工要求低，能夠比較方便安排整流柜的位置等；

（4）測(cè)量的各可控硅的電流能比較準(zhǔn)確反映各個(gè)可控硅狀況和真正均流情況[7]。

但是數(shù)字均流也存在一定的缺點(diǎn)：

（1）由于在脈沖回路串接調(diào)整電路，降低了系統(tǒng)的可靠性；

（2）數(shù)字均流容易掩蓋可控硅器件本身存在的問(wèn)題，如某相可控硅通態(tài)壓降較差或者觸發(fā)不一致，應(yīng)該對(duì)該相可控硅進(jìn)行更換處理，可是往往此種情況下，由于數(shù)字均流調(diào)整簡(jiǎn)單而更換可控硅較麻煩，于是維護(hù)人員通過(guò)數(shù)字均流的調(diào)整掩蓋了這一問(wèn)題，對(duì)功率柜安全運(yùn)行造成隱患。

（3）長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，可控硅特性發(fā)生變化可能造成均流變差，此時(shí)如強(qiáng)行對(duì)可控硅進(jìn)行均流可能加重特性變化較多可控硅的負(fù)載，縮短可控硅的使用壽命。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)常見(jiàn)的均流問(wèn)題進(jìn)行了歸納總結(jié)，提出了功率柜橋臂電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)辦法，對(duì)均流問(wèn)題給出了相應(yīng)的解決辦法，并且總結(jié)了幾種解決辦法的優(yōu)缺點(diǎn)。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，采用了上述幾種方法后，可以解決絕大多數(shù)的勵(lì)磁系統(tǒng)均流問(wèn)題，均流系數(shù)能提升到0.9以上。勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)試檢修人員可以結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況根據(jù)難易程度選擇最為合適的辦法。

[1]DLT 583—2006，大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)及裝置技術(shù)條件[S].

[2]GBT 7409.3—2007，同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) 大中型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)要求[S].

[3]許其品，魏 偉，王永剛.可控硅整流橋均流的探討[J].水電廠自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2010，34（4）：12-15.

[4]王 偉，石 磊，馬 齊，等.影響并列運(yùn)行可控硅勵(lì)磁整流橋均流的因素[J].水電廠自動(dòng)化，2006（S）：90-96.

[5]陳改琴.整流柜均流系數(shù)測(cè)算方法的改進(jìn)[J].有色冶金節(jié)能，2010（1）：49-51.

[6]余前軍，李自淳，錢厚軍.勵(lì)磁整流柜高性能均流磁環(huán)[J].大電機(jī)技術(shù)，2009（3）：48-50.

[7]許敬濤.整流設(shè)備動(dòng)態(tài)均流技術(shù)[J].中國(guó)氯堿，2010（3）：5-7.