U N I T R O L5000型勵磁系統在首鋼京唐自備電站的應用

張海忠

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司能源與環境部，河北唐山063200）

1 引言

首鋼京唐公司自備電站位于河北省唐山市曹妃甸工業區，是國家十一五規劃內首鋼搬遷工程中最重要的項目之一，設計裝機容量為2×300M W，電能主要供京唐公司生產使用，因此，系統穩定可靠運行才能保證全公司的生產順利進行，而勵磁系統作為整個發電系統中最重要的組成部分，其控制性能的好壞直接影響電網的質量。

2 發電機的勵磁方式

從汽輪發電機的發展歷史來看，其勵磁系統主要分為如下幾種：

（1）直流勵磁機勵磁系統

早期的中小型汽輪機發電機容量較小，所需的勵磁容量也較小，因此采用直流勵磁機勵磁，結構較簡單，操作也比較方便。直流勵磁機是與主發電機同軸旋轉，速度較高，受換向器（整流子）的限制，容量不能做得太大，一般使用于50M W以下的汽輪發電機[1]。

（2）交流勵磁機勵磁系統

交流勵磁機勵磁系統又稱之為三機勵磁系統，是由發電機、主勵磁機、副勵磁機三者在同一軸上一起旋轉，如圖1所示，副勵磁機一般采用永磁電機或中頻電機（400～500H z），主勵磁機為交流勵磁機（100～200H z），副勵磁機整流橋一般為半控橋，主勵磁機整流橋一般為二極管不控橋。其中又根據主勵磁機整流橋是否旋轉，三機勵磁系統可分為交流勵磁機靜止勵磁系統和交流勵磁機旋轉勵磁系統（即無刷勵磁系統）。

在交流勵磁機靜止勵磁系統中，主勵磁機整流裝置是靜止的，主勵磁機的勵磁繞組為轉子，電樞繞組為定子。和直流勵磁機勵磁系統一樣需要配滑環、碳刷、滅磁電阻和滅磁開關等部件。因有滅磁回路，當系統和發電機發生故障時能盡快切除機組，減輕事故。它的滅磁時間較短，切機時間較快，對系統穩定性有好處。這種系統原蘇聯的發電機采用較多，我國100M W及以上的汽輪發電機多數也是這種勵磁方式。

在交流勵磁機旋轉整流勵磁系統中，主勵磁機為旋轉電樞同步電機，其勵磁繞組為定子，電樞繞組為轉子，主勵磁機整流裝置和三機同軸旋轉，其優點是無碳刷、滑環、整流子等，不會有碳刷的冒火問題，運行維護方便；不產生碳粉和銅末，因此不會導致電機繞組絕緣污染而降低絕緣水平。缺點是勵磁回路無滅磁裝置，電機或系統發生事故而跳閘后，電機靠自然滅磁，時間相對較長；無法直接測量和觀察勵磁電流和電壓。采用無刷勵磁系統以美國西屋、德國西門子、法國阿爾斯通等公司居多。我國引進西屋技術生產的300M W和600M W發電機也采用這種勵磁方式[1]。

圖1 交流勵磁機勵磁系統

三機勵磁系統的優點為勵磁機為交流發電機，勵磁容量不受限制；缺點是旋轉部件較多，勵磁系統發生故障的可能性也較多，另外軸系較長、軸承座較多，易引發機組震動超標。

（3）自并勵勵磁系統

自并勵勵磁系統又稱靜止勵磁系統，如圖2所示。這種勵磁系統的特點是：無主、副勵磁機，勵磁電源取自發電機端，經勵磁變壓器及可控硅整流器供給發電機勵磁繞組勵磁；無旋轉部件，結構簡單，軸系短，軸承座少；勵磁回路中有滑環、碳刷、滅磁裝置，響應速度快；可以提供較大的勵磁功率[2]。

圖2 自并勵靜止勵磁系統

自并勵勵磁系統的優點是：①軸系長度短，軸承座少，從而可以降低軸和軸承座的振動值，提高機組安全運行水平。②旋轉部件少，故障率大為降低，可靠性高，維護量小。③響應速度快，調節能力強，可以提高電力系統穩定性。

由于該勵磁方式的突出優點，且隨著電力電子器件和控制技術的日漸成熟，其成本在不斷降低，可靠性不斷提高，因此該勵磁方式在國內外大中型機組已普遍采用。

（4）電壓源可控整流勵磁系統（G e n e r e x-P S S）

電壓源可控整流勵磁系統屬于靜止勵磁系統范圍，它是美國G E公司近年來開發的一種新型勵磁系統，但與自并勵勵磁系統又有較大區別，這種勵磁系統的特點是：勵磁電源取自定子繞組內獨立的一套附加繞組，經勵磁變和整流裝置后供給發電機勵磁。因勵磁電源取自發電機內部，因此不受系統干擾的影響，另外其滅磁方式也較為特殊，G e n e r r e x-P S S勵磁系統與自并勵系統一樣無旋轉部件，縮短了軸長，減少2～3個軸承座，可改善軸系振動值，提高軸系穩定性；但該系統也需滑環和碳刷[1]。

3 系統的組成和功能

本公司2×300M W自備電站項目主要的大型設備均為國產，汽輪機為哈爾濱汽輪機廠制造，型號為C N 300-16.7/537/537型（合缸），型式為亞臨界一次中間再熱單軸兩缸兩排氣，單抽供熱凝氣式汽輪機。發電機為哈爾濱發電機廠制造，鑒于自并勵勵磁系統的優點和國外設備的成熟可靠，本系統采用A B B公司的 U N I T R O L5000型靜止勵磁系統，發電機及勵磁系統主要的參數如下：

發電機型號：Q F S N-300-2

視在功率：353M V A

有功功率：300M W

最大連續輸出功率：330M W

功率因數：0.85（滯后）

定子電壓：20k V

定子電流：10190A

勵磁電壓（計算值）：365V

勵磁電流（計算值）：2642A

頻率：50H z

轉速：3000r/m i n

效率：99.02%

定子繞組接線方式：Y Y

相數：3

勵磁方式：自并勵靜止勵磁

UNITROL L5000是UNITROL系列的第五代勵磁調節器，用于同步發電機靜止勵磁系統，通過可控硅整流橋控制勵磁電流來調節同步發電機端電壓和無功功率。系統主要包括四個主要部分：勵磁變壓器（T02），兩套相互獨立的勵磁調節器（A 10，A 20）；可控硅整流橋單元（G 31……G 34）；起勵單元（R03，V03，Q03）和滅磁單元（Q02，F02，R02），如圖 3所示[3]。

圖3 U N I T R O L5000系統原理框圖

其工作原理為：在靜態勵磁系統中，勵磁電源取自發電機機端，同步發電機的磁場電流經由勵磁變壓器T02、磁場斷路器Q02和可控硅整流橋G 31…G 34供給。勵磁變壓器將發電機端電壓降低到可控硅整流橋所需要的輸入電壓、為發電機端電壓和磁場繞組提供電氣隔離以及為可控硅整流橋提供整流阻抗。可控硅整流橋G 31…G 34將交流電流轉換成受控的直流電流Ⅰf。

本公司所采用的勵磁裝置具體型號為A 5 S-O/U 2 n 1-A x x x x，勵磁調節器為雙通道自動方式，n-1冗余設計；整流器件型號為U N L13300，整流橋的每個橋臂為一個可控硅器件，三相六脈沖；交流斷路器安裝在勵磁變壓器低壓側。每套系統包含5個控制柜，從左到右依次為：勵磁調節器柜1個、滅磁起勵和直流出線柜1個、功率柜3個、交流進線和磁場開關柜1個。

（1）勵磁調節裝置

根據系統要求，勵磁調節器采取雙通道（A 10和A 20）結構。每個通道是一個主要由主控板（C O B）和測量單元板（M U B）構成的獨立的處理系統，主控板C O B是調節器的核心，所有的調節、限制保護、控制及脈沖生成等功能均在C O B中發生。測量單元板M U B用于快速處理發電機出線端的三相電壓和電流型號，并將調理后的信號送至勵磁調節器。

接口模塊如快如輸入輸出板（F I O）和主回路信號接口板（P S I）等可以為上述控制板提供測量信號和控制信號的電氣隔離。

U N I T R O L5000還具有強大的串行通信功能，如具備M o d b u s串聯接口。在勵磁系統內，控制和狀態信號是通過A R C n e t網實現的。磁場斷路器跳閘回路還附加了硬件回路。

勵磁調節裝置具有發電機機端電壓調節、勵磁電流調節。勵磁監視保護功能和可編程邏輯軟件等功能。

（2）起勵單元

一般情況下，U N I T R O L5000可實現殘壓起勵，連續觸發可控硅整流橋，以二極管整流橋模式將電壓升至電子控制回路能夠正常工作10V～20V的范圍。

如果因長期停機等原因造成在幾秒鐘內無法用殘壓建立起正常工作所需要電壓，則啟用備用起勵回路，由V03、R03和Q03組成，用他勵方式建立這一電壓。當機端電壓達到發電機額定電壓的10%時，整流橋已能接管勵磁控制，起勵單元自動退出，軟起勵過程開始并將發電機電壓升到預定水平。整個起勵過程的控制和監測都是由A V R軟件實現的。

備用起勵回路需要的電流很小，從而可以在大容量發電機勵磁系統中實現直流起勵，并且由于起勵電阻的阻值可以很高，起勵時的勵磁時間常數（L/R）也隨之大為減少。

（3）整流裝置

本系統配置3面整流柜（+E G.1～+E G.3），對應3組整流單元，每個整流單元包括：三相可控硅整流橋，整流橋接口板（C I N）、門極驅動板（G D I）和整流橋顯示單元（C D P）。3個整流單元互為備用。

可控硅整流橋可以連續提供1.1倍額定強勵電流和頂值強勵電流，由6只雙側冷卻的可控硅組成，每只可控硅上都串聯一個快速熔斷器，可將有故障的可控硅分支隔離，保護其他可控硅和快熔免受損壞，熔斷器動作時彈簧帶動微動開關進行控制和報警。

整流橋接口板C I N是一個獨立的控制和調節部件，主要功能是向門極驅動板G D I發送用于觸發三相全控整流橋的的脈沖列，并完成整流裝置部件的監控和控制、通過A R C n e t與C O B進行通信等功能。

門極驅動板G D I采用脈沖變壓器為主回路和控制回路之間提供電氣隔離，并將脈沖信號放大到晶閘管觸發所必需的電壓水平，脈沖變壓器一般安裝在G D I板上。

單個機柜采用強迫風冷，兩組風機冗余冷卻方式，風機的運行和故障信息可在功率柜的C D P上顯示和報警。C D P還可以顯示整流橋各臂的導通狀態、C I N狀態以及整流橋輸出電流等。

（4）滅磁單元

滅磁設備的作用是將磁場回路斷開并盡可能快地將磁場能量釋放。滅磁回路主要由磁場斷路器Q02，滅磁電阻R02、晶閘管跨接器F02及其相關的脈沖閉鎖元件組成。

在額定勵磁電流小于 4500A的發電機組中，一般采用交流滅磁。首先，在整流橋出現內部短路的情況下，它能可靠地將整流橋與電源斷開，防止事故擴大。此外，在電源側為檢修和維護工作提供了明確的斷開點，保證了操作人員的安全。當勵磁電流更大時，則采用快速直流磁場開關方案。

滅磁過程由來自發電機保護的或內部的勵磁保護跳閘命令啟動，同時作用于斷開交流磁場斷路器，閉鎖脈沖和觸發跨接器，將轉子電流導入滅磁電阻。由于脈沖被閉鎖，勵磁變副邊交流電壓被疊加到磁場斷路器的電弧電壓上，可以縮短滅磁時間。

滅磁電阻的額定值與磁場斷路器的弧壓和勵磁繞組允許的最大電壓相匹配。其能容選擇則以能夠吸收故障條件下勵磁繞組中因感應電流而存儲的最大滅磁能量為準。

并網后，勵磁系統可工作于A V R方式，調節發電機的端電壓和無功功率，或工作于疊加調節方式，實現恒功率因數控制、恒無功調節以及可以接受電廠調度指令的成組調節等。

4 小結

自1#機組2009年5月投運以來，其勵磁系統已正常運行將近一年時間，設備工況基本穩定，但也發生過因勵磁系統故障導致的發電機跳機事故，從中也暴露出目前所存在的一些問題：

（1）勵磁系統中，有些特定的報警或跳機定值設定未結合本廠的實際情況，依賴設備提供方專家的經驗值，可能造成系統誤報警或者誤動作。需對本廠設備的一些參數進行重新測定和標定，綜合考慮本廠實際工況和專家經驗值，對重要的參數定值進行重新確定，在保證系統安全正常工作的前提下，盡量減小誤報警和誤動作，從而避免一些不必要的停機事故，減小損失，提高生產效率。

（2）技術問題過度依賴設備廠家，本單位相關專業人員對設備的結構和原理等知識儲備和相關經驗嚴重不足。當勵磁系統出現一些報警或者常見故障時，無法及時采取合理有效的措施進行處理，使得設備故障演變成跳機停產甚至不可挽回的永久性設備損壞。設備管理人員應該高度重視專業技術水平的提高，有針對性的進行學習提高，單位也應當組織相關的設備廠家對本單位的專業技術人員進行強化培訓，提供完善的技術資料，組織完成勵磁裝置常見故障處理預案。可能的情況下，有必要對電氣或自動化專業進行細分，抽調相關專業人員組建傳動控制小組，專門負責部控設備的大中型勵磁系統、變頻系統、軟起動設備等傳動控制裝置的專業技術工作。能夠及時處理常見的故障，減少停機次數或縮短停機時間。

（3）勵磁系統的維檢單位技術力量薄弱，無法完成設備的維護工作。應當加對強維檢單位的技術要求，督促其不斷提高設備維護的技術水平。本單位設備管理人員和設備廠家技術支持人員進行溝通協調，準備一些常見的易損件做備用，并能夠獨立組織完成部件的檢查更換等維護工作。

[1]毛國光.我國汽輪發電機勵磁系統發展概況[J].電網技術，1997(12).

[2]李基成.現代同步發電機勵磁系統設計及應用[M].北京：中國電力出版社，2002.

[3]U N I T R O L5000勵磁系統手冊[S].A B B，2002.

[4]馮桂清，宋順一.靜態勵磁系統與三機勵磁系統的比較[J].發電設備，2001(2).

[5]王兆安，黃俊.電力電子技術[M].第4版.北京：機械工業出版社，2004.