勵磁均流系數的提高與優化

邢瑞江

（華電電力科學研究院，浙江杭州 3100 30）

0 引言

山西某電廠為2×135 MW發電機組，勵磁裝置配置為南京南瑞公司生產的SAVR-2000發電機勵磁調節器，其兩臺可控硅整流裝置型號為FLZ-1000，額定電流為1350 A，采用雙窄脈沖觸發可控硅的三相全控整流電路。兩臺可控硅整流裝置自投運以來整體工作穩定。

2012年，兩臺可控硅整流柜的轉子電流出現較大的不平衡。隨著勵磁電流分配不均的問題日趨嚴重，整流裝置中負擔重的元件有可能最先損壞，接著加重其他元件的負擔，從而引起其他元件也相繼損壞。因此對于可控硅整流柜的均流問題應予以足夠重視。

1 均流系數

均流系數是指并聯運行各支路電流的平均值與最大支路電流值之比。根據GBT 7409.3-2007《同步電機勵磁系統大、中型同步發電機勵磁系統技術要求》規程第5.19條的規定，功率整流裝置的均流系數應不小于0.85[1]。

在不同的發電機功率點下，測量計算勵磁功率整流裝置的均流系數是不一樣的。均流系數是隨著勵磁總電流的增大而上升，越靠近額定勵磁電流，均流系數越高。一般在功率整流裝置總輸出電流為80%～100%額定勵磁電流時，讀取勵磁電流和各功率整流裝置的電流來計算均流系數。各功率整流裝置的電流也可通過回路的分流器壓降換算得出。

2 可控硅整流裝置原理

可控硅整流裝置的核心是三相可控硅整流橋。

圖1 整流柜主回路接線圖及波形圖

同步發電機的半導體勵磁大多采用三相全波全控整流電路。在三相全波整流接線中，六個橋臂元件全都采用可控硅?？煽毓栌址Q晶閘管[2]，其構成的整流電路可將交流電轉變成直流電供給直流負載，逆變電路又可將直流電轉換成交流電供給交流負載。

可控硅元件需要靠觸發電路實現換流。觸發電路是將控制電壓信號轉變成觸發角信號，通過向晶閘管提供門極電流，決定各個晶閘管的導通時刻。為減少門極損耗，觸發信號一般采用脈沖形式。觸發脈沖有寬脈沖、雙窄脈沖或脈沖陣列等形式。對于三相全橋式整流電路，要求觸發脈沖信號是間隔60°的雙窄脈沖或大于60°小于120°的寬脈沖（一般取80°～100°）或脈沖列。

3 電流不均問題的產生

2012年10月份以來，發電機正常運行過程中，出現兩臺勵磁可控硅整流柜的轉子電流出現較大的不平衡現象，整流柜A柜輸出轉子電流400 A左右，B柜輸出轉子電流700 A左右。經檢查，勵磁可控硅整流柜無異常，兩套整流裝置觸發角也基本相同。不過整流柜設計時，充分考慮了整流柜的冗余度，單臺整流柜就可以滿足轉子電流運行要求[3]。一臺機組用兩套整流柜的目的就是從安全運行的角度考慮，即使一套整流柜出現故障，另一套也可以滿足運行要求。因此，為保障冬季供熱和發電需求，一直保持生產運行，同時加強設備巡視。

2013.1～2013.6月份勵磁整流裝置均流系數測試數據見表1（以0.85為基準）。

2013年7月份，機組開始停機大修。檢修期間，通過做可控硅整流柜各項試驗，檢查晶閘管元件和回路，試圖發現問題的根源。

首先通過小電流試驗來觀察各個整流柜輸出電壓的波形，驗證脈沖回路是否有問題。分別對兩個整流柜進行了小電流試驗，通過示波器觀測波形和理論計算直流側輸出值，小電流試驗正常，脈沖回路正常，可控硅觸發導通正常。測試數據見表2。

兩臺整流柜同時小電流試驗波形比較，試驗結果兩波形重合，直流輸出電壓一致。波形比較圖如圖2所示。

表1 勵磁整流裝置均流系數測試值

表2 勵磁整流裝置小電流試驗值

通過上述檢查測試，說明兩套整流裝置觸發角基本相同，小電流試驗正常，勵磁裝置可控硅整流回路未發現異常。

圖2 兩臺整流柜同時小電流試驗時輸出波形比較圖

4 均流的優化與改造

均流系數不達標的問題是可控硅整流裝置并聯運行中經常存在的現象。我們可以根據經驗積累和試驗測試，結合現場具體的情況進行分析，對應采取不同的解決方法，提高和優化均流系數。

（1）轉子整流回路可控硅元件的優化

可控硅在選型時，為了滿足勵磁系統正常運行以及強勵工況下的運行要求，設計過程中要充分考慮容量的裕度。這樣勢必會造成單柜在機組正常運行中的輸出電流與額定輸出電流相比有一定的富裕容量。考慮到均流至少要在單柜輸出達到50%的額定電流時來計算才有意義，因為工程設計在可控硅選型時的依據是額定工作點的伏安特性曲線盡量一致，所以在較低負載時一致性不好是很正常的。

在選用可控硅整流元器件時，即使能選用正向特性完全一致的元器件（實際是不可能的），組裝時由于元器件、快熔等接觸電阻的影響，在導通時仍然會產生一定的電阻壓降不平衡。可控硅整流裝置并聯支路具有相同的電壓降，當正向伏安特性不一致的可控硅元件并聯在一起時，各支路就會流過大小不同的電流，這種情況就造成了回路不均流。

對此，首先對可控硅進行合理選配和調配[4]，使得可控硅的各個并聯支路的平均通態壓降和回路等效阻抗盡可能接近相等，并保證可控硅的散熱條件相同。

通過合理的搭配，使各元件開通時間的偏差均小于20 μs，正向壓降的偏差也小于0.05 V，元件的額定電流滿足1.1倍的冗余。

對于選配并聯元件有困難的情況，還有一種方法是在可控硅的橋臂或整流橋的三相交流的輸入端接入均流電抗器或均流電阻或磁環。但此處理措施比較繁雜，我們沒有采用。

（2）交流進線回路的改造

交流進線的布局不合理，連接方式不對稱，均會造成交流母排的等效電阻不同，進而對均流系數造成影響。，連接的銅排及元器件的螺絲出現連接不緊固的情況也會導致交流側的阻抗有差異。另外，快速熔斷器電阻特性也不可能完全一致，在長時間的運行過程中，銅排與快熔接觸面也會氧化。這些都會造成交流進線回路的阻抗出現差異，引起均流效果不良情況的發生。

針對這種情況，根據機組狀態的不同，采取了不同的處理措施。當機組處于長期運行狀態，用點溫槍或紅外成像儀測量每個連接螺絲處的溫度，檢查連接處是否存在溫度過高的情況；當機組處于停機狀態，將所有螺絲緊固一遍，緊固力度盡可能保持一致和適中，減少硬件的一次回路接線電阻的影響。在機組處于檢修期間，優化交流進線的布局，將勵磁變低壓側交流進線位置改造處于兩個整流柜中間，各整流柜的勵磁交流進線采用對稱的布局，使兩臺可控硅整流柜交流進線距離基本相等，電阻、自感和互感的影響也大致相等，并重新緊固了兩個整流柜交流刀閘、直流刀閘、交流進線銅排、銅排與散熱片、直流銅排、快熔與銅排連接處的螺絲，同時對交直流刀閘觸頭上使用導電膏，減小接觸點的接觸電阻。

（3）脈沖觸發回路的優化

可控硅元件是通過觸發電路實現換流。如果各支路觸發電路的觸發角有偏差，通將影響各個晶閘管的導通時刻，當導通不同步時，也會造成支路電流不均衡的現象。因此，要首先檢查每個整流柜子上脈沖端子是否緊固；整流柜脈沖盒上六個紅燈是否正常。同時可以用示波器觀察脈沖放大板的輸出波形是否缺失或者一致，觀察整流柜的輸出電壓波形是否缺失或者一致。若出現脈沖缺失或者不一致的情況，則可能是脈沖回路中的二極管損壞或者相應的脈沖觸發回路受到了干擾等原因。

針對這種情況，可選用可調觸發角的脈沖放大板，在不同負荷下調節各整流柜的輸出電流。其原理是通過比較并列運行可控硅整流柜的輸出電流的大小，微調觸發脈沖位置，進而改變輸出電壓，使難以開通的或通態壓降大或回路阻抗高的可控硅并聯支路提前觸發，提高該支路的輸出電流，最終使每個可控硅整流柜的輸出電流接近一致。這種方法亦稱數字均流或智能均流[5]。但需要注意的是該方法在實質上并沒有對可控硅各整流橋并聯回路的阻抗不均衡進行優化，也就是說沒有從根本上解決電流不均的問題。

（4）外部采樣測量顯示回路的影響

勵磁整流裝置的測量回路中，各支路的分流計型號不同，二次回路阻抗和負載不同，也將影響測量輸出毫伏信號的差值準確度。變送器輸出及傳輸電纜是否有信號衰減，遠方中控表計是否有問題等，都將影響均流系數的計算和判斷。

為了排除這些因素的影響，在機組檢修過程中，對勵磁整流回路的各個測量和顯示元件也進行了檢查、測試和處理。測量各整流柜中快速熔斷器電阻的阻值均為0歐姆，表明快熔正常。測量分流計到電流表的線電阻正常。變送器和遠方中控表計均試驗合格。

另外，對勵磁整流裝置外部環境也進行了優化，勵磁小間加裝了大功率柜式空調，控制室內溫濕度。同時，完善維護巡檢制度，定期進行勵磁回路和元件的紅外成像，定期對設備的運行情況進行跟蹤，對異常發熱元件及時進行處理。

通過上述一系列的優化和改造措施，該廠的均流系數得到了極大地提高，優化效果明顯。改善前后的數據對比見表3。

表3 勵磁整流回路優化前后的均流數據對比

5 結語

綜上所述，據以上分析可知，選擇平均通態壓降差異較小的可控硅并進行合理的分組是解決可控硅的均流先決條件；合理的可控硅整流柜的布局是解決可控硅的均流的主要措施，在可控硅整流柜的布置不能做到完全對稱時，應考慮可控硅平均通態壓降與可控硅整流柜布置上的配合；在可控硅整流柜的交流側輸入端接入均流電抗器或均流電阻或磁環一般只在對均流有特殊要求時采用；而數字均流一般來說是權宜之計。

因此，最好的均流方法應使得可控硅的參數和回路阻抗盡量一致。事實上，最合理的可控硅優化應是均熱負荷優化，這樣才可以確保每只可控硅都充分發揮它的能力。

[1]GB/T 7409.3-2007，同步電機勵磁系統大、中型同步發電機勵磁系統技術要求[S].

[2]黃俊，王兆安.電力電子變流技術[M].3版.北京：機械工業出版社，1999.

[3]SAVR-2000發電機勵磁調節器使用說明書[Z].南京南瑞自動化有限公司，2003.

[4]謝勤嵐，陳紅，陶秋生.開關電源并聯系統的均流技術[J].艦船電子工程，2003，（4）：75～78.

[5]杜樂丁，黎雄，孫元章.大型發電機自并勵勵磁系統多功率柜自動均流控制[J].電力自動化設備，2005，（3）：5～8.