勵(lì)磁均流系數(shù)的提高與優(yōu)化

邢瑞江

（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州 3100 30）

0 引言

山西某電廠為2×135 MW發(fā)電機(jī)組，勵(lì)磁裝置配置為南京南瑞公司生產(chǎn)的SAVR-2000發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，其兩臺(tái)可控硅整流裝置型號(hào)為FLZ-1000，額定電流為1350 A，采用雙窄脈沖觸發(fā)可控硅的三相全控整流電路。兩臺(tái)可控硅整流裝置自投運(yùn)以來(lái)整體工作穩(wěn)定。

2012年，兩臺(tái)可控硅整流柜的轉(zhuǎn)子電流出現(xiàn)較大的不平衡。隨著勵(lì)磁電流分配不均的問(wèn)題日趨嚴(yán)重，整流裝置中負(fù)擔(dān)重的元件有可能最先損壞，接著加重其他元件的負(fù)擔(dān)，從而引起其他元件也相繼損壞。因此對(duì)于可控硅整流柜的均流問(wèn)題應(yīng)予以足夠重視。

1 均流系數(shù)

均流系數(shù)是指并聯(lián)運(yùn)行各支路電流的平均值與最大支路電流值之比。根據(jù)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》規(guī)程第5.19條的規(guī)定，功率整流裝置的均流系數(shù)應(yīng)不小于0.85[1]。

在不同的發(fā)電機(jī)功率點(diǎn)下，測(cè)量計(jì)算勵(lì)磁功率整流裝置的均流系數(shù)是不一樣的。均流系數(shù)是隨著勵(lì)磁總電流的增大而上升，越靠近額定勵(lì)磁電流，均流系數(shù)越高。一般在功率整流裝置總輸出電流為80%～100%額定勵(lì)磁電流時(shí)，讀取勵(lì)磁電流和各功率整流裝置的電流來(lái)計(jì)算均流系數(shù)。各功率整流裝置的電流也可通過(guò)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(fā)電機(jī)的半導(dǎo)體勵(lì)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(gè)橋臂元件全都采用可控硅。可控硅又稱(chēng)晶閘管[2]，其構(gòu)成的整流電路可將交流電轉(zhuǎn)變成直流電供給直流負(fù)載，逆變電路又可將直流電轉(zhuǎn)換成交流電供給交流負(fù)載。

可控硅元件需要靠觸發(fā)電路實(shí)現(xiàn)換流。觸發(fā)電路是將控制電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成觸發(fā)角信號(hào)，通過(guò)向晶閘管提供門(mén)極電流，決定各個(gè)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)刻。為減少門(mén)極損耗，觸發(fā)信號(hào)一般采用脈沖形式。觸發(fā)脈沖有寬脈沖、雙窄脈沖或脈沖陣列等形式。對(duì)于三相全橋式整流電路，要求觸發(fā)脈沖信號(hào)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(wèn)題的產(chǎn)生

2012年10月份以來(lái)，發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)兩臺(tái)勵(lì)磁可控硅整流柜的轉(zhuǎn)子電流出現(xiàn)較大的不平衡現(xiàn)象，整流柜A柜輸出轉(zhuǎn)子電流400 A左右，B柜輸出轉(zhuǎn)子電流700 A左右。經(jīng)檢查，勵(lì)磁可控硅整流柜無(wú)異常，兩套整流裝置觸發(fā)角也基本相同。不過(guò)整流柜設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮了整流柜的冗余度，單臺(tái)整流柜就可以滿足轉(zhuǎn)子電流運(yùn)行要求[3]。一臺(tái)機(jī)組用兩套整流柜的目的就是從安全運(yùn)行的角度考慮，即使一套整流柜出現(xiàn)故障，另一套也可以滿足運(yùn)行要求。因此，為保障冬季供熱和發(fā)電需求，一直保持生產(chǎn)運(yùn)行，同時(shí)加強(qiáng)設(shè)備巡視。

2013.1～2013.6月份勵(lì)磁整流裝置均流系數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1（以0.85為基準(zhǔn)）。

2013年7月份，機(jī)組開(kāi)始停機(jī)大修。檢修期間，通過(guò)做可控硅整流柜各項(xiàng)試驗(yàn)，檢查晶閘管元件和回路，試圖發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的根源。

首先通過(guò)小電流試驗(yàn)來(lái)觀察各個(gè)整流柜輸出電壓的波形，驗(yàn)證脈沖回路是否有問(wèn)題。分別對(duì)兩個(gè)整流柜進(jìn)行了小電流試驗(yàn)，通過(guò)示波器觀測(cè)波形和理論計(jì)算直流側(cè)輸出值，小電流試驗(yàn)正常，脈沖回路正常，可控硅觸發(fā)導(dǎo)通正常。測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

兩臺(tái)整流柜同時(shí)小電流試驗(yàn)波形比較，試驗(yàn)結(jié)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(lì)磁整流裝置均流系數(shù)測(cè)試值

表2 勵(lì)磁整流裝置小電流試驗(yàn)值

通過(guò)上述檢查測(cè)試，說(shuō)明兩套整流裝置觸發(fā)角基本相同，小電流試驗(yàn)正常，勵(lì)磁裝置可控硅整流回路未發(fā)現(xiàn)異常。

圖2 兩臺(tái)整流柜同時(shí)小電流試驗(yàn)時(shí)輸出波形比較圖

4 均流的優(yōu)化與改造

均流系數(shù)不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題是可控硅整流裝置并聯(lián)運(yùn)行中經(jīng)常存在的現(xiàn)象。我們可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)積累和試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體的情況進(jìn)行分析，對(duì)應(yīng)采取不同的解決方法，提高和優(yōu)化均流系數(shù)。

（1）轉(zhuǎn)子整流回路可控硅元件的優(yōu)化

可控硅在選型時(shí)，為了滿足勵(lì)磁系統(tǒng)正常運(yùn)行以及強(qiáng)勵(lì)工況下的運(yùn)行要求，設(shè)計(jì)過(guò)程中要充分考慮容量的裕度。這樣勢(shì)必會(huì)造成單柜在機(jī)組正常運(yùn)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(dá)到50%的額定電流時(shí)來(lái)計(jì)算才有意義，因?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)在可控硅選型時(shí)的依據(jù)是額定工作點(diǎn)的伏安特性曲線盡量一致，所以在較低負(fù)載時(shí)一致性不好是很正常的。

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

對(duì)此，首先對(duì)可控硅進(jìn)行合理選配和調(diào)配[4]，使得可控硅的各個(gè)并聯(lián)支路的平均通態(tài)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(guò)合理的搭配，使各元件開(kāi)通時(shí)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(duì)于選配并聯(lián)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(huán)。但此處理措施比較繁雜，我們沒(méi)有采用。

（2）交流進(jìn)線回路的改造

交流進(jìn)線的布局不合理，連接方式不對(duì)稱(chēng)，均會(huì)造成交流母排的等效電阻不同，進(jìn)而對(duì)均流系數(shù)造成影響。，連接的銅排及元器件的螺絲出現(xiàn)連接不緊固的情況也會(huì)導(dǎo)致交流側(cè)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(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行過(guò)程中，銅排與快熔接觸面也會(huì)氧化。這些都會(huì)造成交流進(jìn)線回路的阻抗出現(xiàn)差異，引起均流效果不良情況的發(fā)生。

針對(duì)這種情況，根據(jù)機(jī)組狀態(tài)的不同，采取了不同的處理措施。當(dāng)機(jī)組處于長(zhǎng)期運(yùn)行狀態(tài)，用點(diǎn)溫槍或紅外成像儀測(cè)量每個(gè)連接螺絲處的溫度，檢查連接處是否存在溫度過(guò)高的情況；當(dāng)機(jī)組處于停機(jī)狀態(tài)，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(jī)組處于檢修期間，優(yōu)化交流進(jìn)線的布局，將勵(lì)磁變低壓側(cè)交流進(jìn)線位置改造處于兩個(gè)整流柜中間，各整流柜的勵(lì)磁交流進(jìn)線采用對(duì)稱(chēng)的布局，使兩臺(tái)可控硅整流柜交流進(jìn)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(gè)整流柜交流刀閘、直流刀閘、交流進(jìn)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(shí)對(duì)交直流刀閘觸頭上使用導(dǎo)電膏，減小接觸點(diǎn)的接觸電阻。

（3）脈沖觸發(fā)回路的優(yōu)化

可控硅元件是通過(guò)觸發(fā)電路實(shí)現(xiàn)換流。如果各支路觸發(fā)電路的觸發(fā)角有偏差，通將影響各個(gè)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)刻，當(dāng)導(dǎo)通不同步時(shí)，也會(huì)造成支路電流不均衡的現(xiàn)象。因此，要首先檢查每個(gè)整流柜子上脈沖端子是否緊固；整流柜脈沖盒上六個(gè)紅燈是否正常。同時(shí)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(xiàn)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(yīng)的脈沖觸發(fā)回路受到了干擾等原因。

針對(duì)這種情況，可選用可調(diào)觸發(fā)角的脈沖放大板，在不同負(fù)荷下調(diào)節(jié)各整流柜的輸出電流。其原理是通過(guò)比較并列運(yùn)行可控硅整流柜的輸出電流的大小，微調(diào)觸發(fā)脈沖位置，進(jìn)而改變輸出電壓，使難以開(kāi)通的或通態(tài)壓降大或回路阻抗高的可控硅并聯(lián)支路提前觸發(fā)，提高該支路的輸出電流，最終使每個(gè)可控硅整流柜的輸出電流接近一致。這種方法亦稱(chēng)數(shù)字均流或智能均流[5]。但需要注意的是該方法在實(shí)質(zhì)上并沒(méi)有對(duì)可控硅各整流橋并聯(lián)回路的阻抗不均衡進(jìn)行優(yōu)化，也就是說(shuō)沒(méi)有從根本上解決電流不均的問(wèn)題。

（4）外部采樣測(cè)量顯示回路的影響

勵(lì)磁整流裝置的測(cè)量回路中，各支路的分流計(jì)型號(hào)不同，二次回路阻抗和負(fù)載不同，也將影響測(cè)量輸出毫伏信號(hào)的差值準(zhǔn)確度。變送器輸出及傳輸電纜是否有信號(hào)衰減，遠(yuǎn)方中控表計(jì)是否有問(wèn)題等，都將影響均流系數(shù)的計(jì)算和判斷。

為了排除這些因素的影響，在機(jī)組檢修過(guò)程中，對(duì)勵(lì)磁整流回路的各個(gè)測(cè)量和顯示元件也進(jìn)行了檢查、測(cè)試和處理。測(cè)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(cè)量分流計(jì)到電流表的線電阻正常。變送器和遠(yuǎn)方中控表計(jì)均試驗(yàn)合格。

另外，對(duì)勵(lì)磁整流裝置外部環(huán)境也進(jìn)行了優(yōu)化，勵(lì)磁小間加裝了大功率柜式空調(diào)，控制室內(nèi)溫濕度。同時(shí)，完善維護(hù)巡檢制度，定期進(jìn)行勵(lì)磁回路和元件的紅外成像，定期對(duì)設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行跟蹤，對(duì)異常發(fā)熱元件及時(shí)進(jìn)行處理。

通過(guò)上述一系列的優(yōu)化和改造措施，該廠的均流系數(shù)得到了極大地提高，優(yōu)化效果明顯。改善前后的數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 勵(lì)磁整流回路優(yōu)化前后的均流數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，據(jù)以上分析可知，選擇平均通態(tài)壓降差異較小的可控硅并進(jìn)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(duì)稱(chēng)時(shí)，應(yīng)考慮可控硅平均通態(tài)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(cè)輸入端接入均流電抗器或均流電阻或磁環(huán)一般只在對(duì)均流有特殊要求時(shí)采用；而數(shù)字均流一般來(lái)說(shuō)是權(quán)宜之計(jì)。

因此，最好的均流方法應(yīng)使得可控硅的參數(shù)和回路阻抗盡量一致。事實(shí)上，最合理的可控硅優(yōu)化應(yīng)是均熱負(fù)荷優(yōu)化，這樣才可以確保每只可控硅都充分發(fā)揮它的能力。

[1]GB/T 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].

[2]黃俊，王兆安.電力電子變流技術(shù)[M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[3]SAVR-2000發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器使用說(shuō)明書(shū)[Z].南京南瑞自動(dòng)化有限公司，2003.

[4]謝勤嵐，陳紅，陶秋生.開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)系統(tǒng)的均流技術(shù)[J].艦船電子工程，2003，（4）：75～78.

[5]杜樂(lè)丁，黎雄，孫元章.大型發(fā)電機(jī)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)多功率柜自動(dòng)均流控制[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2005，（3）：5～8.