數(shù)字式勵(lì)磁系統(tǒng)接線故障判斷及處理方法

(中船重工電機(jī)科技股份有限公司，山西太原 030027)

0 引言

隨著發(fā)電機(jī)單臺(tái)容量的增加，電壓等級(jí)的升高，對(duì)發(fā)電機(jī)的控制部分尤其是勵(lì)磁系統(tǒng)的要求也越來越高，數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器(目前大多選用Basler和ABB公司的產(chǎn)品)和相應(yīng)的勵(lì)磁器件合稱為數(shù)字式勵(lì)磁系統(tǒng)，以其具有的多種可選擇的控制模式及相互間的無擾動(dòng)切換(AVR、FCR、VAR、PF四種模式)、調(diào)節(jié)快速、靈活、準(zhǔn)確，可通過通信總線串行接口(RS232、RS485、以太網(wǎng))實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的通訊、在線更改設(shè)定程序、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行參數(shù)等多種優(yōu)勢(shì)贏得了市場(chǎng)和用戶的認(rèn)可，試驗(yàn)結(jié)果也表明，其性能指標(biāo)完全滿足產(chǎn)品規(guī)范及各大船級(jí)社的要求，是當(dāng)下發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的首選。所以掌握其操作方法、常見故障判斷及處理方法也是勢(shì)在必行，根據(jù)多年調(diào)試及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了最典型、也是最易發(fā)生的電壓互感器PT相序、電流互感器CT極性接線錯(cuò)誤問題，通過理論和相位分析，得出對(duì)應(yīng)工況的數(shù)值，方便操作者準(zhǔn)確判斷故障接線所在，及時(shí)處理，避免問題的進(jìn)一步擴(kuò)大。

1 典型接線錯(cuò)誤故障判斷及處理方法

現(xiàn)以一功率1500kW、電壓6300V發(fā)電機(jī)為例，定義標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載為：有功功率205kW(無功功率157kvar)、電流24A、功率因數(shù)0.8(滯后，相位角36.9°)；測(cè)量輸入接線定義為：電壓互感器PT二次側(cè)U、V、W對(duì)應(yīng)數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器(以下簡稱AVR)電壓測(cè)量輸入的A、B、C，電流互感器CT二次側(cè)S1、S2對(duì)應(yīng)AVR電流測(cè)量輸入的I+、I-(根據(jù)AVR配置要求，電流互感器CT必須在發(fā)電機(jī)V相，功率因數(shù)角為B相電壓與電流的夾角)；定義發(fā)電機(jī)及AVR測(cè)量正序?yàn)锳BC，逆序?yàn)锳CB。AVR的電參數(shù)測(cè)量界面見圖1，發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)在各個(gè)狀態(tài)下的電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)。

圖1 AVR電參數(shù)測(cè)量界面

1.1 工況一：發(fā)電機(jī)出線正序，發(fā)電機(jī)帶前述定義的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載運(yùn)行，AVR測(cè)量界面見圖2，主要電參數(shù)計(jì)算過程見式(1)、式(2)、式(3)。

圖2 AVR測(cè)量界面

圖3 AVR測(cè)量界面

功率因數(shù)

PF=cos36.9°=0.7997

(1)

有功功率

(2)

無功功率

(3)

通過計(jì)算得出，AVR測(cè)量界面下各個(gè)電參數(shù)測(cè)量值與理論計(jì)算值、標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載一致，勵(lì)磁器件與AVR測(cè)量接線準(zhǔn)確，AVR測(cè)量向量圖見圖3。

2.2 工況二：發(fā)電機(jī)出線正序，發(fā)電機(jī)帶前述定義的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載運(yùn)行，AVR測(cè)量界面見圖4，主要電參數(shù)計(jì)算過程見式(4)、式(5)、式(6)。

圖4 AVR測(cè)量界面

圖5 AVR測(cè)量向量圖

因?yàn)樗泄r下發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁器件安裝位置沒有變化，即IB位置不變(圖中α角仍為36.9°)，所以此時(shí)只能是B、C相倒了相序，即UB和IB的夾角β(為276.9°，但發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，真正的相位角只能是-90°～+90°之間，而此工況下產(chǎn)生的角度只有在接錯(cuò)線的情況下才會(huì)出現(xiàn)，實(shí)際上這種角度是永遠(yuǎn)不會(huì)存在的，下文如有跟這種情況類似，不再重復(fù)說明)即為AVR實(shí)測(cè)的電壓和電流的相位角。

功率因數(shù)

PF=cos276.9°=0.1201

(4)

有功功率

(5)

無功功率

(6)

注：當(dāng)AVR電壓測(cè)量為負(fù)相序時(shí)，對(duì)有功功率無影響，對(duì)無功功率數(shù)值的正負(fù)有影響，影響系數(shù)為-1。

通過計(jì)算得出，AVR測(cè)量界面下各個(gè)電參數(shù)測(cè)量值與理論計(jì)算值一致(因?yàn)闇y(cè)量精度問題，測(cè)量數(shù)值略有差異)，但與標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載差異大，原因?yàn)椋弘妷夯ジ衅鱌T與AVR測(cè)量B、C相相序顛倒，導(dǎo)致AVR數(shù)據(jù)采集和計(jì)算出錯(cuò)，具體的AVR測(cè)量向量圖見圖5。

2.3 工況三：發(fā)電機(jī)出線正序，發(fā)電機(jī)帶前述定義的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載運(yùn)行，AVR測(cè)量界面見圖6，主要電參數(shù)計(jì)算過程見式(7)、式(8)、式(9)。

圖6 AVR測(cè)量界面

圖7 AVR測(cè)量向量圖

該工況下測(cè)量值全為負(fù)值(根據(jù)AVR設(shè)置要求，在測(cè)量功率因數(shù)PF時(shí)有underexcited和overexcited兩種狀態(tài)，underexcited定義為欠勵(lì)即PF值為負(fù)，overexcited定義為過勵(lì)即PF值為正)。只能是電流互感器CT極性改變，B相電流位置由IB+變?yōu)镮B-，UB和IB的夾角β(216.9°)即為AVR實(shí)測(cè)的電壓和電流的相位角。

功率因數(shù)

PF=cos216.9°=-0.7997

(7)

有功功率

(8)

無功功率

=×6300×24×sin216.9°=-157kvar

(9)

通過計(jì)算得出，AVR測(cè)量界面下各個(gè)電參數(shù)測(cè)量值與理論計(jì)算值、標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載數(shù)值一致，但AVR測(cè)量均為負(fù)值，故障原因?yàn)椋弘娏骰ジ衅鰿T極性與AVR電流測(cè)量極性相反，導(dǎo)致AVR數(shù)據(jù)采集和計(jì)算出錯(cuò)，具體的AVR測(cè)量向量圖見圖7。

2.4 工況四：發(fā)電機(jī)出線正序，發(fā)電機(jī)帶前述定義的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載運(yùn)行，AVR測(cè)量界面見圖8，主要電參數(shù)計(jì)算過程見式(10)、式(11)、式(12)。

圖8 AVR測(cè)量界面

圖9 AVR測(cè)量向量圖

該工況為上述2.3和2.4同時(shí)接錯(cuò)的問題

功率因數(shù)

PF=cos96.9°=-0.1201

(10)

有功功率

(11)

無功功率

(12)

通過計(jì)算得出，AVR測(cè)量界面下各個(gè)電參數(shù)測(cè)量值與理論計(jì)算值一致，但AVR測(cè)量均為負(fù)值且數(shù)值差異大，數(shù)值差異大的原因?yàn)椋弘妷夯ジ衅鱌T與AVR測(cè)量B、C相相序顛倒，負(fù)值故障原因?yàn)椋弘娏骰ジ衅鰿T極性與AVR電流測(cè)量極性相反，導(dǎo)致AVR數(shù)據(jù)采集和計(jì)算出錯(cuò)，具體的AVR測(cè)量向量圖見圖9。

2.5 工況五：發(fā)電機(jī)出線逆序，發(fā)電機(jī)帶前述定義的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載運(yùn)行，AVR測(cè)量界面見圖10，主要電參數(shù)計(jì)算過程見式(13)、式(14)、式(15)。

圖10 AVR測(cè)量界面

圖11 AVR測(cè)量向量圖功率因數(shù)

PF=cos157.1°=-0.9122

(13)

有功功率

(14)

無功功率

(15)

通過計(jì)算得出，AVR測(cè)量界面下各個(gè)電參數(shù)測(cè)量值與理論計(jì)算值一致，但與標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載差異大，數(shù)值差異大的原因?yàn)椋喊l(fā)電機(jī)逆序、電壓互感器PT與AVR測(cè)量B、C相相序顛倒，導(dǎo)致AVR數(shù)據(jù)采集和計(jì)算出錯(cuò)，具體的AVR測(cè)量向量圖見圖13。

2.7 各工況數(shù)據(jù)總結(jié)見表1

表1 各項(xiàng)工況數(shù)據(jù)總結(jié)

從表中可以總結(jié)得出以下結(jié)論

(1)但凡有功功率、無功功率中的任一為負(fù)值、功率因數(shù)為欠勵(lì)時(shí)勵(lì)磁器件與AVR測(cè)量輸入間肯定存在接線錯(cuò)誤；且無功功率為負(fù)值時(shí)，肯定是功率因數(shù)超前及欠勵(lì)；

(2)改變電壓互感器PT的相序?qū)τ泄β实恼?fù)無影響，對(duì)無功功率的正負(fù)有影響且影響系數(shù)為-1；

(3)電流互感器CT的極性(或極性改變后造成相位角的改變)決定有功功率的正負(fù)；

(4)因勵(lì)磁器件接線錯(cuò)誤引起的AVR測(cè)量錯(cuò)誤都可以通過確實(shí)相位角的方法來確定。

3 解決措施及實(shí)施效果

3.1 解決措施

針對(duì)接線問題引發(fā)的數(shù)字式勵(lì)磁故障現(xiàn)象，建議按下述方法排查和解決

(1)發(fā)電機(jī)組動(dòng)車前，按照接線圖仔細(xì)檢查各勵(lì)磁器件和AVR的接線是否準(zhǔn)確；

(2)動(dòng)車后連接通訊軟件，在空載狀態(tài)下檢查各電氣參數(shù)是否與控制柜顯示的參數(shù)一致；

(3)機(jī)組輕載運(yùn)行，查看電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等主要電參數(shù)是否與 控制柜顯示的參數(shù)一致；尤其是AVR測(cè)量界面下各功率值出現(xiàn)負(fù)值、功率因數(shù)欠勵(lì)時(shí)，肯定有接線錯(cuò)誤，需停機(jī)檢查；可借助相序儀測(cè)量AVR進(jìn)線的電壓相序；

(4)對(duì)于并機(jī)或并網(wǎng)的多臺(tái)發(fā)電機(jī)組，可通過施加同樣負(fù)載的方法對(duì)比每臺(tái)的測(cè)量數(shù)據(jù)，找出故障產(chǎn)品逐一排除；

(5)對(duì)出現(xiàn)的故障現(xiàn)象多總結(jié)，多分析。

數(shù)字式勵(lì)磁系統(tǒng)造價(jià)高周期長，且大都采用國外進(jìn)口部件，因接線錯(cuò)誤引發(fā)的問題輕者發(fā)電機(jī)不能正常運(yùn)行，重者燒毀勵(lì)磁器件和AVR，給用戶帶來極大的經(jīng)濟(jì)損失，所以找出最佳的解決措施，方便操作者準(zhǔn)確判斷故障接線所在，及時(shí)處理，避免問題的進(jìn)一步擴(kuò)大。

3.2 實(shí)施效果

數(shù)字式勵(lì)磁系統(tǒng)因接線錯(cuò)誤引起的故障現(xiàn)象最為常見，針對(duì)具體的故障現(xiàn)象，借助本文列舉的理論計(jì)算、測(cè)量界面和實(shí)際負(fù)載相比較、畫具體的AVR測(cè)量向量圖方法及時(shí)、準(zhǔn)確定位勵(lì)磁器件與AVR間錯(cuò)誤接線的所在，及時(shí)更換和調(diào)整錯(cuò)誤的接線端子，排除故障。