無刷勵磁在筍塔二級水電站勵磁系統技術改造中的應用

黃智強

(南安市水利局，福建 南安 362300)

1 勵磁系統存在的問題

1.1 原勵磁系統結構

南安市筍塔二級水電站裝機2×320 kW，勵磁系統屬于傳統的自復勵勵磁機，主要由勵磁調節器、功率整流器、滅磁及轉子過壓保護回路、起勵單元、測量用電壓互感器、電流互感器以及勵磁變壓器組成(見圖1)。目前，機組運行中，采用2套WRD2000型調節器互為備用，但2臺機組自1978年1月建成投產運行以來，經過40多年的運行，在2009—2018年間，因勵磁調節控制原因，機組前后共跳閘30余次，給電網、電站的安全、穩定及經濟運行造成巨大影響。

圖1 原勵磁系統結構示意

1.2 存在的問題及改造必要性

1) 勵磁調節器可調范圍窄

筍塔水電站2×320 kW1#、2#機組2套WRD2000型付勵磁機頻率、容量分別為350 Hz/152 kVA，額定和空載輸出電壓分別為274 V/300 V，主勵磁機空載勵磁電壓/額定勵磁電壓分別為3.9 V/10 V，據運行參數可知，當勵磁系統可控硅控制角每減少1°，電站發電機輸入的勵磁電流就會由“0”上升至額定值，由此說明，機組原WRD2000勵磁調節器在勵磁系統正常運行時，可調節的范圍非常有限，若調節器一旦失控“超調”，將會導致整個勵磁系統運行失穩。

2) 勵磁機容量整定與發電機額定容量不符

站內勵磁系統旋轉整流器由“+”、“-”雙整流輪組成，主勵磁機電樞則由8組繞組組成，與旋轉整流器內2個整流輪組成的8個全波整流橋相對應，因每個全波整流橋的橋臂由2個二級管并聯，所以該勵磁系統最大勵磁限制倍數及強勵倍數若按勵磁機容量整定，與2臺SFW200-10發電機的額定容量極為不符。

3) 勵磁系統易出現過勵現象

受勵磁故障沖擊影響，站內發電機在異常運行時，隨著勵磁容量激增，可能會多次引發主勵磁機轉子中樞鐵芯軸向止推壓板螺栓被剪斷的風險，且會損壞發電機，導致產生“過勵磁”故障。

4) 典型故障事例頻繁出現

故障事例1：2016年3月15日，電站1#勵磁機組在發電機投勵磁過程中，旋轉整流器內側輪被燒毀。事后檢查發現，3號整流模件、整流輪內側1/3范圍內的鉛絲連接片元件被嚴重燒毀，整流輪內壁出現一道深5.1 mm、寬37.9 mm、長218 mm的深坑。

故障事例2：2018年10月19日，在電站機組停機備用期間，通過解體檢查付勵磁機內部構件，發現定子頂部繞組因絕緣性降低，導致2個槽繞組外緣燒焦變碎、變黑。

經分析診斷，故障事例1的成因如下：

① 3號二級管質量不佳。在電流換向時，因3號二級管無法承受巨大的反向電壓作用，被擊穿放電，形成電弧。隨著轉子高速旋轉，放電形成的電弧會迅速進入3號二級管輪內側，由此引發大面積的“相間短路”。

② 原WRD2000型勵磁調節裝置調控性能不佳，旋轉整流器一旦產生異常，該勵磁調節器在自復勵勵磁調控中產生的勵磁電流就會超過額定閾值，導致欠勵磁或過勵磁失控，并逐步增大失控故障范圍。

③ 在個別二極管損壞工況下，旋轉整流器整體鉛絲功能和電氣絕緣強度嚴重不足，無法快速反應保證鉛絲迅速熔斷，將故障二級管切除后，勵磁系統其它整流設備一切恢復正常運行狀態。

④ 二極管長時間高強度工作，缺乏阻容保護，在反向過電壓/過電流影響作用下，其壽命會大大縮短。

故障事例2的成因有：

① 因定子繞組絕緣在運行中溫度過高，或在下線過程中絕緣性能受損，絕緣設備老化，以至定子繞組被擊穿。

② 原勵磁機組勵磁系統絕緣等級、勵磁機容量等均達不到《水利部關于農村水電增效擴容改造項目初步設計指導意見》[水電(2011)437號]相關技術要求，在勵磁調節中致使絕緣過熱老化。

③ 站內勵磁系統7個回路并聯的電子繞組并聯回路間的阻抗分配失衡，導致個別定子繞組回路電流過大，過熱。

2 勵磁系統改造方案

2.1 勵磁系統技術改造設計

1) 改造機組勵磁設備：將站內現有WRD2000型傳統的自復勵勵磁機/勵磁調節裝置、設備等廢棄，重新制造并引進新的SFW320-8/740型發電機及SAVR2000無刷勵磁系統設備。

2) 完善勵磁調控性能：將在現有運行基礎上，將采用新的勵磁電源，將新的勵磁變壓器加裝于原SFW200-10型發電機出口處，并將自復勵勵磁方式改為“靜態無刷勵磁”方式[1]。

3) 增設勵磁阻容保護：借助新的“yn0型油浸式、自冷式升壓變壓器”代替傳統的S7-800/10型銅芯油浸變壓器，為發電機勵磁系統提供三相交流勵磁電源。

4) 更換機組動力來源：原付勵磁機電源由廠用電取代[2]。

如圖2所示，技術改造后配備的無刷勵磁機自身采用靜態勵磁，勵磁電流取自發電機機端，通過勵磁變壓器降壓后經可控硅整流供給，但由于原勵磁機自身的勵磁容量較小，因此改造后需采用新的技術手段(勵磁回路串聯電阻+時間常數補償+提高頂值電壓倍數)，補償無刷勵磁機的時間常數，從而實現無刷勵磁系統電壓的快速響應，即可得到“高起始響應”無刷勵磁系統。

圖2 “高起始響應”型無刷勵磁機電氣原理示意

2.2 設備選型

1) 確定運行參數，加裝中頻變壓器

為了盡可能降低付勵磁機帶來的固有放大倍數，提高勵磁系統運行穩定性，在改造中，將中頻變壓器分別加裝于筍塔二級電站的勵磁開關和付勵磁開關之間，以擴大勵磁系統可控硅控制范圍，降低勵磁電壓倍數；同時，有效隔離電氣回路中的勵磁系統可控硅整流部分和付勵磁機，減少勵磁系統對付勵磁機的不良沖擊影響[3]。

經計算分析，在空載和負載兩種額定工況下，永磁機的輸出電壓值U分別為290/3=96.7 V和274.6/3=91.5 V，而觸發角在兩種不同運行工況下的數值α分別為cos(3.9/1.35·96.7)=88.3°以及cos(10/1.35·91.5)=85.36°，由此可知，在忽略變壓器運行損耗前提下，將付勵磁機輸出的電壓經“yn0型油浸式、自冷式升壓變壓器”變比降低為1/3較為合適，即當電站發電機2×320 kW機組勵磁系統觸發角調節范圍擴大2°，通過中頻變壓，且經空載額定到負載額定轉變，即可有效縮短整個勵磁系統的調節響應時間，提升系統勵磁調節穩定性。

2) 更換勵磁調節器

將筍塔二級電站內現有可控硅整流部分、M300型模擬裝置以及2套互為備用的WRD2000型勵磁調節器拆除，更換為全新的SAVR2000型交流無刷勵磁調節裝置。

3) 加裝阻容保護旋轉二級管

選擇能夠承受反向過電流/過電壓的性能良好的整流二極管設備，并將絕緣保護套加裝于其外圍的上下散熱器之間，實現對勵磁系統旋轉二級管進行安全的阻容保護，以防機組系統在勵磁調節過程中，因旋轉二級管被擊穿，電弧飛出而引發相間短路故障[4]。

4) 將工頻變壓器增設于勵磁開關電源側

為確保付勵磁機出現運行故障時，SAVR2000設備依然能夠進行勵磁調節，在改造時選擇投資費用相對較低的380 V廠用電源，使工頻變壓器能夠為付勵磁機開關電源側提供充足穩定的備用電源。

改造后SAVR2000無刷勵磁機工作原理如圖3所示。

圖3 改造后SAVR2000無刷勵磁機工作原理示意

3 改造效果

經改造，筍塔二級水電站1#、2#機組勵磁系統均于2018年10月17日經過試驗驗收，成功投入運行。改造之后，本站目前采用的勵磁系統為分別由FLB輔助柜、FLZ功率柜以及SAVR2000勵磁調節器組成的交流無刷勵磁系統，經現場帶負荷運行調試，1#、2#機組勵磁系統均已順利通過試驗。現以2#機組為例，將3項試驗結果分述如下。

3.1 勵磁機組開啟前試驗

1) 勵磁設備開啟前通電檢查：SAVR2000勵磁調節設備通電開啟前，基本元件組成、相關結構構件、設備元件外觀均無異常，符合《小型水電站技術改造規范》(GB/T 50700—2011)[5-10]基本通電條件。

2) 勵磁調節裝置小電流試驗：將SAVR2000勵磁調節裝置分別接入工頻同步板和變壓器，按照工頻工作方式，采用工頻電源作為該勵磁裝置可控硅FLB整流柜的陽極電源，并輸出40Ω的固定電阻作為可控硅的直流負載，然后通過調節“+”、“-”按鈕，適當調整觸發角，對勵磁裝置電壓閉環、先后置頂角度兩橋分別進行小電流試驗[11]。

3) 勵磁系統各項模擬量和TV斷線模擬量測量校驗[12]：分別在勵磁裝置儀表的TV端子和SAVR2000交流無刷勵磁調節TV端子接入100 V電壓和電流，測試顯示各項電流和電壓模擬量正確。同時，將SAVR2000交流無刷勵磁調節TV端子中的某一組電壓電流斷開，SAVR2000調節器能夠觸發TV斷線信號，調節器可迅速作出故障反應。

改造后現場檢測試驗環境如圖4所示。

(左：平臺SFC變頻軟起動和勵磁裝置，右：試驗機組)

圖4 改造后現場檢測試驗環境示意

3.2 勵磁機組開啟后空載試驗

1) 勵磁機組開啟后短路升流試驗

改變SAVR2000勵磁調節器置定角運行方式，在SFW320-8/740發電機出口開關短路運行工況下，給勵磁調節器合“41A開關”的開機運行指令，SAVR2000勵磁調節器能夠對置定角度起始角進行自動靈活調節。通過調整“+”、“-”磁按鈕，能夠對勵磁裝置可控硅觸發角進行自由調節，并使SFW320-8/740發電機現場短路電流從“0”逐漸上升到“額定”，再下降至“0”(如圖5所示)。

圖5 定子電流示意

2) 勵磁機組開啟后零起電壓試驗

將SFW320-8/740發電機出口開關短路點解除，給勵磁調節器合“41A開關”的開機運行指令，SAVR2000勵磁調節器電壓能夠實現閉環運行，并自動升壓至最小電壓給定值。

3) 勵磁機組改造前后空載特性試驗

通過調整SFW320-8/740發電機機端電壓和“+”、“-”磁按鈕，勵磁機組開啟前后空載特性試驗統計結果見表1。

從表1數據可以看出，經改造，開啟前后，勵磁機組空載特性現場試驗統計結果發生了較大變化，與改造前相比，改造后的筍塔電站經SFW320-8/740發電機、SAVR2000勵磁調節器交流無刷勵磁調節后的給定電壓、機端電壓、可控硅觸發角、勵磁電流等逐步趨于合理和穩定，運行性能參數指標更加可靠(如圖6所示)。

圖6 異步-同步變頻軟起動過程網側電流

表1 勵磁機組改造前/后空載特性試驗統計結果

在此基礎上，經逆變滅磁試驗及自動升壓試驗，分別將SFW320-8/740發電機機端電壓升至100%UF/%后，給SAVR2000勵磁調節器交流無刷勵磁調節控制指令后，快速自動實現逆變滅磁。

此外，開啟SAVR2000勵磁調節器交流無刷勵磁“軟起勵”功能，經遠程勵磁調節控制，現場SFW320-8/740發電機機端電壓立即降低至90%UF/%，其錄波曲線變化情況見圖7所示。

圖7 勵磁機空載特性試驗錄波曲線變化示意

3.3 勵磁機組并網運行試驗

現場分別經電流閉環試驗、欠勵/過勵試驗，筍塔二級水電站SAVR2000交流無刷勵磁系統和SFW320-8/740發電機在并網運行復雜惡劣工況下，隨著運行負載逐漸增大，勵磁機組電壓/電流閉環相互切換過程中，“增”、“減”磁操作無功、電壓始終能夠平滑變化過渡，基本無波動。筍塔二級電站SAVR2000交流無刷勵磁系統空載輸出電壓波形及實測帶載輸出電壓波形如圖8所示。

a.空載輸出電壓波形

b.實測帶載輸出電壓波形

現場運行試驗測試結果顯示：

① 當SFW320-8/740發電機有功功率為0 MW時，通過SAVR2000交流無刷勵磁系統“減磁”調節，可使發電機“進相”運行；

② 當SFW320-8/740發電機無功功率為-19.97 MVar時，SAVR2000交流無刷勵磁系統“欠勵”限制動作，并將發電機無功功率調升至“-19 MVar”，此時，經SAVR2000勵磁調節器“增勵”，使SFW320-8/740發電機欠勵返回；

③ 當SFW320-8/740發電機有功功率為0 MW時，通過SAVR2000交流無刷勵磁系統“增磁”調節，可使發電機“滯相”運行；

當SFW320-8/740發電機無功功率為99.97 MVar時，SAVR2000交流無刷勵磁系統“過勵”限制動作，并將發電機無功功率調升至“99.66 MVar”，此時，經SAVR2000勵磁調節器“減勵”，使SFW320-8/740發電機過勵返回，較好地滿足了本站勵磁系統交流無刷勵磁調控要求。

4 結語

筍塔二級水電站2×320 kW 1#、2#機組WRD2000勵磁系統經過改造，系統運行較為穩定，性能基本可以達到技術改造要求，較好地滿足了電站無刷勵磁調控可靠性、安全性和經濟性等要求。