UNITROL5000靜態(tài)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)國產(chǎn)化改造經(jīng)驗(yàn)介紹

張彬 劉晨 靳阿妮

摘 ?要：南方某電廠基建使用ABB UNITROL 5000靜態(tài)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，由于設(shè)備本身老化原因及機(jī)組增容需要，對勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行了整組換型改造。文章對整個(gè)改造過程進(jìn)行詳細(xì)描述，并對改造中遇到的現(xiàn)場實(shí)際問題進(jìn)行分析匯總，形成一套可行的勵(lì)磁系統(tǒng)國產(chǎn)化改造方案，為日后同類型設(shè)備改造提供借鑒參考。

關(guān)鍵詞：靜態(tài)自并勵(lì);勵(lì)磁系統(tǒng);換型改造

中圖分類號：TM621.6 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）20-0093-02

Abstract： The ABB UNITROL 5000 static self-shunt excitation system is used in the capital construction of a power plant in southern China. Due to the aging of the equipment itself and the need to increase the capacity of the unit， retrofit was conducted to the whole group of excitation system. In this paper， the whole transformation process is described in detail， and the actual problems encountered in the transformation are analyzed and summarized to form a set of feasible domestic transformation scheme of excitation system， which can be used as a reference for the transformation of the same type of equipment in the future.

Keywords： static self-shunt excitation; excitation system; retrofit

1 改造設(shè)備概況

改造機(jī)組采用上海汽輪機(jī)廠QFSN-630-2型發(fā)電機(jī)組，額定容量600MW，機(jī)端額定電壓為20kV，2019年機(jī)組增容后額定容量升高至630MW，機(jī)端額定電壓不變。勵(lì)磁設(shè)備為瑞士ABB原裝進(jìn)口的靜態(tài)自并勵(lì)UN 5000系統(tǒng)，設(shè)備型號Q5S-0/U251-S6000。

勵(lì)磁系統(tǒng)位于發(fā)電機(jī)6.4米層，單獨(dú)設(shè)置勵(lì)磁小間，勵(lì)磁變壓器及發(fā)電機(jī)位于勵(lì)磁小間上方13.7米層。勵(lì)磁系統(tǒng)交流進(jìn)線及直流出線銅排按照上進(jìn)線方式布置，中間設(shè)封閉母線，經(jīng)軟連接與勵(lì)磁系統(tǒng)相連;勵(lì)磁系統(tǒng)所有二次電纜集中在勵(lì)磁調(diào)節(jié)柜、采取下進(jìn)線方式。

2 改造實(shí)施過程

2.1 勵(lì)磁系統(tǒng)二次回路改造

（1）改造系統(tǒng)二次回路全部集中于勵(lì)磁調(diào)節(jié)柜，采取下進(jìn)線方式。為保證新設(shè)備符合現(xiàn)場實(shí)際條件，在新設(shè)備出廠前，由設(shè)備廠家將所有外回路接線匯集到調(diào)節(jié)柜端子排。（2）為了減少改造工作量，勵(lì)磁系統(tǒng)二次回路電纜沿用舊設(shè)備電纜，欠缺的部分新敷設(shè)。屏柜拆除前，盤點(diǎn)核查改造系統(tǒng)二次回路電纜，詳細(xì)記錄勵(lì)磁系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)、PMU系統(tǒng)、AVC系統(tǒng)、同期裝置、發(fā)變組、故障錄波器等系統(tǒng)的接線清冊。接線清冊應(yīng)包括勵(lì)磁設(shè)備側(cè)及對側(cè)設(shè)備接線端子位置、接線線號、接線用途等全部信息。（3）原系統(tǒng)二次回路拆除時(shí)僅拆勵(lì)磁側(cè)接線，對側(cè)設(shè)備接線不用拆除，需要注意，部分接線如DCS信號回路，發(fā)變組跳閘回路帶電，拆除接線時(shí)需要特別標(biāo)記。（4）新設(shè)備二次回路接線。與改造設(shè)備相比，新系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)遙控、遙信信號名稱數(shù)量均存在偏差，無法按照一一對應(yīng)的關(guān)系接入，在不改變DCS側(cè)接線的前提下，提前修編新舊設(shè)備通道接線對照表，勵(lì)磁側(cè)按對照表線套管對應(yīng)接線。DCS側(cè)僅需對原通道按照接線對照表重新命名，更換DCS側(cè)接線線號，并按新KKS編碼對畫面進(jìn)行修編即可。

2.2 勵(lì)磁系統(tǒng)一次系統(tǒng)改造

（1）勵(lì)磁變二次同步電壓相序直接決定勵(lì)磁系統(tǒng)能否

正常工作，實(shí)際相序如果與調(diào)節(jié)器相序設(shè)置不一致，勵(lì)磁系統(tǒng)升壓過程勵(lì)磁電流不受控制。要求設(shè)備拆除前，提前記錄交流進(jìn)線母排相序，新系統(tǒng)按照原勵(lì)磁變二次相序進(jìn)行設(shè)備安裝。（2）現(xiàn)場設(shè)備拆除時(shí)，僅保留交直流銅排軟連接，軟連接以下部分全部拆除。（3）新設(shè)備屏柜較改造設(shè)備少1面，需要根據(jù)新設(shè)備屏柜寬度，在原設(shè)備基礎(chǔ)上焊接新橫擔(dān)，保證新設(shè)備屏柜安裝牢固可靠。（4）原設(shè)備屏柜高1.8米，新設(shè)備屏柜高2.2米，新設(shè)備屏柜安裝前，需要將原交、直流母線封閉外箱進(jìn)行切割，切割后使封母外箱下沿高度高于新屏柜。切除的封母外箱部分保留，待新設(shè)備安裝到位后焊接回原封母外箱斷口（氬弧焊，焊渣少，便于保護(hù)新設(shè)備屏柜）。（5）所有新設(shè)備屏柜安裝固定完成，柜內(nèi)交直流銅排安裝到位后，由設(shè)備廠家對柜內(nèi)銅排與軟連接進(jìn)行測量，加工接口銅排（銅排間、銅排與柜體間距大于4公分）。

2.3 其他現(xiàn)場非標(biāo)項(xiàng)目

2.3.1 滅磁開關(guān)控制回路雙重化改造

勵(lì)磁系統(tǒng)改造后滅磁開關(guān)采用GE公司的GErapid6007型開關(guān)。該開關(guān)為單斷口，自帶一路合閘控制回路及兩路跳閘控制回路，外接兩路110V直流電源，合閘驅(qū)動(dòng)電源及控制電源各一路。另外，斷路器內(nèi)部配置一塊電壓轉(zhuǎn)換器，將一路直流110V電源轉(zhuǎn)換為24V電源，分別提供給合閘控制板（SU）、分閘控制板（ST）和ED快速脫扣裝置（NEKO控制裝置），三塊板卡，任意一塊失電，均會影響整個(gè)開關(guān)分合閘功能的完整性。

滅磁開關(guān)第1路操作電源失電后，無論第2路操作電源帶電與否，第2跳閘回路均無法跳閘，開關(guān)雙跳閘線圈沒有實(shí)現(xiàn)完全冗余配置，不滿足規(guī)程要求。

現(xiàn)場解決方案：第2跳閘板卡單獨(dú)設(shè)置24V供電模塊，接線方式如圖1所示。

24V外置電源采用菲尼克斯QUINT-PS/1AC/24DC/10（10A）大功率電源，增加24V外置電源監(jiān)視，電源損壞后發(fā)告警至DCS系統(tǒng)。

改造后經(jīng)過實(shí)際操作驗(yàn)證，該方案可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)雙跳閘線圈冗余配置要求，具體為：

（1）第1路且第2路操作電在，合閘回路正常，正常合閘。（2）只要第1路操作電在、第1路跳圈正常，第1跳圈跳閘。（3）只要第2路操作電在、第2路跳圈正常，第2跳圈跳閘。

2.3.2 進(jìn)線柜阻容吸收回路新增散熱元件

對于靜態(tài)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，其整流橋通常采用可控硅整流方式，但由于可控硅在反向關(guān)斷過程中的恢復(fù)特性，運(yùn)行中容易產(chǎn)生周期性換相過電壓，長時(shí)期的過電壓會引起勵(lì)磁變壓器及發(fā)電機(jī)絕緣性能弱化，也可能導(dǎo)致可控硅晶閘管損壞。為了抑制可控硅換相尖峰過電壓，南瑞繼保PCS-9400勵(lì)磁系統(tǒng)在交流進(jìn)線柜設(shè)計(jì)集中式三相橋式阻容保護(hù)回路。

三相橋式阻容保護(hù)回路結(jié)構(gòu)簡單，對尖峰過電壓保護(hù)特性良好，但在工作時(shí)電阻長時(shí)間消耗電功率，會存在發(fā)熱問題。通過紅外熱成像測量，交流進(jìn)線柜阻容吸收回路電阻溫度大于150℃。該勵(lì)磁系統(tǒng)出廠時(shí)雖然設(shè)計(jì)了散熱風(fēng)扇，但實(shí)際運(yùn)行時(shí)交流進(jìn)線柜運(yùn)行時(shí)處于一個(gè)密封環(huán)境，電阻發(fā)出的熱量無法直接排除到柜外，導(dǎo)致整個(gè)柜體溫度均較高，實(shí)際測量，相鄰的一次銅排溫度高達(dá)60℃。

現(xiàn)場優(yōu)化解決方案：（1）在當(dāng)前勵(lì)磁系統(tǒng)交流進(jìn)線柜柜頂安裝兩個(gè)散熱風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)采取抽風(fēng)的方式，與原二極管下部設(shè)計(jì)散熱風(fēng)扇FJ1配合，將柜內(nèi)熱氣通過下吹上吸的方式排出柜外。（2）新增散熱風(fēng)扇電源取自原柜內(nèi)散熱風(fēng)扇FJ1風(fēng)扇開關(guān)下口，新增風(fēng)扇與原散熱風(fēng)扇同時(shí)啟動(dòng)。（3）在柜頂新增風(fēng)扇上部設(shè)置防雨罩，防止勵(lì)磁小間房頂凝露雨水直接滴入進(jìn)線柜內(nèi)，不影響設(shè)備安全運(yùn)行。

優(yōu)化改造后，通過實(shí)際測量，阻容回路電阻溫度有較大程度的降低，測量溫度128℃，較優(yōu)化前柜體溫度大幅下降。

3 改造效果評估

3.1 完美解決原ABB勵(lì)磁系統(tǒng)過熱限制不滿足標(biāo)準(zhǔn)問題

改造機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器改造前軟件版本41305-10，該軟件版本下過熱限制器公式（轉(zhuǎn)子電流限制與定子電流限制公式一致）：

經(jīng)換算，IEEE和國標(biāo)關(guān)于轉(zhuǎn)子過電流限制及定子過電流限制公式為：

其中：Imax為最大電流設(shè)定值;Ith為限制器啟動(dòng)值;T為最大限制電流可持續(xù)時(shí)間;I為實(shí)測電流值。

ABB調(diào)節(jié)器限制器公式必須將啟動(dòng)值Ith設(shè)置為100%才能完全符合IEEE和國標(biāo)的要求，但I(xiàn)th設(shè)置為100%又與國標(biāo)要求的勵(lì)磁電流在110%額定勵(lì)磁電流下長期運(yùn)行不符合。

改造結(jié)束后，南瑞繼保勵(lì)磁系統(tǒng)過電流限制公式為：（I2-1）*T=C，其中C為熱容，與IEEE和國標(biāo)要求相同，通過實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證，限制器限制特性與實(shí)際計(jì)算值一致。

3.2 優(yōu)化通訊方式，提高運(yùn)行可靠性

ABB UN5000勵(lì)磁系統(tǒng)采用的ARCnet總線及脈沖總線的通訊方式，該種通訊方式穩(wěn)定性較差，易受干擾，嚴(yán)重的影響機(jī)組正常運(yùn)行。本廠機(jī)組在基建調(diào)試期間就曾出現(xiàn)因脈沖總線受干擾，勵(lì)磁系統(tǒng)啟動(dòng)異常，勵(lì)磁電流突變現(xiàn)象，現(xiàn)場更換了整套脈沖線并使用薄銅膜對脈沖線進(jìn)行覆蓋屏蔽處理后方才正常運(yùn)行，另外一臺機(jī)在運(yùn)行中發(fā)生因ARCnet總線受干擾導(dǎo)致調(diào)節(jié)器無法檢測整流器運(yùn)行狀態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)強(qiáng)制退出事件。

改造結(jié)束后，PCS-9400勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)器與整流橋通訊方式改為光纖通訊，抗干擾能力較之前通訊大為提高。PCS-9400勵(lì)磁系統(tǒng)兩套調(diào)節(jié)器，每套調(diào)節(jié)器均通過光纖與整流柜測控裝置通訊，單套調(diào)節(jié)器故障，不影響整流柜接收觸發(fā)角指令。

4 結(jié)束語

增容機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)改造結(jié)束后，各分系統(tǒng)啟動(dòng)正常，假負(fù)載試驗(yàn)正常，勵(lì)磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)正常，勵(lì)磁系統(tǒng)改造圓滿完成。通過改造，在滿足機(jī)組增容需求的同時(shí)，解決了勵(lì)磁系統(tǒng)元器件老化、過熱限制不滿足規(guī)程要求等隱患，滿足機(jī)組長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]南京南瑞繼保電氣有限公司.PCS-9400勵(lì)磁系統(tǒng)說明書[Z].

[2]ABB UNITROL 5000勵(lì)磁器用戶手冊[Z].

[3]UNITROL 5000勵(lì)磁調(diào)節(jié)器參數(shù)說明[Z].