蓄能器對大型調相機潤滑油系統穩定性的 改善研究

張曙云 周 翔

（1. 國網湖南省電力有限公司水電分公司，長沙 410007； 2. 湖南省電網工程有限公司調相機項目部，長沙 410007）

0 引言

近年來，特高壓電網輸電工程的大規模建設，使電網的架構產生了重大改變，由原傳統單一的超高壓交流電網逐步轉變成了大電網、遠距離輸電、特高壓交直流高度混聯的格局。特高壓電網輸電網架對系統中的動態無功裕度要求更高，同時足量的無功支撐能有效提升系統運行的穩定性[1]；因此為了保證電力系統能安全穩定運行，在規劃建設中必須為系統配備足夠的動態無功裕量，以增強電網系統的抗擾動能力。新型大容量調相機的研制成功和可靠應用能有效提高送端電網直流輸電能力，為系統提供足量的動態無功，提升新能源消納比例[2-3]；在特高壓直流大功率饋入地區及直流多饋入受電地區廣泛應用，特別是在特高壓直流輸電系統的受端電網中安裝新型大容量調相機可有效提高系統電壓穩定性和抗無功沖擊能力，確保電網的安全穩定運行[4]，因此，大型調相機在特高壓電網系統中的應用越來越廣泛。

“十三五”期間，300Mvar級新型大型調相機被部署在電網的重要負荷節點，通過結合目前已有的實際應用工程，對所暴露出的問題進行解決改善，特別是研究影響調相機穩定運行的直接因素，因此本文針對當前潤滑油系統配置所存在的問題進行深入分析，提出通過裝設蓄能器來改善潤滑油系統運行穩定性的方法，通過現場試驗對比分析可知，加裝蓄能器能極大提高大型調相機潤滑油系統的可靠性，確保調相機的穩定運行，可為后續新建調相機工程提供有效參考[5-6]。

1 大型調相機系統組成

目前，生產投運的大型調相機大都為隱極式同步電機，調相機是電動機和發電機的結合體，既能從交流電網吸收有功功率驅動調相機轉子轉動，也能由定子繞組切割轉子磁力線產生感應電動勢，接入負荷向系統供電，由于調相機的功率因數為0，因此只向系統提供或吸收無功功率。

這里以投運的300Mvar雙水內冷調相機運行系統為例，調相機系統采用“調相機-變壓器組”單元接線的方式，通過主變經并網斷路器5601接入換流站內500kV交流濾波器母線，調相機系統如圖1所示，主要由調相機本體、勵磁系統、主變、冷卻系統、油系統、變頻起動系統等組成[7-9]。

圖1 調相機系統

變頻起動系統主要用于將調相機組拖動至目標轉速，便于并入電網，之后便退出運行。勵磁系統采用靜止勵磁方式，主要由勵磁調節器、晶閘管整流裝置、滅磁及過電壓保護裝置、勵磁變壓器等構成，整個勵磁系統又分為主勵磁系統和起動勵磁系統。冷卻系統主要包括內冷水和外冷水系統，內冷卻水通過定、轉子線圈空心導線，將線圈損耗產生的熱量帶出機組本體，同時又通過外冷卻水將內冷卻水冷卻進行循環，最大程度地降低定轉子繞組溫度，提高繞組絕緣壽命。油系統包括潤滑油系統和 頂軸油系統，頂軸油系統主要是在低轉速下建立油膜，正常運行后退出，潤滑油系統主要是為調相機提供潤滑和冷卻，防止軸承干摩損壞而影響機組的正常運行，當潤滑油油壓低于0.135MPa時，將觸發嚴重故障報警啟動調相機系統跳機程序[10]。

調相機起動過程中主勵磁不帶電，由起動勵磁系統配合變頻起動，將調相機拖動至頻率52.5Hz左右，離相封閉母線（isolated phase enclosed bus, IPB）斷開，變頻起動系統退出，起動勵磁系統快速起動勵磁后切換至主勵磁系統，即起動開關QDK斷開、發電機勵磁開關GEK合閘，調相機升壓并對主變進行充電，此時調相機開始加速惰性降速，起動同期裝置，成功捕捉同期并網點，并網斷路器5601合閘。

2 蓄能器

2.1 蓄能器的基本原理及類型

蓄能器是一種通過對蓄積液體進行受壓操作而設計的液壓輔件。液體不可壓縮，蓄能器是利用氣體的可壓縮性來達到儲存液體的目的。在低速負載情況下，機器運轉所需流量小于液壓泵流量，液壓泵中的多余流量可以存儲在蓄能器中；當機器運轉負載要求的流量大于液壓泵流量時，蓄能器通過氣體的膨脹將液體擠壓排出，以彌補液壓泵流量的不足，特別是當液壓泵停機但仍需保持一定壓力時，蓄能器可以補償系統泄漏的液體流量，從而穩定系統的壓力。

常用的蓄能器有皮囊式、活塞式、隔膜式[11]。不同類型的蓄能器對比見表1，本文選用皮囊式蓄能器。

表1 不同類型蓄能器的對比

2.2 蓄能器選型及參數計算

所選用的皮囊式蓄能器內腔皮囊分為兩個部分：囊內裝氮氣，囊外充液壓油。位于皮囊周圍的油液與油液回路連通，利用氮氣的可壓縮性，當油壓升高時，油液進入蓄能器，氣體被壓縮，系統管道壓力不再上升，當系統管道壓力下降時，壓縮的氣體膨脹，將油液壓入回路，從而延緩壓力的下降，蓄能器系統原理如圖2所示[12]。

圖2 蓄能器系統原理

為延長故障發生后油母管壓力下降至0.135MPa的所需時間，同時防止交流潤滑油泵在定期切換時引起壓力波動而導致的設備異常運行狀況，采用蓄能器作為輔助動力源，由式（1）計算所需容量。

式中：V0、VX為所需蓄能器的容積、工作容積（L）；P0為充氣壓力（MPa）；P1、P2為工作循環中的最低、最高工作壓力（MPa）；n為指數，等溫時取n=1，絕熱時取n=1.4。

考慮到安全裕量，為保證潤滑油泵失效情況下，系統壓力能夠維持安全值3s以上，同時考慮到調相機系統的實際運行工況，式（1）中參數的選擇見 表2。

表2 式（1）中參數的選擇

將表2中各數據代入式（1）中計算得到所需蓄能器的容積V0=158L。

3 含蓄能器的調相機潤滑油系統

潤滑油系統作為調相機系統中的關鍵部分，為其機械旋轉部件提供潤滑和冷卻，供油壓力過低時將會直接出口進入跳機程序，因此其是否正?？煽窟\行直接影響到機組的穩定與否[13]。含蓄能器的調相機潤滑油系統配置示意圖如圖3所示，系統配置有一臺直流油泵作為事故備用，兩臺交流潤滑油泵，互為一用一備，出口母管壓力低將聯起備用泵及直流油泵，交流潤滑油泵進行周期切換，交替運行，周期切換流程如圖4所示。在監屏及日常的設備巡視中發現，潤滑油系統交流潤滑油泵在周期切換的過程中，存在聯起直流潤滑油泵及壓力波動的異常現象，嚴重威脅到機組安全穩定運行，因此采取措施消除調相機因油泵周期切換造成的直流泵聯起并維持油壓的正常穩定十分必要。

圖3 含蓄能器的調相機潤滑油系統配置示意圖

圖4 周期切換流程

在潤滑油過濾器后的潤滑油供油母管處，通過采用裝設蓄能器裝置的措施，來改善交流潤滑油泵周期切換過程中供油母管壓力存在異常波動的情況，保證潤滑油供油母管壓力開關正確動作，解決導致直流潤滑油備用油泵誤起動的問題，提高系統運行穩定性，蓄能器安裝現場如圖5所示。

圖5 蓄能器安裝現場

4 試驗對比分析

本節通過對現場試驗和日常系統運行的穩定信號進行對比分析。對裝設蓄能器前后調相機潤滑油系統工作在正常工況轉速3 000r/min時，潤滑油泵A周期性地切換至潤滑油泵B進行試驗，記錄周期 切換期間潤滑油系統油壓的變化及直流潤滑油泵聯起情況，現場試驗數據曲線如圖6所示，未裝蓄能器時如圖6（a）所示，裝設蓄能器后如圖6（b）所示。

圖6 現場試驗數據曲線

由圖6（a）與圖6（b）對比可以看出，調相機轉速均基本穩定在3 000r/min，正常工況條件下，在由潤滑油泵A正常穩定運行切換至潤滑油泵B穩定運行時，從圖6（a）未裝設蓄能器看出，在切換時，供油母管油壓出現明顯的波動，起動潤滑油泵B運行時，油壓由0.46MPa下降至約0.42MPa，同時并聯起動了直流潤滑油泵，約2s后供油母管油壓逐步穩定，但由于直流潤滑油泵為事故備用油泵，不可長時間運行，系統處于異常的工作狀態，直流潤滑備用油泵需要人工干預進行手動停運，此時自動周期切換失?。粡膱D6（b）裝設蓄能器后的波形圖看出，供油母管油壓沒有明顯的波動，最低降至0.44MPa，與油壓正常穩定運行時的0.45MPa相差甚小，能順利完成由潤滑油泵A正常穩定運行切換至潤滑油泵B穩定運行的過程，并且事故備用直流潤滑油泵沒有聯起，調相機潤滑油系統處于正常穩定的運行狀態。因此，蓄能器對供油母管油壓的異常波動有明顯緩解作用，可以控制供油母管油壓基本處于穩定狀態，保證系統運行穩定。

5 結論

通過對某換流站調相機工程潤滑油系統在潤滑油泵周期切換過程中存在潤滑油母管壓力低、聯起直流潤滑油泵的異?，F象進行深入分析，并對蓄能器的基本原理及結構選型進行研究后，選擇在潤滑油系統中增加蓄能器來延長油壓下降時間，確保油泵周期切換時油壓的無擾動。通過現場試驗結果對比可知，蓄能器極大地提升了大型調相機潤滑油系統可靠性，消除了跳機風險，為調相機的穩定可靠運行提供了重要保證，具有廣闊的應用前景和參考價值。