淺析Unitrol 5000勵(lì)磁系統(tǒng)PT斷線邏輯缺陷及改進(jìn)方法

李志強(qiáng)

內(nèi)蒙古國華準(zhǔn)格爾發(fā)電有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300

引言

目前，國內(nèi)大型火力發(fā)電廠發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)按勵(lì)磁電源取自發(fā)電機(jī)還是其他，分為自勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)和他勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)。自勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)可分為自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)和自復(fù)勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)。他勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)可分為交流勵(lì)磁機(jī)和直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)。在自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)中由于取消了旋轉(zhuǎn)部件，其可靠性上明顯優(yōu)于其他勵(lì)磁方式。其響應(yīng)靈敏、調(diào)節(jié)快速，對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行電壓下擾動(dòng)也具有很好的穩(wěn)定功能。瑞士ABB公司生產(chǎn)的Unitrol 5000靜態(tài)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)屬于自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)中的佼佼者，該系統(tǒng)具有接線簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、安全可靠等特點(diǎn)，一經(jīng)面世就在國內(nèi)諸多火力發(fā)電廠得到了廣泛的推廣及應(yīng)用。然而近些年來，Unitrol 5000靜態(tài)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)發(fā)生了因PT斷線導(dǎo)致發(fā)電機(jī)誤強(qiáng)勵(lì)事件，這暴露出了Unitrol 5000靜態(tài)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)PT斷線判別邏輯功能不完善的問題。其主要原因在于當(dāng)發(fā)電機(jī)出口處機(jī)端PT發(fā)生一次保險(xiǎn)緩慢融斷過程時(shí)，裝置不能判別出該故障，發(fā)生誤判系統(tǒng)發(fā)生故障，造成勵(lì)磁系統(tǒng)誤強(qiáng)勵(lì)事件，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組部分過電流保護(hù)動(dòng)作跳閘，機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)事件。通過對(duì)Unitrol 5000靜態(tài)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)PT斷線邏輯進(jìn)行剖析，補(bǔ)充完善其邏輯功能，提高發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置安全可靠性具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 Unitrol 5000靜態(tài)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)介紹

某火力發(fā)電廠機(jī)組容量330MW，采用自并勵(lì)的勵(lì)磁方式，勵(lì)磁系統(tǒng)采用ABB Unitrol 5000靜態(tài)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置、起勵(lì)和滅磁單元裝置、可控硅整流裝置、勵(lì)磁變壓器等部分組成。

自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置采用數(shù)字型微機(jī)形式，由兩個(gè)自動(dòng)通道構(gòu)成，通過冗余配置，提高了設(shè)備可靠性。每個(gè)單獨(dú)的自動(dòng)通道同時(shí)配備手動(dòng)后備控制機(jī)制。自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置具有給定電壓控制與調(diào)節(jié)功能，同時(shí)配備過勵(lì)磁限制單元、欠勵(lì)磁限制單元、 恒無功、恒功率因數(shù)疊加調(diào)節(jié)單元、電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制單元 PSS、手動(dòng)調(diào)節(jié)單元、監(jiān)視和保護(hù)等功能。

可控整流裝置采用六支雙側(cè)冷卻的可控硅組成三相全控整流單元。每支可控硅上串聯(lián)一個(gè)快速熔斷保險(xiǎn)，其主要功能是將有故障的可控硅支路快速有效隔離，保護(hù)其他可控硅免遭損壞。當(dāng)快速熔斷保險(xiǎn)熔斷時(shí)，熔斷保險(xiǎn)的附件通過彈簧機(jī)構(gòu)觸發(fā)微動(dòng)開關(guān)并作用于報(bào)警和控制功能[1]。可控硅整流裝置散熱系統(tǒng)采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式實(shí)現(xiàn)，分別配置兩組風(fēng)機(jī)互為備用，可大大提高風(fēng)機(jī)冷卻效率及可靠性。對(duì)于大容量發(fā)電機(jī)組可采用4個(gè)功率整流柜并聯(lián)運(yùn)行，可控硅整流裝置具有物理均流功能，能夠平均分配幾臺(tái)整流裝置的電流輸出，減小整流裝置之間的環(huán)流影響，使整流裝置的輸出電流得到很好的分配。當(dāng)其中1個(gè)功率裝置發(fā)生故障退出運(yùn)行時(shí)，可滿足發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵(lì)及1.1倍額定勵(lì)磁電流的相關(guān)運(yùn)行規(guī)程要求。當(dāng)2個(gè)功率裝置發(fā)生故障退出運(yùn)行時(shí)，可滿足發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行工況下所需要的勵(lì)磁電流。可控硅裝置的采用并列運(yùn)行方式不僅接線簡(jiǎn)單，在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中起到了很好的功效。

在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，Unitrol 5000勵(lì)磁系統(tǒng)通過380V外接交流電源實(shí)現(xiàn)起勵(lì)過程。發(fā)電機(jī)建立一定電壓后，自動(dòng)切換至勵(lì)磁變實(shí)現(xiàn)自并勵(lì)過程。滅磁單元部分主要由滅磁電阻、滅磁開關(guān)、晶閘管跨接器及其觸發(fā)部分構(gòu)成，其主要作用是快速斷開磁場(chǎng)回路，并通過滅磁電阻快速吸收儲(chǔ)存在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)的磁場(chǎng)能量。

2 Unitrol 5000靜態(tài)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

Unitrol 5000靜態(tài)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采用的兩套獨(dú)立電源構(gòu)成，一套電源的輸入采用直流系統(tǒng)220V和廠用交流系統(tǒng)220V電源作為輸入，另一套電源采用直流系統(tǒng)220V和自產(chǎn)交流230V電源（通過發(fā)電機(jī)機(jī)端并聯(lián)的勵(lì)磁變低壓側(cè)經(jīng)自用變壓器降壓至230V左右）作為電源輸入。電源輸出通過并聯(lián)運(yùn)行的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)兩套微機(jī)通道供電。由于自用交流電壓的接入，當(dāng)發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，即使直流和廠用交流電源均發(fā)生故障造成失電，調(diào)節(jié)裝置仍然可以維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)[2]。

Unitrol 5000靜態(tài)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)未采用同步變壓器，而是通過勵(lì)磁變壓器的低壓側(cè)分別經(jīng)兩塊PSI信號(hào)采集單元獨(dú)立引入兩套微機(jī)通道。A套微機(jī)通道僅采集PSI-A信號(hào)的輸出進(jìn)行移相觸發(fā)，B套微機(jī)通道僅采集PSI-B信號(hào)的輸出進(jìn)行移相觸發(fā)。如果在A通道為主時(shí)，采集PSI-A信號(hào)發(fā)生故障，A通道將自動(dòng)退出自動(dòng)運(yùn)行，切換至B通道自動(dòng)運(yùn)行。

Unitrol 5000靜態(tài)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)在判別PT斷線時(shí)采用PT二次側(cè)電壓和勵(lì)磁變低壓側(cè)電壓進(jìn)行比較，即使發(fā)生雙PT斷線故障也不會(huì)引起發(fā)電機(jī)誤強(qiáng)勵(lì)。Unitrol 5000靜態(tài)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)兩個(gè)通道分別引入了一組PT電壓，當(dāng)A通道正常運(yùn)行在AVR調(diào)節(jié)工況時(shí)，A套PT發(fā)生斷線時(shí)，A通道自動(dòng)切換為B通道運(yùn)行。

Unitrol 5000靜態(tài)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)外部跳閘回路中間繼電器動(dòng)作功率不足1W，抗干擾能力弱，在受到干擾、直流接地、交流串直流等情況下，易發(fā)生誤動(dòng)導(dǎo)致機(jī)組非停。

Unitrol 5000靜態(tài)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)在增、減磁繼電器節(jié)點(diǎn)發(fā)生粘連的情況下，可能引起勵(lì)磁調(diào)節(jié)誤發(fā)增、減磁信號(hào)，造成勵(lì)磁調(diào)節(jié)異常。

3 Unitrol 5000勵(lì)磁系統(tǒng)電壓波動(dòng)異常事件

2013年8月22日，某火力發(fā)電企業(yè)四號(hào)機(jī)組運(yùn)行過程中，勵(lì)磁電壓突然發(fā)生連續(xù)多次異常波動(dòng)，最大波動(dòng)范圍279.5-464.6V（額定勵(lì)磁電壓542V）。查看故障錄波器顯示發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓（采自機(jī)端1PT）、有功功率、機(jī)端電流、勵(lì)磁電流等電氣量參數(shù)均無明顯變化。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)造成勵(lì)磁電壓波動(dòng)原因?yàn)榘l(fā)電機(jī)出口2PT A相保險(xiǎn)存在熔絲非完全熔斷缺陷，致使二次側(cè)A相電壓較B、C兩相電壓偏低3-4V。由于該故障未能達(dá)到Unitrol 5000靜態(tài)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)PT斷線閥值，PT斷線未能準(zhǔn)確判出。

事件發(fā)生后，經(jīng)技術(shù)人員與及ABB工程技術(shù)人員確認(rèn)Unitrol 5000靜態(tài)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)PT斷線判別邏輯設(shè)計(jì)上存在缺陷，該邏輯不能對(duì)發(fā)電機(jī)機(jī)端PT一次側(cè)保險(xiǎn)熔絲非完全的熔斷、二次回路接線松動(dòng)等異常做出準(zhǔn)確判斷。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，同類型勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的多家發(fā)電企業(yè)也曾出現(xiàn)過由于PT一次回路異常導(dǎo)致勵(lì)磁輸出增加和波動(dòng)、機(jī)組電壓上升和波動(dòng)、最終發(fā)變組保護(hù)過激磁反時(shí)限動(dòng)作或者發(fā)變組保護(hù)定子過負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作造成的非停事件。因此，完善Unitrol 5000靜態(tài)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)PT斷線判別邏輯，對(duì)于控制和減少非停機(jī)事件，提高發(fā)電機(jī)自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)安全性、可靠性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4 Unitrol 5000靜態(tài)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)PT斷線邏輯簡(jiǎn)介

圖1 Unitrol 5000靜態(tài)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)PT斷線判別邏輯框圖

圖中U—MACH—RELATIVE為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓相對(duì)值（UMR）；U—SYN—RELATIVE為同步電壓相對(duì)值（USR）；DEV—U—MONITORING為偏差設(shè)定值（DUM）。Unitrol 5000靜態(tài)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)通過比較發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓與同步電壓的差值可以判別兩種故障類型。當(dāng)（UMR －USR）＞DUM ，經(jīng)延時(shí)0.1s后，報(bào)發(fā)電機(jī)PT斷線故障告警，并動(dòng)作于通道切換。當(dāng)（USR－UMR）＞DUM 經(jīng)延時(shí)1.5s后，報(bào)同步線電壓故障告警。偏差設(shè)定值出廠設(shè)置統(tǒng)一為15%。此定值即作為PT斷線的整定值，也作為判斷整流裝置同步電壓是否正常的整定值。

此次四號(hào)機(jī)組勵(lì)磁電壓異常波動(dòng)事件中，PT二次側(cè)A相電壓僅降低了3-4V,而PT斷線邏輯中發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓相對(duì)值采用發(fā)電機(jī)機(jī)端三相線電壓的平均值，同步電壓相對(duì)值采用勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置交流母線側(cè)三相線電壓的平均值，通過查閱文獻(xiàn)，當(dāng)單相PT斷線時(shí)單相電壓下降至低于45%時(shí)，原PT斷線邏輯才能判出故障[3]。故此原PT斷線邏輯存在較大的死區(qū)，僅能對(duì)PT一次保險(xiǎn)快速熔斷、誤拉PT間隔、PT二次空開跳閘等情況正確動(dòng)作。如果以減小偏差設(shè)定值的方法以提高PT斷線的靈敏度，將有可能在一些故障時(shí)暫態(tài)過程中或者勵(lì)磁大負(fù)荷工況下，造成PT斷線或同步電壓失效造成設(shè)備誤動(dòng)。例如，2014年3月某電廠#4號(hào)機(jī)組勵(lì)磁#2整流裝置可控硅部分擊穿，由于該廠PT斷線邏輯中偏差設(shè)定值設(shè)置由出廠默認(rèn)值15%改為7%，導(dǎo)致主、備兩個(gè)通道先后報(bào)出同步電壓故障，通道發(fā)生緊急切換，險(xiǎn)些造成勵(lì)磁系統(tǒng)故障跳閘事件。由此可見，對(duì)原PT斷線邏輯進(jìn)行修改的方案是不可取的。

5 Unitrol 5000靜態(tài)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng) PT斷線邏輯改進(jìn)方法

目前國內(nèi)市場(chǎng)，針對(duì)Unitrol 5000靜態(tài)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)PT斷線的邏輯進(jìn)行升級(jí)、改造的方案有很多,其中大多數(shù)對(duì)原有的PT斷線邏輯進(jìn)行了保留，通過加裝新的檢測(cè)裝置、增加PT斷線的附加判據(jù)，來彌補(bǔ)原邏輯的不足。比如四方公司專門生產(chǎn)的TV斷線判別裝置；以及引入發(fā)電機(jī)定子負(fù)序電流、電流突變量、三相電壓相位等其他判據(jù)的方式。以上方案相對(duì)而言施工難度較大，周期較長(zhǎng)。而本文提出的以下方案，通過保留原有PT斷線邏輯，增設(shè)附加PT斷線邏輯的方法，具有監(jiān)視邏輯修改簡(jiǎn)單，標(biāo)準(zhǔn)功能塊組編程容易，邏輯易于檢查，施工周期短，難度小的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生真實(shí)的PT故障時(shí)，原PT斷線邏輯能立刻檢出故障并迅速切換通道；當(dāng)出現(xiàn)PT緩慢熔斷等問題時(shí)，增加的PT斷線附加邏輯能夠及時(shí)判別故障，并發(fā)生出PT斷線告警，通過AVR自動(dòng)實(shí)現(xiàn)切換通道，避免發(fā)變組過激磁保護(hù)動(dòng)作。

圖2 PT斷線附加判據(jù)

附加PT斷線監(jiān)視邏輯中，通過將發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓標(biāo)幺值Ug（%）與勵(lì)磁二次側(cè)電壓標(biāo)幺值Usyn（%）進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)Ug-Usyn＜△U時(shí)，經(jīng)過適當(dāng)?shù)难訒r(shí)△T后，發(fā)出PT斷線報(bào)警。報(bào)警可以啟動(dòng)PT斷線邏輯并切換通道；也可以僅向DCS發(fā)出報(bào)警，不切換通道，提示運(yùn)行人員處理。其中，△T和△U的值都可以通過參數(shù)分別進(jìn)行整定。一般△T可取3-5秒，△U取3%-5%，即可保證邏輯準(zhǔn)確判出故障，避免誤報(bào)的發(fā)生。

使用三相繼電保護(hù)測(cè)試儀對(duì)新的邏輯進(jìn)行測(cè)試。勵(lì)磁系統(tǒng)在自并勵(lì)工況狀態(tài)下，啟動(dòng)勵(lì)磁裝置。使用三相繼電保護(hù)測(cè)試儀對(duì)同步采樣回路施加額定同步電壓（黑線），使用三相繼電保護(hù)測(cè)試儀對(duì)勵(lì)磁端子排 X45 施加額定機(jī)端 PT 二次電壓（紅線），當(dāng)緩慢降低所施加的模擬 PT 二次電壓，同步采樣回路施加額定同步電壓不變時(shí)，觀察新的 PT 斷線附加邏輯延時(shí)3秒動(dòng)作（粉線為PT斷線保護(hù)動(dòng)作情況），驗(yàn)證邏輯動(dòng)作正確。

圖3 測(cè)試錄波圖

6 結(jié)束語

通過對(duì)Unitrol 5000靜態(tài)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)電壓異常波動(dòng)事件分析，發(fā)現(xiàn)原PT斷線邏輯對(duì)PT一次保險(xiǎn)慢熔異常事件存在死區(qū)，嚴(yán)重時(shí)有可能造成機(jī)組非停事件，通過新增附加判據(jù)、保留原有PT斷線的方法，對(duì)其功能進(jìn)行完善，提高設(shè)備可靠性，保證了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。