大型調相機交流潤滑油泵壓力異常問題分析及治理

李聰聰，孫孔明，鄭鳳才，曹志偉，李玉敦

（國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

隨著特高壓交直流混聯電網的快速發(fā)展和高比例新能源的接入，安全穩(wěn)定已成為電力生產任務的重中之重，調相機作為大容量動態(tài)無功支撐設備，成為大電網安全綜合防御體系的重要組成部分［1-16］。調相機是一種旋轉無功支撐設備，潤滑油系統在調相機運行過程中的潤滑、散熱等作用保證了調相機的穩(wěn)定運行［17-18］。

潤滑油系統作為調相機輔機系統中重要的子系統，一旦發(fā)生異常將會嚴重威脅調相機的正常運行。因此，為減少潤滑油系統故障或異常導致調相機非計劃停機，應對潤滑油系統的相關故障案例進行深入研究，明確故障原因，指導運行設備開展隱患治理，提高潤滑油系統的運行可靠性。

結合一起交流潤滑油主泵、備泵周期性切換時主泵電源失電事件，對潤滑油泵啟、停邏輯和油壓暫降進行分析，通過現場試驗發(fā)現因主泵逆止閥效能下降引起潤滑油母管壓力下降較快而重啟主泵，導致主泵進線塑殼斷路器因電機重啟電流過大而跳閘。根據分析結果提出更換逆止閥并在現場增加安裝蓄能器的措施，保證潤滑油系統主、備正常，提高調相機組的運行可靠性。

1 交流潤滑油泵壓力異常問題簡述

某換流站某調相機自投運以來，在潤滑油系統交流潤滑油主泵、備泵周期性切換時，備用油泵啟動正常，主用油泵退出時多次發(fā)生主油泵進線電源塑殼斷路器無故障跳閘事件。其他運行調相機交流潤滑油泵切換時未發(fā)生異常。

潤滑油系統電機均為0.4 kV 電壓等級運行設備，現場無故障錄波監(jiān)測設備。調取分布式控制系統（Distributed Control System，DCS）電流測量記錄結果，未發(fā)現異常。

為保證調相機潤滑油系統的安全可靠運行，防止交流潤滑油泵出口母管壓力低聯啟停用泵邏輯拒動，在設計時采用了兩種交流潤滑油母管壓力低聯鎖啟動停用泵邏輯［19］。一種聯啟邏輯是當運行泵或備用泵故障、壓力異常時通過DCS 系統聯鎖邏輯聯啟動備用泵。另一種聯啟邏輯是通過就地壓力開關聯鎖啟動備用油泵。DCS 系統邏輯和就地壓力開關的壓力低定值均為0.53 MPa。

現場檢修人員認為潤滑油泵油壓定值設置不合理，根據上海電機廠提供的解決方案將潤滑油原設定壓力定值0.53 MPa降低為0.5 MPa。

參照方案更改定值后，該調相機交流潤滑油泵主、備泵在周期性切換時跳電源開關的情況仍然發(fā)生，問題未得到解決。

2 異常原因分析及改進措施

調相機區(qū)域中交流潤滑油泵屬于重要輔機設備，其電源開關為塑殼斷路器，電源開關跳閘方式共有三種，分別為遠方/就地操作分閘、保護動作跳閘和開關機構異常自動脫扣。經初步分析可以排除電源開關機構異常和遠方/就地分閘操作兩種跳閘方式。為明確在進行周期切泵操作時，運行泵停泵后電源開關由保護動作跳閘的具體原因，需要對電泵的電流變化規(guī)律進行詳細分析。

2.1 交流潤滑油泵及電機參數

根據現場設備設計參數可以得到交流潤滑油泵和電機的關鍵運行參數如表1和表2所示。

表1 交流潤滑油泵參數

表2 電機參數

根據表1 和表2 可以判斷該電機在帶潤滑油泵運行時沒有達到額定工作狀態(tài)。該電機為交流異步電機，轉速差為45 r/min。根據泵的額定功率可以判斷電機運行時的電流為

式中：Iop為潤滑油泵正常運行時電機的理論工作電流。

2.2 聯啟停用泵邏輯

交流潤滑油系統油壓的穩(wěn)定是保證調相機安全運行的關鍵因素，當油壓突然降低時有兩種方式聯啟停用泵，保證母管油壓穩(wěn)定。

第一種是DCS 聯鎖啟動邏輯，邏輯原理如圖1所示。

圖1 DCS聯鎖啟動邏輯

另一種是電氣聯鎖邏輯，邏輯原理如圖2所示。

圖2 電氣聯鎖啟動邏輯

根據備用油泵啟動正常，主用油泵退出時可能會發(fā)生主油泵進線電源開關跳閘的現象，初步判斷主油泵停止運行后發(fā)生重啟現象，重啟電流過大，從而導致進線電源開關跳閘。

2.3 現場測試結果分析

為明確現場設備運行時交流潤滑油泵電源開關跳閘的原因和聯鎖重啟邏輯具體情況，在現場安裝錄波設備對周期切泵過程進行錄波。錄波設備接入該調相機交流油泵切換時的潤滑油母管壓力變化情況及電機電流變化情況。利用24 V 直流電源串接235 Ω 電阻后，再與潤滑油母管壓力變送器串聯，該電阻兩端電壓即可反映母管油壓，將電阻兩端電壓接入便攜式故障錄波器。變送器壓力量程為1 MPa，對應上述電阻兩端電壓最大值為5 V。某次切泵后電源開關跳閘時的錄波如圖3所示。

錄波采樣數據可以看作是一段時間內反映真實電氣量的一系列數據點，采樣頻率越高、采樣額定電流量程越大越能真實還原采集的電氣量。由圖3 可以得到B 泵重新啟動過程中電流嚴重飽和，說明此時啟動電流遠大于便攜式錄波器電流采集鉗子量程，與B泵重啟過程中電流特征相符。

圖3 周期切泵時電源開關跳閘錄波

電流波形出現飽和情況，所以需要充分利用現有數據對切泵過程進行分析。

由圖3（a）電流錄波波形可以分析得到現場運行油泵為B 泵，由DCS 系統發(fā)周期性切泵指令，A 泵收到投入指令后投入運行，A 泵電機啟動時三相電流為對稱電流，由圖3（b）可以看出啟動電流達到271 A。421 ms 后A 泵電流變?yōu)檎Ｘ摵呻娏鳎娏髦禐?1 A?？紤]電機帶油泵運行時的損耗，該值與式（1）的理論計算值一致。

A 泵投入運行6 375 ms 后，B 泵接收停泵指令停止運行。A泵投入運行6 696 ms，即B泵停止運行321 ms后，B泵收到投入指令重新投入運行。17 ms后，重新投入運行的B 泵因電源失電停泵。得到調相機交流潤滑油泵主備切泵時電機投退時序如圖4所示。

圖4 周期切泵時序

由圖3（b）可以得到正常運行變送器串接電阻電壓為3.071 V，所以折算母管油壓為3.071/5=0.61(MPa)。由圖3（c）可以看出，B 泵啟動前反映油壓的變送器電壓數值出現明顯下降尖峰，表示該調相機交流潤滑油泵切換過程中潤滑油母管壓力有明顯下降，由正常運行時的0.6 MPa 左右跌落至最低0.35 MPa 左右，小于交流潤滑油母管油壓低定值0.5 MPa，停用交流潤滑油泵（B 泵）滿足就地壓力開關聯鎖啟動備用油泵條件，B 泵重啟，重啟時電源開關跳閘。

2.4 電機重啟時電流劇增原因

根據時序圖4 可以判斷出B 泵（原運行泵）電源開關跳閘的原因為停泵后重啟電流過大導致。

油泵電機為異步電動機，其等效電路如圖5所示。

圖5 油泵電機T型等效電路

由圖5可知，交流潤滑油泵電機等效電流方程為

式中：U1、I1分別為定子繞組的電壓和電流；Im、E1分別為勵磁支路的電流和電勢；R1、X1分別為定子繞組的電阻和漏抗；R′2、X′2分別為轉子繞組電阻和漏抗歸算到定子側的等效值；Rm、Xm分別為反映鐵耗的等效勵磁電阻和反映主磁通的勵磁電抗。

計算定子繞組電流時，需要求解包含以上六個參數的復數方程，即

為簡化計算，令

考慮到定子繞組的電阻遠小于漏抗，同時定子繞組的阻抗遠小于勵磁支路阻抗，對等效電路進行簡化得到

K′為實數，從而得到簡化定子電流計算公式為

當電機啟動時轉差s=1，考慮到勵磁電抗遠大于定子繞組電抗，K′=1。

從而潤滑油泵啟動時其電機啟動電流Ist為

當潤滑油泵電機處于正常運行時其轉差變?yōu)?/p>

從而得到潤滑油泵電機處于正常運行時定子繞組電流為

由式（7）和式（9）對比可知，電機在啟動時電流較大，一般可達到額定電流的4～7倍。

電泵在啟動過程中，當合閘瞬間，轉子轉速為0，轉差為1，定子繞組的旋轉磁場以同步速切割轉子繞組，在轉子繞組中感應出可能達到最高的電勢，從而在轉子中產生較大的轉子電流，該電流的產生磁場抵消了定子繞組中的磁場。而子繞組為維持與該時電源電壓相適應的原有磁通，自動增加電流，此電流高達額定電流的4～7倍。

因此由圖3可知，A泵啟動時啟動電流劇增。

但是運行泵停止運行再重啟時情況與上述有所不同。

B 泵重啟時轉子磁場還有較大剩磁，該剩磁與重啟時定子磁場切割轉子繞組時在轉子繞組中產生的磁場疊加，如果二者方向相同會使得短時磁通劇增，導致勵磁支路電抗值因勵磁支路嚴重飽和急劇減小，導致定子繞組電流高達額定電流的十幾倍。

2.5 現場電源開關跳閘根本原因

根據表2 參數可得到交流潤滑油泵電機額定電流為

式中：η為電動機的額定功率因數，其值為0.905；λ為油泵電機的工作效率，其值為0.925。

當單機重啟時啟動電流可達到十幾倍額定電流，因此短時流過電泵電源開關的電流可以達到將近1 000 A。由現場電源開關參數可以得到該開關的額定允許電流為100 A，電流速斷整定定值為800 A。所以電機重啟時在特定剩磁影響下電流會超過開關的速斷電流定值跳閘。

電源進線塑殼斷路器跳閘的根本原因為潤滑油泵停泵后出現重啟，而油泵重啟是由潤滑油母管油壓瞬時降低導致的。經現場檢查發(fā)現B 泵逆止閥效能下降導致油泵切換時母管油壓快速下降。

3 解決措施

更換效能下降的逆止閥。分析調相機交流潤滑油泵的兩種聯啟停用泵邏輯發(fā)現，DCS系統中存在“油泵切換成功后15 s內禁止重啟已停運油泵”的油泵切換邏輯。按照此邏輯的設計初衷，當油泵逆止閥出現效能下降的情況時不應該重啟停用泵，因此就不會出現因電機重啟導致電源開關跳閘的情況。但是此邏輯不能閉鎖電氣聯啟邏輯，導致上述特殊情況發(fā)生。

因此，針對DCS 聯啟閉鎖邏輯和電氣聯啟邏輯之間的矛盾，建議在調相機潤滑油系統增加儲能穩(wěn)壓系統，防止?jié)櫥蛪毫Φ牟▌釉斐捎捅玫念l繁切換導致電源空氣開關“誤”跳閘。

現場增加蓄能器［20］以穩(wěn)定油泵周期切換時母管油壓，保證交流潤滑油系統安全穩(wěn)定運行。

4 試驗驗證

現場更換逆止閥并加裝蓄能器后開展測試，驗證解決措施是否有效。在現場安裝錄波設備對周期切泵過程進行錄波，錄波設備接入該調相機交流油泵切換時的潤滑油母管壓力變化情況及電機電流變化情況。

試驗1：斷開蓄能器，進行切泵試驗，單獨驗證更換的逆止閥的有效性。試驗1切泵時錄波如圖6所示。

圖6 試驗1錄波

由圖6可以看出B泵停泵時，變送器串接電阻電壓略有下降，即母管油壓略有下降，降低至0.59 MPa，更換的逆止閥性能滿足現場要求。B泵沒有重啟現象。

試驗2：投入蓄能器，進行切泵試驗，驗證蓄能器的穩(wěn)壓功能。試驗2切泵時錄波如圖7所示。

圖7 試驗2錄波

由圖7 可以得知切泵試驗時油壓（變送器串接電阻電壓反映）穩(wěn)定，幾乎沒有波動。蓄能器性能良好，可以保證潤滑油系統油壓穩(wěn)定。

5 結語

針對一起交流潤滑油主泵、備泵周期性切換時主泵電源失電事件進行分析，通過現場試驗發(fā)現潤滑油泵啟、停邏輯存在的矛盾，發(fā)現因主泵逆止閥效能下降導致主泵進線塑殼斷路器因電機重啟電流過大而跳閘的根本原因。提出更換逆止閥并增加蓄能器的解決措施。并通過現場試驗分別驗證了更換逆止閥和增加蓄能器的措施的有效性。解決了交流潤滑油系統存在的安全隱患，提高了調相機運行的可靠性。