同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁功率柜風(fēng)機(jī)電源回路的設(shè)計(jì)改進(jìn)

周 濤，嚴(yán)欣婷，廖 容，李兼伐

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023）

0 引言

同步發(fā)電機(jī)多采用自并勵(lì)的勵(lì)磁方式，在發(fā)電機(jī)出口端設(shè)置一臺(tái)勵(lì)磁變壓器，將發(fā)電機(jī)出口三相交流電降壓后再經(jīng)晶閘管整流[1]，轉(zhuǎn)換成可調(diào)的直流電，再輸送至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁線圈，從而形成發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)換所需的可調(diào)節(jié)磁場(chǎng)。

同步發(fā)電機(jī)容量越大，發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電流也會(huì)越大，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流經(jīng)過可控整流的晶閘管時(shí)，晶閘管產(chǎn)生的熱量也越大。為了給晶閘管散熱，晶閘管的P 極和N 極一般均安裝一塊散熱專用的鋁型材，兩塊鋁型材通過帶絕緣材料的螺栓固定連接在一起并形成兩極的接線柱，如圖1 為1000 A 晶閘管及其散熱器總裝圖。

圖1 晶閘管及散熱器

對(duì)于小型發(fā)電機(jī)，額定勵(lì)磁電流不是很大，只要選擇合適的散熱器，采用自然通風(fēng)冷卻的方式，即可滿足晶閘管的散熱要求；對(duì)于單機(jī)容量在630 kW 以上的發(fā)電機(jī)，其勵(lì)磁電流會(huì)達(dá)到100 A 以上，采用自然通風(fēng)冷卻的方式則難以滿足要求，因此，往往采用勵(lì)磁柜頂安裝冷卻風(fēng)機(jī)往上送風(fēng)的方式進(jìn)行冷卻，工作時(shí)，冷風(fēng)自柜體下部進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，經(jīng)散熱器后被柜頂風(fēng)機(jī)加速往上送出，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫風(fēng)冷[2]。

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁冷卻風(fēng)機(jī)一般采用三相交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其電源可取自機(jī)組自用電源或廠用交流電源。為確保風(fēng)機(jī)電源的可靠性，往往采用一主一備，2個(gè)電源的方案，在主電源失電時(shí)，備用電源自動(dòng)投入，以保證風(fēng)機(jī)的可靠供電。但即使采用雙電源供電，如果風(fēng)機(jī)電源自動(dòng)切換回路設(shè)計(jì)不合理，仍可能存在安全隱患，甚至發(fā)生設(shè)備損壞的嚴(yán)重后果。

1 勵(lì)磁功率柜故障損壞事故

某鋼鐵公司熱電廠安裝單機(jī)容量12.5MW 的發(fā)電機(jī)組，勵(lì)磁系統(tǒng)由勵(lì)磁調(diào)節(jié)柜和功率柜組成。勵(lì)磁功率柜中主要安裝三相共6 個(gè)晶閘管組成的橋式整流電路并采用柜頂風(fēng)機(jī)風(fēng)冷的方式。風(fēng)機(jī)控制電氣主回路見圖2，主電源取自熱電廠廠用變壓器，備用電源取自鋼鐵公司高爐車間配電變壓器。兩電源均經(jīng)過斷路器QF、接觸器1KM 送至風(fēng)機(jī)控制電路。風(fēng)機(jī)電源回路采用簡(jiǎn)約化設(shè)計(jì)，只要主電源失電，1KM 線圈斷電，則1KM 常開主觸點(diǎn)斷開，備用電源經(jīng)過2QF、1KM 常閉主觸點(diǎn)，自動(dòng)向風(fēng)機(jī)控制回路供電。當(dāng)主電源恢復(fù)供電時(shí)，1KM 線圈通電，常開主觸點(diǎn)閉合，常閉主觸點(diǎn)斷開，自動(dòng)將風(fēng)機(jī)電源切回至主電源運(yùn)行。兩電源通過接觸器1KM 實(shí)現(xiàn)互鎖，從而防止主電源與備用電源同時(shí)接通而出現(xiàn)短路事故。勵(lì)磁系統(tǒng)通過控制接觸器2KM，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻風(fēng)機(jī)啟停控制，同時(shí)2KM 的輔助觸點(diǎn)向勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)出風(fēng)機(jī)運(yùn)行/停止信號(hào)。2KM 常開輔助觸點(diǎn)閉合時(shí)，為風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，反之為風(fēng)機(jī)停止?fàn)顟B(tài)。

圖2 風(fēng)機(jī)控制電氣主回路

某雷雨日，熱電廠廠用變壓器發(fā)生連續(xù)遭受數(shù)次雷擊，中控室監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)勵(lì)磁功率柜風(fēng)機(jī)停止信號(hào)；信號(hào)復(fù)歸后，繼續(xù)運(yùn)行。雷擊結(jié)束后一段時(shí)間，監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)勵(lì)磁功率柜風(fēng)機(jī)停止信號(hào)和主回路快速熔斷器熔斷事故信號(hào)（快速熔斷器安裝在勵(lì)磁變至晶閘管主回路中，ABC 三相，每相一個(gè)，每一個(gè)熔斷器均配有熔斷報(bào)警輔助觸點(diǎn)），觸發(fā)機(jī)組事故停機(jī)。

事故停機(jī)后，運(yùn)行維護(hù)人員對(duì)勵(lì)磁功率柜進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)3 個(gè)快速熔斷器中有2 個(gè)熔斷器熔斷，風(fēng)機(jī)主電源和備用電源均正常有電，但風(fēng)機(jī)主電源開關(guān)1QF 和備用電源開關(guān)2QF 全部跳閘。更換新的快速熔斷器后，投入風(fēng)機(jī)主電源和備用電源開關(guān)，風(fēng)機(jī)均能正常運(yùn)行。在停機(jī)狀態(tài)下，采用電阻負(fù)載代替發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁線圈進(jìn)行靜態(tài)小電流試驗(yàn)[3]，發(fā)現(xiàn)晶閘管整流橋輸出電流不均衡，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)整流橋中+B相晶閘管元件損壞。

2 勵(lì)磁功率柜風(fēng)機(jī)電源故障原因分析

根據(jù)圖2 的風(fēng)機(jī)控制電氣回路，在熱電廠廠用變壓器遭受雷擊，保護(hù)動(dòng)作跳開廠用變高壓側(cè)斷路器后，勵(lì)磁風(fēng)機(jī)主電源消失，備用電源應(yīng)自動(dòng)投入運(yùn)行，但在本次事故中卻出現(xiàn)風(fēng)機(jī)主電源開關(guān)1QF 和備用電源開關(guān)2QF 同時(shí)跳閘導(dǎo)致冷卻風(fēng)機(jī)停電，功率柜無(wú)冷卻運(yùn)行，晶閘管得不到有效冷卻，柜內(nèi)溫度升高致使晶閘管損壞短路，引起快速熔斷器熔斷，切斷勵(lì)磁主回路并觸發(fā)機(jī)組事故停機(jī)。

根據(jù)當(dāng)時(shí)的運(yùn)行記錄，在發(fā)生上述事故期間，風(fēng)機(jī)備用電源沒有出現(xiàn)任何異常現(xiàn)象，使用該備用電源的設(shè)備也沒有出現(xiàn)任何故障，說明風(fēng)機(jī)主電源故障期間，風(fēng)機(jī)備用電源是正常的。為了查找風(fēng)機(jī)2 個(gè)電源開關(guān)同時(shí)跳閘的原因，在現(xiàn)場(chǎng)開展了試驗(yàn)。首先確認(rèn)主電源和備用電源正常情況下，合上1QF 和2QF，1KM 線圈得電動(dòng)作，接通主電源至風(fēng)機(jī)電路，同時(shí)切斷備用電源至風(fēng)機(jī)的電路；接著給上勵(lì)磁系統(tǒng)交直流控制及操作電源，手動(dòng)操作“風(fēng)機(jī)起動(dòng)”按鈕，2KM 線圈得電動(dòng)作，將1KM 主觸頭之后至電動(dòng)機(jī)的電路接通，風(fēng)機(jī)起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)；人工快速操作1QF 分合，模擬雷擊時(shí)風(fēng)機(jī)主電源快速通斷的故障工況。試驗(yàn)結(jié)果表明，1QF 通斷切換時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，風(fēng)機(jī)主備電源切換及風(fēng)機(jī)工作均正常無(wú)異，但在快速分合1QF 時(shí)，1KM 主觸頭間火花明顯，連續(xù)幾次快速分合1QF 后，1QF 和2QF 全部跳閘。

根據(jù)圖2 和上述試驗(yàn)情況分析，在風(fēng)機(jī)主備電源切換時(shí)，如果主電源消失和恢復(fù)間隔時(shí)間較長(zhǎng)，則風(fēng)機(jī)電源或成功切換，但如果主電源消失和恢復(fù)時(shí)間很短時(shí)，切換接觸器快速動(dòng)作過程中，觸頭間電弧未熄滅前，接觸器的常開觸頭和常閉觸頭因電弧而呈現(xiàn)為連通狀態(tài)，導(dǎo)致主電源和備用電源相間短路，引起電源開關(guān)過流而跳閘。本事故的原因應(yīng)該是廠用變壓器在遭受雷擊時(shí)出現(xiàn)瞬間停電而又迅速恢復(fù)供電而導(dǎo)致的。

3 勵(lì)磁功率柜風(fēng)機(jī)電源設(shè)計(jì)改造方案

上述事故的發(fā)生，根本原因在于風(fēng)機(jī)主備電源切換電路設(shè)計(jì)過于簡(jiǎn)單，沒有充分考慮主電源瞬間斷電又恢復(fù)供電時(shí)，1KM 觸頭間的電弧會(huì)導(dǎo)致主備電源短路的異常情況。為此，提出以下兩種設(shè)計(jì)改造方案。

3.1 無(wú)主備式風(fēng)機(jī)電源設(shè)計(jì)改造方案

圖3 為無(wú)主備式風(fēng)機(jī)電源設(shè)計(jì)改造方案，兩路電源均通過各自的電源開關(guān)QF 和接觸器KM 向風(fēng)機(jī)控制回路供電。兩路電源不再區(qū)分主電源和備用電源，均作為工作電源來使用。如在風(fēng)機(jī)電源上電時(shí)，先合上1QF，再合上2QF，此時(shí)1KM 先動(dòng)作，接通電源1向風(fēng)機(jī)的供電電路，同時(shí)1KM 的常閉觸點(diǎn)閉鎖了2KM 線圈電路，2KM 不會(huì)動(dòng)作，此時(shí)電源1 為風(fēng)機(jī)工作電源。工作過程中，如出現(xiàn)電源1 停電，則1KM 線圈斷電復(fù)歸，在電源2 正常情況下，2KM 動(dòng)作，接通電源2 向風(fēng)機(jī)的供電回路，電源2 切換為風(fēng)機(jī)工作電源，在此之后，如果電源1 恢復(fù)正常，風(fēng)機(jī)工作電源也不會(huì)自動(dòng)切換，除非電源2 停電，才會(huì)自動(dòng)切換回已恢復(fù)正常的電源1 供電。

圖3 無(wú)主備式風(fēng)機(jī)電源方案

在本方案中，采用了2 個(gè)帶有滅弧裝置接觸器的主觸頭來控制2 個(gè)電源的通斷，同時(shí)2 個(gè)接觸器控制回路采用對(duì)方輔助觸點(diǎn)設(shè)計(jì)了互鎖功能，任一個(gè)接觸器動(dòng)作的前提是另一個(gè)接觸器處于線圈斷電、常開主觸頭已斷開、常閉輔助觸點(diǎn)已閉合狀態(tài)，因此可從電氣上閉鎖了2 個(gè)KM 同時(shí)動(dòng)作，避免出現(xiàn)2 個(gè)電源短路的情況，同時(shí)，在電源切換過程中，也是常開主觸頭先斷開，之后常閉輔助觸點(diǎn)接通，才能完成電源切換。本方案電源切換的時(shí)間比圖2 的設(shè)計(jì)方案明顯多出一個(gè)接觸器動(dòng)作時(shí)間，增加的這個(gè)切換時(shí)間對(duì)晶閘管冷卻影響不大，但卻對(duì)加強(qiáng)接觸器主觸頭滅弧、避免兩電源短路發(fā)揮明顯作用。為更可靠地實(shí)現(xiàn)兩接觸器的互鎖，可選用帶機(jī)械互鎖功能的2 個(gè)接觸器作為電源切換接觸器，從而實(shí)現(xiàn)電氣、機(jī)械雙互鎖。

3.2 主備式風(fēng)機(jī)電源設(shè)計(jì)改造方案

無(wú)主備式風(fēng)機(jī)電源設(shè)計(jì)改造方案適用于2 個(gè)電源都是同等可靠，都適合作為主電源的情形，但從本案例來看，備用電源取自鋼鐵公司高爐車間配電變壓器，其電能計(jì)量納入高爐車間，其僅適用于主電源因故障消失時(shí)的臨時(shí)備用電源，因此，采用圖3 的方案改造，在主電源恢復(fù)供電后，還需要運(yùn)行人員到現(xiàn)場(chǎng)操作將電源切換回主電源工作，因而也帶來運(yùn)行操作上的不便，為此，可采用圖4 的主備式風(fēng)機(jī)電源設(shè)計(jì)改造方案。

圖4 主備式風(fēng)機(jī)電源方案

本方案明確區(qū)分主電源和備用電源，各自經(jīng)過電源開關(guān)QF、控制接觸器KM 常開觸頭和對(duì)方接觸器KM 常閉觸頭后接至風(fēng)機(jī)控制電路。2 個(gè)電源控制的區(qū)別在于接觸器線圈電路，主電源控制的1KM 線圈直接接在1QF 后的AC 相上，備用電源控制的2KM線圈則串接了1KM 的常閉輔助觸點(diǎn)。在此方案中，只要主電源恢復(fù)正常，1KM 動(dòng)作，先切斷2KM 線圈電路，讓2KM 復(fù)歸，2KM 常開觸頭斷開，切斷備用電源至風(fēng)機(jī)的供電電路；當(dāng)2KM 復(fù)歸至常閉觸頭接通時(shí)，與1KM 動(dòng)作接通的主觸頭一起接通主電源至風(fēng)機(jī)的供電電路，實(shí)現(xiàn)了在主電源正常情況下，由主電源供電；當(dāng)主電源故障，備用電源正常時(shí)，由備用電源供電的主備式風(fēng)機(jī)電源供電方案。相比圖2 原設(shè)計(jì)方案，主備電源的切換動(dòng)作時(shí)間多了一個(gè)接觸器動(dòng)作時(shí)間，電源供電回路多串了一對(duì)接觸器觸頭，均有利于電源切換過程中觸頭處的滅弧工作，有效避免上述事故的發(fā)生。

3.3 ATS 雙電源自動(dòng)切換開關(guān)方案

無(wú)主備式和主備式風(fēng)機(jī)電源設(shè)計(jì)改造方案是在現(xiàn)在基礎(chǔ)上，針對(duì)原設(shè)計(jì)方案存在問題提出的改造方案，為更好地實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)供電的雙電源自動(dòng)切換，可選用市場(chǎng)上技術(shù)成熟、質(zhì)量可靠，采用電磁驅(qū)動(dòng)，具備機(jī)械和電氣互鎖功能，在郵電通訊、煤礦船舶、醫(yī)療衛(wèi)生、高層樓宇等雙電源供電場(chǎng)合廣泛應(yīng)用的ATS 雙電源自動(dòng)切換開關(guān)[4]。由于ATS 開關(guān)的尺寸及安裝空間均大于前述方案接觸器的方案，建議將電源開關(guān)1QF、2QF 及ATS 開關(guān)移至勵(lì)磁功率柜外另行安裝，僅將電源切換后的線路接至風(fēng)機(jī)控制電路即可。

4 結(jié)語(yǔ)

同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁功率柜風(fēng)機(jī)電源供電的可靠性直接影響到勵(lì)磁系統(tǒng)的正常工作，關(guān)系到勵(lì)磁整流晶閘管的安全，甚至是發(fā)電機(jī)的安全，因此需要引起重視。結(jié)合某熱電廠勵(lì)磁功率柜風(fēng)機(jī)電源設(shè)計(jì)存在問題引起晶閘管損壞的事故，深入分析事故原因，提出了3 個(gè)有效的設(shè)計(jì)改造方案，其中主備式風(fēng)機(jī)電源設(shè)計(jì)改造方案僅需要增加一個(gè)接觸器并對(duì)電路接線進(jìn)行一定改造，投入少，改造時(shí)間短，可快速完成施工并能有效解決原設(shè)計(jì)方案存在的安全隱患。此外，為更好地完善風(fēng)機(jī)電源回路的監(jiān)控，建議電源開關(guān)QF 配上輔助觸點(diǎn)，并將QF 輔助觸點(diǎn)、各接觸器輔助觸點(diǎn)接入監(jiān)控系統(tǒng)，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控風(fēng)機(jī)電源供電電路的工作情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)供電電源存在的問題。