火电厂励磁系统主、备励切换可靠性的改造

程威，史运峰

(1.广州珠江电厂，广东 广州 511457;2.广州艾博电力设计院公司，广东 广州 510080)

1 系统概况

广州某火电厂300 MW机组配备主励和备励2套可以互相切换的励磁系统。该电厂发电机为哈尔滨电机有限公司的QFSN－300－2发电机，励磁系统为有副励磁机的它励整流三级励磁，永磁副励磁机输出400 Hz交流，一路经主励交流开关41E为自动电压调节(AVR)可控硅整流装置供电。另一路经感应调压器和隔离变压器以及备励直流开关2ZKK为二极管整流装置供电。副励磁机输出经整流后为主励磁机提供励磁电流，主励磁机输出100 Hz交流经三组三相二极管桥式整流装置整流后为发电机提供励磁。主励采用的励磁调节器是南瑞电气控制公司SAVR－2000励磁调节器。备励采用感应调压器来调节发电机励磁，控制方式是“人－机”开环方式。在正常运行时，由AVR主励实现对极端电压的闭环控制以及PSS，AVC等附加控制功能。当主励故障且退出运行时，切换至备励由值班员根据极端电压和系统无功需求手动调节励磁［1］。系统一次接线如图1所示。

2 励磁系统转换过程的异常情况

2.1 备励切主励导致失磁

图1 系统一次接线图

该厂自1994年投运以来，因AVR卡件故障、AVR装置电源丢失、AVR电源板故障、AVR误强励、AVR失灵等原因经历过几十次励磁系统主、备励切换。该厂采用的主、备励切换方式是并列式(转移负荷法)，在主、备励的直流输出并列、解列瞬间多次出现无功波动大、发电机失磁报警甚至发电机失磁保护动作跳机、发电机转进相运行等异常现象和事故。2002年9月22日，#4机组AVR失灵故障处理完后进行了备励转换主励的操作(当时机组有功负荷为200 MW，无功负荷为63 MV·A)，合上主励交流开关41E后，增主励输出，减备励输出，维持无功负荷在63～78.0 MV·A之间，备励输出降至最小后，投入微机励磁调节系统的补偿开关2KK［1］，在无功负荷为 78.0 MV·A 时，手动切开备励开关“2ZKK”，此时，无功负荷从78.0 MV·A跌至1.7 MV·A，运行人员立即抢合备励开关2ZKK，同时按“备励增磁”按钮，但发电机失磁保护已动作，机组主开关及41E，灭磁(FMK)开关跳闸，并联跳机、炉。

2.2 备励切主励导致无功大波动

2010年5月3日，#2机组因检查AVR可控硅柜下桥脉冲开关跳闸将主励切备励运行(当时机组有功负荷为220 MW，无功负荷为65 MV·A)，备励调至最低输出后，投入微机励磁调节系统的补偿开关2KK，合2ZKK使主备励并列后开始增备励输出，减主励输出维持无功在60 MV·A左右，值班员为确保断开主励交流开关41E前主励可控硅输出尽可能小，点击了3次以上分散控制系统DCS(Distributed Control System)上“主励减磁”按钮，发现无功没有减小，作者认为在此情况下断开41E开关最保险，值班员随后断开41E开关，机组无功突然由56 MV·A升至209 MV·A，机组6 kV厂用母线电压由6.3 kV升至6.7 kV，经值班员迅速减备励输出才恢复正常。

2.3 备励升压试验过程中的过激磁

2010年3月21日，该厂#1机组大修后进行了发电机空载试验和励磁系统特性试验。在发电机用备励升压至额定电压20 kV后，值班员接令降压后灭磁，在减备励至机端电压为1 kV以下后，继续点击“备励减磁”按钮，点击2下后机端电压突升至23.75 kV，“发电机过激磁”声光报警出，值班员迅速切开FMK开关。

3 原因分析

3.1 2套整流装置换流过程不一致

主、备励并列运行后，发电机主励磁机的励磁整流装置为可控硅整流和二极管整流的并列，由文献［2］可知，当2套整流装置交流输入一致时，整流装置是带续流二极管的可控硅整流，而实际是二极管整流装置的交流输入使得调压器T1和隔离变压器T2电压的幅值和相位发生了变化。

可控硅整流交流输入为

二极管整流交流输入为

取一个时间点t0来分析2套整流系统的换流过程(此分析中将换流器的换流过程理想化，不影响结论):假设t0点为二极管整流装置U2cb向U2ab换相的自然换相点，那么它的直流输出为Ud2(t0+τ)=U2ab，即二极管整流在t0处换相后至下一个换相点间的直流输出，τ∈(0～π/12)。

可控硅整流的换相点受到触发角α的控制和交流输入角度差θm的影响，在二极管整流的自然换相点处其触发导通的相别可能为(θm按锐角计)

在上面的公式中:UFL为副励磁机输出400 Hz交流电压有效值;m为调压器变比，取值范围为0～1;θm为随调压器变比变化的相角偏移值;U1a为可控硅整流的交流输入A相瞬时值;U1b为可控硅整流的交流输入B相瞬时值;U1c为可控硅整流的交流输入C相瞬时值;U2a为副励二极管整流的交流输入A相瞬时值;U2b为副励二极管整流的交流输入B相瞬时值;U2c为副励二极管整流的交流输入C相瞬时值;Ud1为可控硅整流的直流输出;Ud2为副励二极管整流的直流输出;t为t0起至下一换相点之间的时间间隔。

由上述分析不难看出，当存在换流不一致时，在2套整流装置的内部将出现相间环流、同相的并联回路环流，如此一来，势必会影响励磁主回路的励磁电流供给。本文第2.2章节中的无功突升就是因为主励减励磁时触发角α增大，使得2套整流装置的环流过大、输出给主励磁机的励磁电流锐减。

3.2 备励调压器的调节方向跳变

该厂的备励调压器作用于调节二极管整流装置的交流输入，从而调节备励的直流输出。备励调压装置是由调压电机、减速装置、限位装置和自耦变压器组成。从备励调压器最低输出位至最高输出位为180°角调节区域，0°和180°处分别设有限位开关。限位开关的作用是在0°和180°的两极处切开调压电机的接触器以防止其转到180°～360°的区域。一旦限位开关失灵，在0°附近(备励最低输出)继续按减磁按钮就会使自耦变压器的触头移至最大输出处，出现本文第2.3章节中的过激磁甚至过电压现象。在本文第2.1章节中，事故的原因是在升主励、减备励至最低过程中，备励的调压器出现调节方向的跳变至某一个较大位置，在分开2ZKK后备励这一路直流输出失去，使得发电机励磁锐减，其后AVR强励过程中脉冲电源又出故障，最终由欠励发展为失磁事故。

4 解决方法

4.1 监视整流装置环流的措施

为了避免主、备励并列运行后可控硅整流和二极管整流的换流不一致，在2套整流装置的内部出现相间环流和同相的并联回路环流，在2010年度4台机组轮修时，分别在AVR主励可控硅装置的直流输出端和备励二极管整流装置的输出端增设带极性的直流分流器用来监视并列运行的2套整流装置的直流输出大小和极性，如图1所示。这样，可有效监视2套整流装置间的环流，为值班员正确倒励磁负荷、切换励磁装置提供参考。

4.2 监视整流装置环流的措施

为了防止备励调压器出现调节方向的跳变，在2010年度4台机组轮修时，在备励调压器的0°和180°处分别增设1个限位开关，2个限位开关全部采用欧姆龙的D4A系列小型重载开关，2个限位开关的输出并联来作用于调压电动机的控制回路，这样，会在很大程度上避免限位失灵导致的备励调压器调节方向跳变。

2011年2月，改造后的#1，#2机组停机前在主、备励倒换试验过程中有效地监视到了2套整流装置间不稳定的环流并依据环流进行了调整，实现了小扰动切换。从2010年改造至今，该厂4台次机组检修后，进行了励磁系统试验、空载试验的备励升/降压，没有出现过备励过调现象。

5 结论

本文通过对广州某电厂励磁系统主、备励切换出现异常现象和事故的分析，从可控硅整流和二极管整流并列运行的电路模型、备励调压器的调节特性2个方面出发，总结出了该电厂主、备励切换异常的原因并给出了提高主、备励切换可靠性的方法。通过技术改造，该厂的主、备励切换可靠性得到了提高，避免了大型火电机组励磁系统主、备励切换过程中机组对系统无功、电压、静态稳定性的冲击，避免机组失磁事故的发生。

［1］邱关源.电路［M］.4 版.北京:高等教育出版社，2004.

［2］王兆安，黄俊.电力电子技术［M］.5版.北京:机械工业出版社，2009.