U N I T R O L5000型励磁系统在首钢京唐自备电站的应用

张海忠

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司能源与环境部，河北唐山063200）

1 引言

首钢京唐公司自备电站位于河北省唐山市曹妃甸工业区，是国家十一五规划内首钢搬迁工程中最重要的项目之一，设计装机容量为2×300M W，电能主要供京唐公司生产使用，因此，系统稳定可靠运行才能保证全公司的生产顺利进行，而励磁系统作为整个发电系统中最重要的组成部分，其控制性能的好坏直接影响电网的质量。

2 发电机的励磁方式

从汽轮发电机的发展历史来看，其励磁系统主要分为如下几种：

（1）直流励磁机励磁系统

早期的中小型汽轮机发电机容量较小，所需的励磁容量也较小，因此采用直流励磁机励磁，结构较简单，操作也比较方便。直流励磁机是与主发电机同轴旋转，速度较高，受换向器（整流子）的限制，容量不能做得太大，一般使用于50M W以下的汽轮发电机[1]。

（2）交流励磁机励磁系统

交流励磁机励磁系统又称之为三机励磁系统，是由发电机、主励磁机、副励磁机三者在同一轴上一起旋转，如图1所示，副励磁机一般采用永磁电机或中频电机（400～500H z），主励磁机为交流励磁机（100～200H z），副励磁机整流桥一般为半控桥，主励磁机整流桥一般为二极管不控桥。其中又根据主励磁机整流桥是否旋转，三机励磁系统可分为交流励磁机静止励磁系统和交流励磁机旋转励磁系统（即无刷励磁系统）。

在交流励磁机静止励磁系统中，主励磁机整流装置是静止的，主励磁机的励磁绕组为转子，电枢绕组为定子。和直流励磁机励磁系统一样需要配滑环、碳刷、灭磁电阻和灭磁开关等部件。因有灭磁回路，当系统和发电机发生故障时能尽快切除机组，减轻事故。它的灭磁时间较短，切机时间较快，对系统稳定性有好处。这种系统原苏联的发电机采用较多，我国100M W及以上的汽轮发电机多数也是这种励磁方式。

在交流励磁机旋转整流励磁系统中，主励磁机为旋转电枢同步电机，其励磁绕组为定子，电枢绕组为转子，主励磁机整流装置和三机同轴旋转，其优点是无碳刷、滑环、整流子等，不会有碳刷的冒火问题，运行维护方便；不产生碳粉和铜末，因此不会导致电机绕组绝缘污染而降低绝缘水平。缺点是励磁回路无灭磁装置，电机或系统发生事故而跳闸后，电机靠自然灭磁，时间相对较长；无法直接测量和观察励磁电流和电压。采用无刷励磁系统以美国西屋、德国西门子、法国阿尔斯通等公司居多。我国引进西屋技术生产的300M W和600M W发电机也采用这种励磁方式[1]。

图1 交流励磁机励磁系统

三机励磁系统的优点为励磁机为交流发电机，励磁容量不受限制；缺点是旋转部件较多，励磁系统发生故障的可能性也较多，另外轴系较长、轴承座较多，易引发机组震动超标。

（3）自并励励磁系统

自并励励磁系统又称静止励磁系统，如图2所示。这种励磁系统的特点是：无主、副励磁机，励磁电源取自发电机端，经励磁变压器及可控硅整流器供给发电机励磁绕组励磁；无旋转部件，结构简单，轴系短，轴承座少；励磁回路中有滑环、碳刷、灭磁装置，响应速度快；可以提供较大的励磁功率[2]。

图2 自并励静止励磁系统

自并励励磁系统的优点是：①轴系长度短，轴承座少，从而可以降低轴和轴承座的振动值，提高机组安全运行水平。②旋转部件少，故障率大为降低，可靠性高，维护量小。③响应速度快，调节能力强，可以提高电力系统稳定性。

由于该励磁方式的突出优点，且随着电力电子器件和控制技术的日渐成熟，其成本在不断降低，可靠性不断提高，因此该励磁方式在国内外大中型机组已普遍采用。

（4）电压源可控整流励磁系统（G e n e r e x-P S S）

电压源可控整流励磁系统属于静止励磁系统范围，它是美国G E公司近年来开发的一种新型励磁系统，但与自并励励磁系统又有较大区别，这种励磁系统的特点是：励磁电源取自定子绕组内独立的一套附加绕组，经励磁变和整流装置后供给发电机励磁。因励磁电源取自发电机内部，因此不受系统干扰的影响，另外其灭磁方式也较为特殊，G e n e r r e x-P S S励磁系统与自并励系统一样无旋转部件，缩短了轴长，减少2～3个轴承座，可改善轴系振动值，提高轴系稳定性；但该系统也需滑环和碳刷[1]。

3 系统的组成和功能

本公司2×300M W自备电站项目主要的大型设备均为国产，汽轮机为哈尔滨汽轮机厂制造，型号为C N 300-16.7/537/537型（合缸），型式为亚临界一次中间再热单轴两缸两排气，单抽供热凝气式汽轮机。发电机为哈尔滨发电机厂制造，鉴于自并励励磁系统的优点和国外设备的成熟可靠，本系统采用A B B公司的 U N I T R O L5000型静止励磁系统，发电机及励磁系统主要的参数如下：

发电机型号：Q F S N-300-2

视在功率：353M V A

有功功率：300M W

最大连续输出功率：330M W

功率因数：0.85（滞后）

定子电压：20k V

定子电流：10190A

励磁电压（计算值）：365V

励磁电流（计算值）：2642A

频率：50H z

转速：3000r/m i n

效率：99.02%

定子绕组接线方式：Y Y

相数：3

励磁方式：自并励静止励磁

UNITROL L5000是UNITROL系列的第五代励磁调节器，用于同步发电机静止励磁系统，通过可控硅整流桥控制励磁电流来调节同步发电机端电压和无功功率。系统主要包括四个主要部分：励磁变压器（T02），两套相互独立的励磁调节器（A 10，A 20）；可控硅整流桥单元（G 31……G 34）；起励单元（R03，V03，Q03）和灭磁单元（Q02，F02，R02），如图 3所示[3]。

图3 U N I T R O L5000系统原理框图

其工作原理为：在静态励磁系统中，励磁电源取自发电机机端，同步发电机的磁场电流经由励磁变压器T02、磁场断路器Q02和可控硅整流桥G 31…G 34供给。励磁变压器将发电机端电压降低到可控硅整流桥所需要的输入电压、为发电机端电压和磁场绕组提供电气隔离以及为可控硅整流桥提供整流阻抗。可控硅整流桥G 31…G 34将交流电流转换成受控的直流电流Ⅰf。

本公司所采用的励磁装置具体型号为A 5 S-O/U 2 n 1-A x x x x，励磁调节器为双通道自动方式，n-1冗余设计；整流器件型号为U N L13300，整流桥的每个桥臂为一个可控硅器件，三相六脉冲；交流断路器安装在励磁变压器低压侧。每套系统包含5个控制柜，从左到右依次为：励磁调节器柜1个、灭磁起励和直流出线柜1个、功率柜3个、交流进线和磁场开关柜1个。

（1）励磁调节装置

根据系统要求，励磁调节器采取双通道（A 10和A 20）结构。每个通道是一个主要由主控板（C O B）和测量单元板（M U B）构成的独立的处理系统，主控板C O B是调节器的核心，所有的调节、限制保护、控制及脉冲生成等功能均在C O B中发生。测量单元板M U B用于快速处理发电机出线端的三相电压和电流型号，并将调理后的信号送至励磁调节器。

接口模块如快如输入输出板（F I O）和主回路信号接口板（P S I）等可以为上述控制板提供测量信号和控制信号的电气隔离。

U N I T R O L5000还具有强大的串行通信功能，如具备M o d b u s串联接口。在励磁系统内，控制和状态信号是通过A R C n e t网实现的。磁场断路器跳闸回路还附加了硬件回路。

励磁调节装置具有发电机机端电压调节、励磁电流调节。励磁监视保护功能和可编程逻辑软件等功能。

（2）起励单元

一般情况下，U N I T R O L5000可实现残压起励，连续触发可控硅整流桥，以二极管整流桥模式将电压升至电子控制回路能够正常工作10V～20V的范围。

如果因长期停机等原因造成在几秒钟内无法用残压建立起正常工作所需要电压，则启用备用起励回路，由V03、R03和Q03组成，用他励方式建立这一电压。当机端电压达到发电机额定电压的10%时，整流桥已能接管励磁控制，起励单元自动退出，软起励过程开始并将发电机电压升到预定水平。整个起励过程的控制和监测都是由A V R软件实现的。

备用起励回路需要的电流很小，从而可以在大容量发电机励磁系统中实现直流起励，并且由于起励电阻的阻值可以很高，起励时的励磁时间常数（L/R）也随之大为减少。

（3）整流装置

本系统配置3面整流柜（+E G.1～+E G.3），对应3组整流单元，每个整流单元包括：三相可控硅整流桥，整流桥接口板（C I N）、门极驱动板（G D I）和整流桥显示单元（C D P）。3个整流单元互为备用。

可控硅整流桥可以连续提供1.1倍额定强励电流和顶值强励电流，由6只双侧冷却的可控硅组成，每只可控硅上都串联一个快速熔断器，可将有故障的可控硅分支隔离，保护其他可控硅和快熔免受损坏，熔断器动作时弹簧带动微动开关进行控制和报警。

整流桥接口板C I N是一个独立的控制和调节部件，主要功能是向门极驱动板G D I发送用于触发三相全控整流桥的的脉冲列，并完成整流装置部件的监控和控制、通过A R C n e t与C O B进行通信等功能。

门极驱动板G D I采用脉冲变压器为主回路和控制回路之间提供电气隔离，并将脉冲信号放大到晶闸管触发所必需的电压水平，脉冲变压器一般安装在G D I板上。

单个机柜采用强迫风冷，两组风机冗余冷却方式，风机的运行和故障信息可在功率柜的C D P上显示和报警。C D P还可以显示整流桥各臂的导通状态、C I N状态以及整流桥输出电流等。

（4）灭磁单元

灭磁设备的作用是将磁场回路断开并尽可能快地将磁场能量释放。灭磁回路主要由磁场断路器Q02，灭磁电阻R02、晶闸管跨接器F02及其相关的脉冲闭锁元件组成。

在额定励磁电流小于 4500A的发电机组中，一般采用交流灭磁。首先，在整流桥出现内部短路的情况下，它能可靠地将整流桥与电源断开，防止事故扩大。此外，在电源侧为检修和维护工作提供了明确的断开点，保证了操作人员的安全。当励磁电流更大时，则采用快速直流磁场开关方案。

灭磁过程由来自发电机保护的或内部的励磁保护跳闸命令启动，同时作用于断开交流磁场断路器，闭锁脉冲和触发跨接器，将转子电流导入灭磁电阻。由于脉冲被闭锁，励磁变副边交流电压被叠加到磁场断路器的电弧电压上，可以缩短灭磁时间。

灭磁电阻的额定值与磁场断路器的弧压和励磁绕组允许的最大电压相匹配。其能容选择则以能够吸收故障条件下励磁绕组中因感应电流而存储的最大灭磁能量为准。

并网后，励磁系统可工作于A V R方式，调节发电机的端电压和无功功率，或工作于叠加调节方式，实现恒功率因数控制、恒无功调节以及可以接受电厂调度指令的成组调节等。

4 小结

自1#机组2009年5月投运以来，其励磁系统已正常运行将近一年时间，设备工况基本稳定，但也发生过因励磁系统故障导致的发电机跳机事故，从中也暴露出目前所存在的一些问题：

（1）励磁系统中，有些特定的报警或跳机定值设定未结合本厂的实际情况，依赖设备提供方专家的经验值，可能造成系统误报警或者误动作。需对本厂设备的一些参数进行重新测定和标定，综合考虑本厂实际工况和专家经验值，对重要的参数定值进行重新确定，在保证系统安全正常工作的前提下，尽量减小误报警和误动作，从而避免一些不必要的停机事故，减小损失，提高生产效率。

（2）技术问题过度依赖设备厂家，本单位相关专业人员对设备的结构和原理等知识储备和相关经验严重不足。当励磁系统出现一些报警或者常见故障时，无法及时采取合理有效的措施进行处理，使得设备故障演变成跳机停产甚至不可挽回的永久性设备损坏。设备管理人员应该高度重视专业技术水平的提高，有针对性的进行学习提高，单位也应当组织相关的设备厂家对本单位的专业技术人员进行强化培训，提供完善的技术资料，组织完成励磁装置常见故障处理预案。可能的情况下，有必要对电气或自动化专业进行细分，抽调相关专业人员组建传动控制小组，专门负责部控设备的大中型励磁系统、变频系统、软起动设备等传动控制装置的专业技术工作。能够及时处理常见的故障，减少停机次数或缩短停机时间。

（3）励磁系统的维检单位技术力量薄弱，无法完成设备的维护工作。应当加对强维检单位的技术要求，督促其不断提高设备维护的技术水平。本单位设备管理人员和设备厂家技术支持人员进行沟通协调，准备一些常见的易损件做备用，并能够独立组织完成部件的检查更换等维护工作。

[1]毛国光.我国汽轮发电机励磁系统发展概况[J].电网技术，1997(12).

[2]李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用[M].北京：中国电力出版社，2002.

[3]U N I T R O L5000励磁系统手册[S].A B B，2002.

[4]冯桂清，宋顺一.静态励磁系统与三机励磁系统的比较[J].发电设备，2001(2).

[5]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].第4版.北京：机械工业出版社，2004.