励磁均流系数的提高与优化

邢瑞江

（华电电力科学研究院，浙江杭州 3100 30）

0 引言

山西某电厂为2×135 MW发电机组，励磁装置配置为南京南瑞公司生产的SAVR-2000发电机励磁调节器，其两台可控硅整流装置型号为FLZ-1000，额定电流为1350 A，采用双窄脉冲触发可控硅的三相全控整流电路。两台可控硅整流装置自投运以来整体工作稳定。

2012年，两台可控硅整流柜的转子电流出现较大的不平衡。随着励磁电流分配不均的问题日趋严重，整流装置中负担重的元件有可能最先损坏，接着加重其他元件的负担，从而引起其他元件也相继损坏。因此对于可控硅整流柜的均流问题应予以足够重视。

1 均流系数

均流系数是指并联运行各支路电流的平均值与最大支路电流值之比。根据GBT 7409.3-2007《同步电机励磁系统大、中型同步发电机励磁系统技术要求》规程第5.19条的规定，功率整流装置的均流系数应不小于0.85[1]。

在不同的发电机功率点下，测量计算励磁功率整流装置的均流系数是不一样的。均流系数是随着励磁总电流的增大而上升，越靠近额定励磁电流，均流系数越高。一般在功率整流装置总输出电流为80%～100%额定励磁电流时，读取励磁电流和各功率整流装置的电流来计算均流系数。各功率整流装置的电流也可通过回路的分流器压降换算得出。

2 可控硅整流装置原理

可控硅整流装置的核心是三相可控硅整流桥。

图1 整流柜主回路接线图及波形图

同步发电机的半导体励磁大多采用三相全波全控整流电路。在三相全波整流接线中，六个桥臂元件全都采用可控硅。可控硅又称晶闸管[2]，其构成的整流电路可将交流电转变成直流电供给直流负载，逆变电路又可将直流电转换成交流电供给交流负载。

可控硅元件需要靠触发电路实现换流。触发电路是将控制电压信号转变成触发角信号，通过向晶闸管提供门极电流，决定各个晶闸管的导通时刻。为减少门极损耗，触发信号一般采用脉冲形式。触发脉冲有宽脉冲、双窄脉冲或脉冲阵列等形式。对于三相全桥式整流电路，要求触发脉冲信号是间隔60°的双窄脉冲或大于60°小于120°的宽脉冲（一般取80°～100°）或脉冲列。

3 电流不均问题的产生

2012年10月份以来，发电机正常运行过程中，出现两台励磁可控硅整流柜的转子电流出现较大的不平衡现象，整流柜A柜输出转子电流400 A左右，B柜输出转子电流700 A左右。经检查，励磁可控硅整流柜无异常，两套整流装置触发角也基本相同。不过整流柜设计时，充分考虑了整流柜的冗余度，单台整流柜就可以满足转子电流运行要求[3]。一台机组用两套整流柜的目的就是从安全运行的角度考虑，即使一套整流柜出现故障，另一套也可以满足运行要求。因此，为保障冬季供热和发电需求，一直保持生产运行，同时加强设备巡视。

2013.1～2013.6月份励磁整流装置均流系数测试数据见表1（以0.85为基准）。

2013年7月份，机组开始停机大修。检修期间，通过做可控硅整流柜各项试验，检查晶闸管元件和回路，试图发现问题的根源。

首先通过小电流试验来观察各个整流柜输出电压的波形，验证脉冲回路是否有问题。分别对两个整流柜进行了小电流试验，通过示波器观测波形和理论计算直流侧输出值，小电流试验正常，脉冲回路正常，可控硅触发导通正常。测试数据见表2。

两台整流柜同时小电流试验波形比较，试验结果两波形重合，直流输出电压一致。波形比较图如图2所示。

表1 励磁整流装置均流系数测试值

表2 励磁整流装置小电流试验值

通过上述检查测试，说明两套整流装置触发角基本相同，小电流试验正常，励磁装置可控硅整流回路未发现异常。

图2 两台整流柜同时小电流试验时输出波形比较图

4 均流的优化与改造

均流系数不达标的问题是可控硅整流装置并联运行中经常存在的现象。我们可以根据经验积累和试验测试，结合现场具体的情况进行分析，对应采取不同的解决方法，提高和优化均流系数。

（1）转子整流回路可控硅元件的优化

可控硅在选型时，为了满足励磁系统正常运行以及强励工况下的运行要求，设计过程中要充分考虑容量的裕度。这样势必会造成单柜在机组正常运行中的输出电流与额定输出电流相比有一定的富裕容量。考虑到均流至少要在单柜输出达到50%的额定电流时来计算才有意义，因为工程设计在可控硅选型时的依据是额定工作点的伏安特性曲线尽量一致，所以在较低负载时一致性不好是很正常的。

在选用可控硅整流元器件时，即使能选用正向特性完全一致的元器件（实际是不可能的），组装时由于元器件、快熔等接触电阻的影响，在导通时仍然会产生一定的电阻压降不平衡。可控硅整流装置并联支路具有相同的电压降，当正向伏安特性不一致的可控硅元件并联在一起时，各支路就会流过大小不同的电流，这种情况就造成了回路不均流。

对此，首先对可控硅进行合理选配和调配[4]，使得可控硅的各个并联支路的平均通态压降和回路等效阻抗尽可能接近相等，并保证可控硅的散热条件相同。

通过合理的搭配，使各元件开通时间的偏差均小于20 μs，正向压降的偏差也小于0.05 V，元件的额定电流满足1.1倍的冗余。

对于选配并联元件有困难的情况，还有一种方法是在可控硅的桥臂或整流桥的三相交流的输入端接入均流电抗器或均流电阻或磁环。但此处理措施比较繁杂，我们没有采用。

（2）交流进线回路的改造

交流进线的布局不合理，连接方式不对称，均会造成交流母排的等效电阻不同，进而对均流系数造成影响。，连接的铜排及元器件的螺丝出现连接不紧固的情况也会导致交流侧的阻抗有差异。另外，快速熔断器电阻特性也不可能完全一致，在长时间的运行过程中，铜排与快熔接触面也会氧化。这些都会造成交流进线回路的阻抗出现差异，引起均流效果不良情况的发生。

针对这种情况，根据机组状态的不同，采取了不同的处理措施。当机组处于长期运行状态，用点温枪或红外成像仪测量每个连接螺丝处的温度，检查连接处是否存在温度过高的情况；当机组处于停机状态，将所有螺丝紧固一遍，紧固力度尽可能保持一致和适中，减少硬件的一次回路接线电阻的影响。在机组处于检修期间，优化交流进线的布局，将励磁变低压侧交流进线位置改造处于两个整流柜中间，各整流柜的励磁交流进线采用对称的布局，使两台可控硅整流柜交流进线距离基本相等，电阻、自感和互感的影响也大致相等，并重新紧固了两个整流柜交流刀闸、直流刀闸、交流进线铜排、铜排与散热片、直流铜排、快熔与铜排连接处的螺丝，同时对交直流刀闸触头上使用导电膏，减小接触点的接触电阻。

（3）脉冲触发回路的优化

可控硅元件是通过触发电路实现换流。如果各支路触发电路的触发角有偏差，通将影响各个晶闸管的导通时刻，当导通不同步时，也会造成支路电流不均衡的现象。因此，要首先检查每个整流柜子上脉冲端子是否紧固；整流柜脉冲盒上六个红灯是否正常。同时可以用示波器观察脉冲放大板的输出波形是否缺失或者一致，观察整流柜的输出电压波形是否缺失或者一致。若出现脉冲缺失或者不一致的情况，则可能是脉冲回路中的二极管损坏或者相应的脉冲触发回路受到了干扰等原因。

针对这种情况，可选用可调触发角的脉冲放大板，在不同负荷下调节各整流柜的输出电流。其原理是通过比较并列运行可控硅整流柜的输出电流的大小，微调触发脉冲位置，进而改变输出电压，使难以开通的或通态压降大或回路阻抗高的可控硅并联支路提前触发，提高该支路的输出电流，最终使每个可控硅整流柜的输出电流接近一致。这种方法亦称数字均流或智能均流[5]。但需要注意的是该方法在实质上并没有对可控硅各整流桥并联回路的阻抗不均衡进行优化，也就是说没有从根本上解决电流不均的问题。

（4）外部采样测量显示回路的影响

励磁整流装置的测量回路中，各支路的分流计型号不同，二次回路阻抗和负载不同，也将影响测量输出毫伏信号的差值准确度。变送器输出及传输电缆是否有信号衰减，远方中控表计是否有问题等，都将影响均流系数的计算和判断。

为了排除这些因素的影响，在机组检修过程中，对励磁整流回路的各个测量和显示元件也进行了检查、测试和处理。测量各整流柜中快速熔断器电阻的阻值均为0欧姆，表明快熔正常。测量分流计到电流表的线电阻正常。变送器和远方中控表计均试验合格。

另外，对励磁整流装置外部环境也进行了优化，励磁小间加装了大功率柜式空调，控制室内温湿度。同时，完善维护巡检制度，定期进行励磁回路和元件的红外成像，定期对设备的运行情况进行跟踪，对异常发热元件及时进行处理。

通过上述一系列的优化和改造措施，该厂的均流系数得到了极大地提高，优化效果明显。改善前后的数据对比见表3。

表3 励磁整流回路优化前后的均流数据对比

5 结语

综上所述，据以上分析可知，选择平均通态压降差异较小的可控硅并进行合理的分组是解决可控硅的均流先决条件；合理的可控硅整流柜的布局是解决可控硅的均流的主要措施，在可控硅整流柜的布置不能做到完全对称时，应考虑可控硅平均通态压降与可控硅整流柜布置上的配合；在可控硅整流柜的交流侧输入端接入均流电抗器或均流电阻或磁环一般只在对均流有特殊要求时采用；而数字均流一般来说是权宜之计。

因此，最好的均流方法应使得可控硅的参数和回路阻抗尽量一致。事实上，最合理的可控硅优化应是均热负荷优化，这样才可以确保每只可控硅都充分发挥它的能力。

[1]GB/T 7409.3-2007，同步电机励磁系统大、中型同步发电机励磁系统技术要求[S].

[2]黄俊，王兆安.电力电子变流技术[M].3版.北京：机械工业出版社，1999.

[3]SAVR-2000发电机励磁调节器使用说明书[Z].南京南瑞自动化有限公司，2003.

[4]谢勤岚，陈红，陶秋生.开关电源并联系统的均流技术[J].舰船电子工程，2003，（4）：75～78.

[5]杜乐丁，黎雄，孙元章.大型发电机自并励励磁系统多功率柜自动均流控制[J].电力自动化设备，2005，（3）：5～8.