抽水蓄能机组励磁系统优化改造

熊 照

（惠州蓄能发电有限公司，广东 惠州 516100）

0 引 言

励磁系统对提高电力系统并联机组的稳定性具有相当大的作用。尤其是现代电力系统的发展导致机组稳定极限降低的趋势，对励磁系统稳定可靠运行的要求越来越高，促使励磁技术不断发展。根据对抽水蓄能电厂自运行以来出现故障的原因跟踪分析发现，多起机组故障是因励磁系统的励磁交、直流开关回路异常导致励磁系统故障引起的。因此，励磁系统可靠性的提高，对水轮发电机组的安全稳定运行很重要，对励磁系统交、直流开关的优化改造就很有必要。

1 励磁系统介绍

某抽水蓄能电厂机组的励磁系统采用的是自并励方式，其电源是经励磁变压器从主变低压侧取得。正常运行时，励磁交流电源经交流开关，再经整流器整流，最后由直流开关输送至转子。励磁系统的主要组成有励磁变压器、可控硅整流器、灭磁装置、转子绕组过电压保护装置和交流侧过电压保护装置、起励装置、励磁调节器、励磁变低压侧交流开关和直流侧磁场开关、控制、保护、测量及通信系统等，如图1所示。

图1 励磁系统示意图

励磁系统交、直流开关回路改造前，励磁交流开关和励磁直流开关的动作逻辑是每次开机时，励磁交流开关先合闸，然后励磁直流开关合闸，两个开关均动作；机组停机时，先断开励磁直流开关，然后断开励磁交流开关。两个开关在动作过程中存在相互闭锁的关系。当励磁交流开关在分闸位置时，如果有跳闸命令，会导致跳闸线圈一直励磁。

2 励磁系统的优化改造

2.1 励磁直流开关结构优化改造

励磁直流开关与直流母排的连接原是采用插拔式的活动连接结构（见图2）。该活动结构有两个缺点，具体如下。（1）励磁直流开关本体上的连接触头仅靠弹簧及销钉固定在一起，所用的弹簧和销钉较多，并且弹簧和销钉易松动，造成触头松动，可靠性较差[1]。（2）当励磁直流开关处于工作位置时，母排的固定触头嵌入励磁直流开关触头的爪形结构中，两者接触部分为爪形结构的前端向内凹的部位。该连接方式使开关与母排的连接处接触面积小，且容易受开关合闸时的振动影响接触面积[1]。这两个缺点均增加连接处的接触电阻，当励磁系统通过大的励磁电流时，容易发热，严重时造成开关烧毁。

图2 原有的活动连接

#6机组曾在泵工况停机电气制动过程中，励磁系统出现励磁二级故障。现场检查发现，励磁直流开关与励磁铜排连接处烧熔，其中励磁直流开关与励磁铜排1个连接触头烧坏。经分析，其原因为励磁直流开关与直流母排接触不良，导致两者连接处接触电阻变大，当通过很大的励磁电流时引起发热，导致开关烧毁。

针对励磁直流开关这一结构缺陷，决定对励磁直流开关与母排的连接更改为固定连接，增强连接处的可靠性与稳定性。改造后的结构如图3所示，移去原有活动触头爪形结构，改用铜排连接开关本体与直流母排，励磁开关主触头的上下4个极通过铜排连接到直流母排上，两端连接均用3个螺栓紧固。该种方式，既增加了触头连接处的连接面积，又可靠，不受开关分合时的振动影响。同时，励磁直流开关中用来灭磁的辅助触头也由插拔式改为固定式。

图3 改造后的固定连接

2.2 励磁交流开关控制逻辑优化改造

机组自投产运行以来，发生多起由于励磁系统故障而引起的机组故障事件。#5机组曾因励磁交流开关上方的连接弹簧片与开关插头间的连接不牢，造成合闸回路断开，开关未正常合闸，导致停机过程中转速降至50%以下时电气制动未正常投入[2]；#4机组停机过程中由于K05抖动，造成交流开关跳开，而直流开关并未真正跳开，交流开关与直流开关位置不一致，引发励磁二级故障；#5机因励磁交流开关故障G工况启动失败，励磁交流开关损坏，合闸后跳开导致励磁二级故障；#8机组在SR试机时，励磁系统接到命令后，励磁交流开关未能合闸，而直流开关合闸，导致励磁系统二级故障；#3机组CP启动时，由于交流开关连接到外部辅助接点的联动机构松动，导致开关合闸时，辅助接点未动，出现励磁二级故障等[2]。

经分析，这些事件均由励磁交流开关故障引起。原设计的励磁交流开关动作逻辑（见图4）是每次投励磁时，励磁交流开关合闸；每次退出励磁时，励磁交流开关分闸。由于抽水蓄能电厂在电网中起调峰调频作用，每天开停机频繁，导致励磁交流开关动作次数过多。这不仅使交流开关的电气寿命降低，其机械方面的性能也降低，导致励磁交流开关故障率变高，影响机组安全稳定运行。

针对励磁交流开关控制逻辑的不足，对励磁交流开关分合闸逻辑进行优化改造。在交流开关的两个跳闸回路中均增加了中间继电器k40、k39、k03的辅助接点，即在合闸回路中串入机组故障、励磁系统故障及相关保护动作的信号，当机组、励磁系统本身均无故障时，通过断开分闸回路，实现励磁交流开关的常合；一旦机组或励磁系统本身发生故障，串入的接点闭合，能够正常实现励磁交流开关的分闸。优化后的励磁交流开关控制逻辑（见图5）为：励磁交流开关一旦合闸后，在机组正常停机过程中，保持合闸状态，仅在机组故障或者励磁系统本身故障时，励磁交流开关才分闸进行彻底隔离。这就避免了开关的频繁分合。

2.3 励磁交流开关控制回路优化改造

图4 原励磁交流开关控制逻辑

图5 改造后的励磁交流开关控制逻辑

励磁系统的交流开关现有控制回路存在两个方面的问题，（1）当励磁交流开关在分闸位置时，如果有跳闸命令，会导致跳闸线圈一直励磁，尤其是在检修工作时，通电时间较长，影响线圈寿命；（2）每次投入励磁时，励磁交流开关合闸线圈都会励磁，而励磁交流开关在正常情况下，处于常合状态，每次励磁投入时合闸线圈都会励磁，降低了合闸线圈的寿命。

针对励磁交流开关控制回路的这两个问题，分别在交流开关跳闸回路中增加交流开关常开状态接点（图6中标注的2和3位置）和交流开关常闭状态接点（图6中标注的1位置）。这样励磁交流开关在断开位置时，其跳闸回路中这个接点（图6中标注的2和3位置）就会断开，即使其他接点闭合，在开关断开的情况下，跳闸线圈也不会励磁；励磁交流开关在合闸位置时，其合闸回路中这个接点（图6中标注的1位置）就会断开，即使其他接点闭合，在开关合闸的情况下，合闸线圈也不会励磁。

图6 改造后的励磁交流开关控制回路

3 励磁系统优化改造后的可靠性分析

励磁直流开关与直流母排的连接由插拔式连接改为固定连接，从3个方面提高了励磁系统的可靠性，并降低了运行维护的难度。（1）增大了连接处的面积，铜排的接触面积比原有的活动触头面积要大很多，降低了接触电阻；（2）增强了连接处的稳定性，用螺栓连接，可靠稳定，不受励磁直流开关合闸时振动的影响；（3）运行维护比活动触头方便，原有活动触头弹簧和销钉多，触头由很多小的结构组成，增加了检修难度。励磁直流开关连接结构自改造以来，机组在运行时，固定连接处未发生明显发热现象。

原设计中，每次开停机都会闭合和断开励磁交流开关。开关的寿命与操作次数有关，过多的操作对交流开关的寿命产生很大影响，导致励磁交流开关故障率变高。经过改造，励磁交流开关的动作次数极大地减少，交流开关的控制回路更加合理，极大地提高了开关的可靠性，为机组的安全稳定运行提供了必要条件。励磁交流开关的动作次数大大减少，开关的辅助接点动作次数也大大减少。这不仅提高了开关的寿命，而且使其参与控制的辅助接点的准确性能也有了很大提高。励磁交流开关的动作次数减少，故障率降低，提高了励磁系统的可靠性[3]。

4 结 论

励磁系统对机组的安全稳定运行是至关重要的。针对原励磁系统的不足，对励磁系统直流开关结构、交流开关控制逻辑和回路进行优化改造，很大程度降低了励磁系统故障的风险，提高了励磁系统的可靠性、机组的可用性和运行可靠性，对发电机以及电力系统的稳定运行具有重大意义。