蓄能器对大型调相机润滑油系统稳定性的 改善研究

张曙云 周 翔

（1. 国网湖南省电力有限公司水电分公司，长沙 410007； 2. 湖南省电网工程有限公司调相机项目部，长沙 410007）

0 引言

近年来，特高压电网输电工程的大规模建设，使电网的架构产生了重大改变，由原传统单一的超高压交流电网逐步转变成了大电网、远距离输电、特高压交直流高度混联的格局。特高压电网输电网架对系统中的动态无功裕度要求更高，同时足量的无功支撑能有效提升系统运行的稳定性[1]；因此为了保证电力系统能安全稳定运行，在规划建设中必须为系统配备足够的动态无功裕量，以增强电网系统的抗扰动能力。新型大容量调相机的研制成功和可靠应用能有效提高送端电网直流输电能力，为系统提供足量的动态无功，提升新能源消纳比例[2-3]；在特高压直流大功率馈入地区及直流多馈入受电地区广泛应用，特别是在特高压直流输电系统的受端电网中安装新型大容量调相机可有效提高系统电压稳定性和抗无功冲击能力，确保电网的安全稳定运行[4]，因此，大型调相机在特高压电网系统中的应用越来越广泛。

“十三五”期间，300Mvar级新型大型调相机被部署在电网的重要负荷节点，通过结合目前已有的实际应用工程，对所暴露出的问题进行解决改善，特别是研究影响调相机稳定运行的直接因素，因此本文针对当前润滑油系统配置所存在的问题进行深入分析，提出通过装设蓄能器来改善润滑油系统运行稳定性的方法，通过现场试验对比分析可知，加装蓄能器能极大提高大型调相机润滑油系统的可靠性，确保调相机的稳定运行，可为后续新建调相机工程提供有效参考[5-6]。

1 大型调相机系统组成

目前，生产投运的大型调相机大都为隐极式同步电机，调相机是电动机和发电机的结合体，既能从交流电网吸收有功功率驱动调相机转子转动，也能由定子绕组切割转子磁力线产生感应电动势，接入负荷向系统供电，由于调相机的功率因数为0，因此只向系统提供或吸收无功功率。

这里以投运的300Mvar双水内冷调相机运行系统为例，调相机系统采用“调相机-变压器组”单元接线的方式，通过主变经并网断路器5601接入换流站内500kV交流滤波器母线，调相机系统如图1所示，主要由调相机本体、励磁系统、主变、冷却系统、油系统、变频起动系统等组成[7-9]。

图1 调相机系统

变频起动系统主要用于将调相机组拖动至目标转速，便于并入电网，之后便退出运行。励磁系统采用静止励磁方式，主要由励磁调节器、晶闸管整流装置、灭磁及过电压保护装置、励磁变压器等构成，整个励磁系统又分为主励磁系统和起动励磁系统。冷却系统主要包括内冷水和外冷水系统，内冷却水通过定、转子线圈空心导线，将线圈损耗产生的热量带出机组本体，同时又通过外冷却水将内冷却水冷却进行循环，最大程度地降低定转子绕组温度，提高绕组绝缘寿命。油系统包括润滑油系统和 顶轴油系统，顶轴油系统主要是在低转速下建立油膜，正常运行后退出，润滑油系统主要是为调相机提供润滑和冷却，防止轴承干摩损坏而影响机组的正常运行，当润滑油油压低于0.135MPa时，将触发严重故障报警启动调相机系统跳机程序[10]。

调相机起动过程中主励磁不带电，由起动励磁系统配合变频起动，将调相机拖动至频率52.5Hz左右，离相封闭母线（isolated phase enclosed bus, IPB）断开，变频起动系统退出，起动励磁系统快速起动励磁后切换至主励磁系统，即起动开关QDK断开、发电机励磁开关GEK合闸，调相机升压并对主变进行充电，此时调相机开始加速惰性降速，起动同期装置，成功捕捉同期并网点，并网断路器5601合闸。

2 蓄能器

2.1 蓄能器的基本原理及类型

蓄能器是一种通过对蓄积液体进行受压操作而设计的液压辅件。液体不可压缩，蓄能器是利用气体的可压缩性来达到储存液体的目的。在低速负载情况下，机器运转所需流量小于液压泵流量，液压泵中的多余流量可以存储在蓄能器中；当机器运转负载要求的流量大于液压泵流量时，蓄能器通过气体的膨胀将液体挤压排出，以弥补液压泵流量的不足，特别是当液压泵停机但仍需保持一定压力时，蓄能器可以补偿系统泄漏的液体流量，从而稳定系统的压力。

常用的蓄能器有皮囊式、活塞式、隔膜式[11]。不同类型的蓄能器对比见表1，本文选用皮囊式蓄能器。

表1 不同类型蓄能器的对比

2.2 蓄能器选型及参数计算

所选用的皮囊式蓄能器内腔皮囊分为两个部分：囊内装氮气，囊外充液压油。位于皮囊周围的油液与油液回路连通，利用氮气的可压缩性，当油压升高时，油液进入蓄能器，气体被压缩，系统管道压力不再上升，当系统管道压力下降时，压缩的气体膨胀，将油液压入回路，从而延缓压力的下降，蓄能器系统原理如图2所示[12]。

图2 蓄能器系统原理

为延长故障发生后油母管压力下降至0.135MPa的所需时间，同时防止交流润滑油泵在定期切换时引起压力波动而导致的设备异常运行状况，采用蓄能器作为辅助动力源，由式（1）计算所需容量。

式中：V0、VX为所需蓄能器的容积、工作容积（L）；P0为充气压力（MPa）；P1、P2为工作循环中的最低、最高工作压力（MPa）；n为指数，等温时取n=1，绝热时取n=1.4。

考虑到安全裕量，为保证润滑油泵失效情况下，系统压力能够维持安全值3s以上，同时考虑到调相机系统的实际运行工况，式（1）中参数的选择见 表2。

表2 式（1）中参数的选择

将表2中各数据代入式（1）中计算得到所需蓄能器的容积V0=158L。

3 含蓄能器的调相机润滑油系统

润滑油系统作为调相机系统中的关键部分，为其机械旋转部件提供润滑和冷却，供油压力过低时将会直接出口进入跳机程序，因此其是否正常可靠运行直接影响到机组的稳定与否[13]。含蓄能器的调相机润滑油系统配置示意图如图3所示，系统配置有一台直流油泵作为事故备用，两台交流润滑油泵，互为一用一备，出口母管压力低将联起备用泵及直流油泵，交流润滑油泵进行周期切换，交替运行，周期切换流程如图4所示。在监屏及日常的设备巡视中发现，润滑油系统交流润滑油泵在周期切换的过程中，存在联起直流润滑油泵及压力波动的异常现象，严重威胁到机组安全稳定运行，因此采取措施消除调相机因油泵周期切换造成的直流泵联起并维持油压的正常稳定十分必要。

图3 含蓄能器的调相机润滑油系统配置示意图

图4 周期切换流程

在润滑油过滤器后的润滑油供油母管处，通过采用装设蓄能器装置的措施，来改善交流润滑油泵周期切换过程中供油母管压力存在异常波动的情况，保证润滑油供油母管压力开关正确动作，解决导致直流润滑油备用油泵误起动的问题，提高系统运行稳定性，蓄能器安装现场如图5所示。

图5 蓄能器安装现场

4 试验对比分析

本节通过对现场试验和日常系统运行的稳定信号进行对比分析。对装设蓄能器前后调相机润滑油系统工作在正常工况转速3 000r/min时，润滑油泵A周期性地切换至润滑油泵B进行试验，记录周期 切换期间润滑油系统油压的变化及直流润滑油泵联起情况，现场试验数据曲线如图6所示，未装蓄能器时如图6（a）所示，装设蓄能器后如图6（b）所示。

图6 现场试验数据曲线

由图6（a）与图6（b）对比可以看出，调相机转速均基本稳定在3 000r/min，正常工况条件下，在由润滑油泵A正常稳定运行切换至润滑油泵B稳定运行时，从图6（a）未装设蓄能器看出，在切换时，供油母管油压出现明显的波动，起动润滑油泵B运行时，油压由0.46MPa下降至约0.42MPa，同时并联起动了直流润滑油泵，约2s后供油母管油压逐步稳定，但由于直流润滑油泵为事故备用油泵，不可长时间运行，系统处于异常的工作状态，直流润滑备用油泵需要人工干预进行手动停运，此时自动周期切换失败；从图6（b）装设蓄能器后的波形图看出，供油母管油压没有明显的波动，最低降至0.44MPa，与油压正常稳定运行时的0.45MPa相差甚小，能顺利完成由润滑油泵A正常稳定运行切换至润滑油泵B稳定运行的过程，并且事故备用直流润滑油泵没有联起，调相机润滑油系统处于正常稳定的运行状态。因此，蓄能器对供油母管油压的异常波动有明显缓解作用，可以控制供油母管油压基本处于稳定状态，保证系统运行稳定。

5 结论

通过对某换流站调相机工程润滑油系统在润滑油泵周期切换过程中存在润滑油母管压力低、联起直流润滑油泵的异常现象进行深入分析，并对蓄能器的基本原理及结构选型进行研究后，选择在润滑油系统中增加蓄能器来延长油压下降时间，确保油泵周期切换时油压的无扰动。通过现场试验结果对比可知，蓄能器极大地提升了大型调相机润滑油系统可靠性，消除了跳机风险，为调相机的稳定可靠运行提供了重要保证，具有广阔的应用前景和参考价值。