励磁系统控制及整流回路功能检验装置的设计及应用

张 超，武永恒，赵 举

(中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

同步发电机励磁系统担负着电压控制、无功分配及提高同步发电机并列运行稳定性等任务，是同步发电机极其重要的组成部分[1]。因而，高质量完成励磁系统检修维护工作直接关系到发电机的安全可靠运行。本文根据励磁小电流开环试验的原理，设计出一套励磁系统控制及整流回路功能检验装置，可与励磁调节器、功率柜形成回路，在发电机开机并网前，模拟进行发电机开机、增磁、减磁、电源消失、调节器通道自动切换、停机、断路器合闭锁逆变命令等试验，通过直接观察励磁调节器输出信号、功率柜输出电压波形、脉冲变原边和副边波形，快速而有效的判断励磁系统控制及整流回路功能是否正常，同步信号回路的相序和相位以及调节器的触发脉冲是否正确，并且成功应用到葛洲坝电站发电机检修当中。

1 励磁系统控制及整流回路功能检验装置的设计

励磁小电流开环试验，在发电机励磁系统维护中，是最为重要的试验之一，其原理是：在整流柜的阳极输入侧外加380 V交流厂用电为励磁系统的输入电源，直流输出接电阻负载，调整可控硅控制角α，用改变移相触发的控制信号方式检查励磁输出与控制信号的对应关系[2]。

水电站励磁系统主要是由励磁电源及其相关设备所组成，包括励磁调节器、励磁功率单元等，根据所接受与采集信号来输出励磁控制单元信号[3]。大型水轮发电机组普遍采用可控硅整流装置,作为发电机的励磁功率单元[4]。以葛洲坝电站励磁系统为参考，其组成包括励磁调节器柜、阳极过压保护柜、功率柜(即整流柜)、主备励柜、灭磁开关柜。依据励磁小电流开环试验原理，结合葛洲坝电站励磁系统组成实际，设计出励磁系统控制及整流回路功能检验装置原理图[5]，如图1所示。

图1 励磁系统控制及整流回路功能检验装置原理图

装置原理图中，交流电源输入，为整个装置提供380 V交流电源；主断路器QF1，控制整个装置交流电源的通断，并起到过载保护的作用；隔离变压器，为示波器提供无杂波干扰的交流电源，同时也能防止测量直流输出波形时，造成整流桥阳极电源接地短路而损坏示波器；示波器，用于采集功率柜中整流桥输出波形、脉冲变压器原边与副边波形并显示，是实现直观判断励磁系统控制及整流回路功能是否正常的关键；大功率电阻，主要是用来模拟理想状态下的转子；支路断路器QF2，主要是控制功率柜中整流桥的交流输入通断；调压变用于模拟机端PT二次电压和同步(TB)电压，实现机组不同工况下，调节器的功能验证；三相电压表用于调压变输出电压监视，实现输出电压精确控制。

2 励磁系统控制及整流回路功能检验装置的功能实现

2.1 检验试验接线方式

依照图1所示，将励磁系统控制及整流回路功能检验装置接入励磁调节器及功率柜回路：调压变输出电压接入调节器机端PT电压和同步(TB)电压采集回路；支路断路器给功率柜整流桥交流侧供380 V交流电源；大功率电阻接入功率柜直流输出回路；示波器接入大功率电阻观察直流波形。将励磁调节器将控制方式设置为恒控制角控制方式。

2.2 模拟发电机开机失败

以IAEC2000型励磁系统为例，调节调压变输出电压，给励磁调节器提供机端电压和同步信号，一般取5～7 V，以保证初励退出后机端电压仍低于8%额定值。给开机指令后，功率柜脉冲变指示灯亮起后瞬间熄灭，示波器未能采集到功率柜中整流桥输出波形、脉冲变压器原边与副边波形，起励接触器动作后，10 s左右复位，励磁调节器报“起励失败”故障。

2.3 模拟发电机开机成功

调节调压变输出电压至额定电压100 V。给开机指令后，功率柜脉冲变指示灯亮起，脉冲变顺利触发，整流桥顺利工作，起励接触器顺利动作，示波器能够顺利采集到功率柜中整流桥输出波形、脉冲变压器原边与副边波形，且波形稳定正确，则可判断发电机开机成功。

2.4 模拟发电机增磁、减磁

发电机模拟开机成功后，给增磁指令，可以看见示波器中采集到的整流桥输出波形，由控制角α=120°、90°、60°、30°、15°顺序变化，则可确认发电机增磁功能正常，同理，给减磁指令，整流桥输出波形由控制角α=15°、30°、60°、90°、120°顺序变化，则可确认发电机减磁功能正常。

2.5 模拟发电机电源消失

励磁调节器一般设计有交直流两路电源，双路电源互为冗余。发电机模拟开机成功后，将控制角α调至典型值，如α=90°，此时整流桥输出波形稳定显示，波形辨识度高方便观察。通过励磁调节柜设置的交直流电源开关，分别进行交流电源消失、直流电源消失试验，控制角α=90°的波形稳定显示无变化，励磁调节器分别报“AC电源消失”、“DC电源消失”故障，则发电机具备单路电源断开自动切换功能。

2.6 模拟发电机调节器通道自动切换

发电机模拟开机成功后，通过增减磁，将控制角α调至典型值，如α=90°，此时波形稳定显示，波形辨识度高方便观察。调节器运行于Ⅰ套通道，分别模拟以下测试试验，应该能自动切换到Ⅱ套工作，且示波器观察到的整流桥输出波形电压波形稳定显示无变化[6]。

1)进行PT断相试验。励磁系统控制及整流回路功能检验装置通过两套PT端子分别给Ⅰ套、Ⅱ套提供机端测量二次电压，断开Ⅰ套PT端子的任意一相，此时调节器应该报“PT故障”，并自动由Ⅰ套切换为Ⅱ套控制。

2)进行调节器故障试验。断开调节器Ⅰ套电源，调节器报“Ⅰ套故障”，并自动切换到Ⅱ套工作。

该项模拟试验，如果调节器工作于Ⅱ套时，应该也能从Ⅱ套自动切换到Ⅰ套，电压波形稳定显示无变化。

2.7 模拟发电机逆变

发电机模拟开机成功后，给逆变命令，脉冲变信号指示灯熄灭，示波器采集到的整流桥输出波形、脉冲变压器原边与副边波形消失，励磁调节器报“逆变成功”。

2.8 模拟发电机断路器合闭锁逆变命令试验

发电机模拟开机成功后，模拟发电机断路器合，此时通过调节器发送逆变命令，励磁系统无动作，示波器采集到的整流桥输出波形、脉冲变压器原边与副边波形稳定显示无变化。

3 励磁系统控制及整流回路功能检验装置在葛洲坝电站的应用

为验证励磁系统控制及整流回路功能检验装置的功能及其实用性，在葛洲坝电站机组检修中，进行励磁小电流开环试验。依据原理图1将装置与励磁调节柜、功率柜连接好后，得到的试验结果如图2所示。

脉冲变原边和副边波形如图2所示，蓝色为原边波形，红色为副边波形，可以清晰的查看双脉冲信号幅值是否一致、时间间隔是否相等、幅值大小是否满足要求，同时波形图还可以通过示波器直接测量出峰峰值、频率、周期等数据，用于判断脉冲变工作状态是否良好，从而可以检验功率柜输出均流等问题。

图2 脉冲变原边和副边波形

通过观察图3不同控制角的小电流波形图，可以判断调节器控制功能、功率柜整流功能是否正常，同步信号回路的相序和相位以及调节器的触发脉冲是否正确，同时，通过示波器可以直观的测量出波形图的周期、频率、峰峰值、上升时间、下降时间、正负占空比等重要试验数据，方便后续对励磁系统功能进行评估。

图3 励磁小电流波形图

4 结 语

通过励磁系统控制及整流回路功能检验装置，可以在机组未并网前，模拟进行发电机开机、增磁、减磁、电源消失、调节器通道自动切换、停机、断路器合闭锁逆变命令等试验，进而通过直接观察励磁调节器输出信号、功率柜输出电压波形、脉冲变原边和副边波形，快速而有效的判断励磁系统控制及整流回路功能是否正常，同步信号回路的相序和相位以及调节器的触发脉冲是否正确。此装置已成功应用到葛洲坝电站机组检修中，大大减少了检修维护工作量和检修维护时间，也不会对环境产生污染，具有良好的经济效益、安全效益和环境效益，提高了发电机开机成功率，提升了励磁系统运行时的可靠性。