发电机励磁功率柜风机停运分析及回路改进

沈晓晖

(中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314300)

0 引言

发电机励磁系统是同步发电机的核心控制设备，其主要作用是产生可以任意控制其大小的直流电流，并向发电机转子绕组输送。某650 MW核电机组采用三机无刷励磁系统，由副励磁机(永磁机)、转枢式主励磁机、旋转整流器及微机励磁调节器等组成。永磁副励磁机定子经永磁机交流开关后输出400 Hz的三相交流电，在自动电压调节器(automatic voltage regulator，AVR)的控制下经四桥并联方式运行的三相桥式可控硅整流，其并联直流输出经过灭磁开关后供给主励磁机励磁绕组；主励磁机旋转电枢输出的200 Hz交流电再经旋转二极管整流后，作为汽轮发电机转子励磁电源，建立三相旋转磁场。AVR根据汽轮发电机机端电压互感器(potential transformer，PT)、电流互感器(current transformer，CT)取得的电压、电流和其他状态量调节信号，闭环控制回路改变整流器的控制角，以此相应改变励磁电流，从而维持发电机恒定的机端电压，同时还对发电机和主励磁机的磁场进行接地监测，限制转子、定子电流以保证发电机的稳定运行和防止其过热，从而确保发电机组的安全和输出电能的质量。

励磁系统的稳定运行和机组的稳定运行息息相关，其中，功率单元是发电机励磁系统的重要组成部分，担负着将交流电压变换为直流电压，向发电机提供励磁电流的重要任务[1-2]。功率单元主回路一般由6只晶闸管三相桥式全控整流电路及阻容吸收回路等附属设备组成。功率单元在运行过程中，晶闸管和阻容吸收的电阻会产生较大的热量，如果热量不能及时排除，将导致元器件过热而损坏，因此功率柜需配置冷却系统降温。常用的冷却方式是由冷却风机通过强迫风冷实现散热。冷却风机对于励磁系统散热、保证容量等方面起着十分重要的作用，冷却系统丧失将造成功率柜温度异常升高，限制励磁调节器强励能力，影响到励磁系统的出力和机组的正常运行，所以当风机停止工作时，励磁系统需可靠发出报警信号[3-9]。

下面分析了一起功率整流柜风机停运事件的原因，阐述了励磁系统风机回路存在的问题，并针对此问题提出了相应的优化改进措施，有效杜绝因励磁系统故障引起的机组非停，供相关专业技术人员参考。

1 励磁系统风机回路基本配置

励磁系统可控硅整流桥采用四桥并联运行方式，共同提供主励磁机励磁电源。每套励磁系统配置2台功率整流柜，每台整流柜配置2个完全独立的整流桥，采用铝散热器、配风机冷却，同时具备温显测温功能，实时监测柜内温度，确保可控硅整流柜风温维持在正常工作范围内。如果功率柜发生故障，励磁调节器报“硅柜限制”，并执行限制程序，软件逻辑如图1所示。当任意1个整流桥退出运行后，剩余支路仍能满足发电机所有运行工况要求(包括强励)；当退出2个整流桥后，仍能够保证1.1倍额定出力。

图1 硅柜限制逻辑

散热风机采用两路独立的不间断电源(uninterruptible power supply，UPS)供电，回路接线如图2所示，风机I路电源带1，3号整流桥风机运行，风机II路电源带2，4号整流桥风机运行，每组整流桥均配置2台散热风机，发电机正常运行时4组整流桥并列运行，8台散热风机均投入运行。其中风机II路电源与发电机转子接地保护的举刷电源共用一路UPS电源。

图2 整流柜风机电源回路接线

发电机转子接地保护选用叠加直流电压式转子一点接地保护，探测回路装有用来探测发电机励磁回路绝缘的碳刷，碳刷安装在大轴和发电机励磁绕组(直流侧)之间，由交流220 V转换成交流120 V电源控制的电磁线圈驱动举刷进行探测。装置具有定时举刷功能，可通过整定举刷周期和举刷时间定时输出一副举刷接点，从而接通探测回路，监视转子绝缘。发电机转子一点接地保护动作仅发信号，而不动作跳闸。发电机转子接地保护回路，如图3所示。

图3 发电机转子接地保护回路

2 故障现象及原因分析

2.1 故障现象

2020-12-17，主控室触发2GEX007AA (励磁告警)，现场检查发现励磁调节装置报“综合告警板3开入7 (工作电源掉电)”、报警指示器报“励磁告警”、上游UPS供电电源2LNQ211JS (风机II路电源)红色指示灯熄灭、励磁系统2，4号功率单元风扇运行指示消失，由于丧失冷却风扇，2，4号功率单元温度20 min内上升30 ℃，最高至84 ℃，由于温度过高触发“硅柜限制”。

2.2 故障处理

为避免功率单元故障引起功率瞬态甚至停机，运维人员立即采取紧急措施：打开励磁功率柜前后柜门散热、降低继保间空调温度，同时降低机组无功出力并切除2号和4号功率单元脉冲信号。之后2，4号功率单元温度逐渐下降。后续检查发现上游熔断器2LNQ211JS熔丝熔断，对其进行了更换，在确认负荷无异常后重新投运开关，励磁系统恢复至正常运行状态。

2.3 原因分析

2号发电机励磁系统于2020年10月完成技术改造，根据原设备厂家设计，发电机磁场接地探测举刷回路配置的变压器为500 VA，熔丝额定电流为16 A。为更好地为下游负荷提供保护，设计院在改造设计时根据2LNQ211JS下游负荷(500 VA变压器、4台64 W风机)将其熔丝选定为6 A，经过反复试验和运行考验，未发现异常。但此次熔丝在下游负荷未发生异常的情况下熔断，可能有两个原因：一是熔丝质量缺陷；二是熔丝额定电流选取得过于贴近负荷额定电流。

2LNQ211JS为风机II路电源/举刷电源开关，取自UPS电源，电压等级220 V，负载有励磁功率单元4台64 W风扇和1个接地探测举刷电磁铁，电磁铁每24 h举刷一次，持续30 s，4台风扇长期运行。现场实测举刷时，变压器原边最大电流约为7.7 A，加上风机电流1.2 A，超过熔丝额定电流。因此故障原因判断为：由于2LNQ211JS熔断器选型6 A，每天举刷时的30 s该熔断器会短时过载，长期积累效应造成熔断器老化熔断。

2.4 解决方法

鉴于负荷有很大改变，按照500 VA选择的6 A额定电流熔断器已不再适用于7.7+1.2=8.9 A的实际约2 kVA负荷(1.2 A风机连续运行负荷和7.7 A举刷短时断续负荷)。根据熔断器配置标准，熔断器一般不小于1.5倍负载额定电流，2LNQ211JS应选13.5 A以上熔断器，现场紧急改用16 A额定电流的熔断器以满足实际负荷电流的要求。

3 回路优化改进

针对上述发生的励磁系统故障，为避免类似情况的出现，需对风机和举刷回路进行设计优化，以提高其可靠性，提出以下几点改进措施。

3.1 风机回路改进

本励磁系统可控硅整流桥采用四桥并联方式运行，原设计为风机I路电源带1，3号整流桥风机运行，风机II路电源带2，4号整流桥风机运行。这种设计的弊端在于：当某一路风机电源丧失后，下游所对应的两个整流桥中的风机将全部停运，导致相应整流桥温度迅速上升，当超过温度报警值后，将触发“硅柜限制”，限制励磁强励能力。因此有必要合理使用外部引入的2路风机电源，以保证失去一路电源时，还可通过另一路电源维持励磁各个分支整流桥不超温，保证风机的可靠供电。

经与厂家讨论后决定优化风机回路，将每组整流桥的风机改成用不同的电源供电，风机停转的检测电源交叉配置，保证即使丧失一路风机电源，每组整流桥中仍有1台风机保持运行，使整流桥温度不至于过高，且保证风机停转信号能可靠送出。改进后回路接线如图4所示。

图4 优化后整流柜风机电源回路接线

3.2 举刷回路改进

(1) 举刷变压器选择。实测举刷动作时500 VA变压器数据：变压器副边电压86.6 V、电流为19 A、原边电压214.6 V。

据此计算举刷时容量：

根据干式变压器的过载能力曲线在起始负载为0时，变压器具有约2.1倍过载持续运行15 min的能力。

为减小举刷时变压器过载量，调整变压器设计容量为1 000 VA，变比维持220 V/120 V不变。

(2) 举刷时间设置。根据实测举刷时副边电流19 A，数值较大，需要综合考虑变压器容量、举刷电磁铁工作能力、电缆载流量等情况设定举刷时间。举刷设定维持不变，仍设置为每24 h举刷30 s。

(3) 举刷电源空开选择。空开位于变压器原边，计算举刷时原边电流：

选配空开额定电流比较6 A，10 A两个方案：对于6 A空开，根据脱扣曲线，流过7.7 A电流时脱扣时间约为200 s；对于10 A空开，不会脱扣。经过比较，选择10 A空开。

4 结束语

功率整流柜的冷却风机是保障励磁系统散热、保证容量等方面的重要设备。以上介绍了某核电机组励磁系统的基本配置和工作原理，并结合一起功率整流柜风机停运事件的原因分析和故障处理，阐述了励磁系统风机回路存在的问题，并针对性地提出了合理的优化改进措施，有效避免机组非停，为防范发电机励磁系统类似故障提供了借鉴。