大容量火力发电机组ABB励磁系统典型异常分析

徐皎峰

（中电神头发电有限责任公司，山西 朔州 036011）

0 引言

ABB UNITROL系列励磁系统在我国各大电厂中有广泛的应用，其中UNITROL 5000为其早期型号，在当今阶段，已经逐渐被 UNITROL 6800系统所取代。UNITROL 6800为ABB公司所生产的第6代产品，主要用于对同步发电机静态励磁系统电压进行调节，该励磁系统具有运行可靠性高、连通性优越等很多优点，是行业内的一款标杆产品。励磁系统作为火力发电企业中一个关键的系统，对火力发电机组的正常运转有十分重要的作用，因此，该文针对ABB UNITROL 6800励磁系统常见的故障类型进行分析和研究具有十分重要的现实意义。

1 ABB励磁系统简介

1.1 同步发电机自并励励磁系统

对大容量的火力发电机组来讲，最常用的一种励磁方式就是自并励励磁。其工作原理为通过控制可控硅整流桥来导通触发角，进而通过控制发电机转子绕组来调节发电机电磁场电流大小，达到对发电机端口电压和无功功率的大小进行调节的作用，使发电机组功率始终处在既定水平上。一般来讲，自并励励磁系统主要是由起励和灭磁单元、可控硅整流桥柜单元、自动励磁调节器以及励磁变压单元4个部分组成，同步电机自并励励磁系统的工作原理如图1所示。

图1 同步发电机自并励励磁系统工作原理图

1.2 ABB UNITROL 6800励磁系统

ABB UNITROL 6800励磁系统是由瑞士ABB公司所生产的UNITROL系列的第5代产品，是一种同步发电机自并励励磁系统。UNITROL 6800型号的励磁系统集成了历代UNITROL系统的优点和技术，采用了先进设备设施和数字技术，因此拥有十分优越的性能。

某火力发电企业的1#大容量火力发电机组所采用的励磁调节器的结构如图2所示。由图2可以看出，该励磁调节器共计包括2套结构完全相同的控制通道，并且这2套控制通道彼此之间是相互独立的。在UNITROL 6800励磁系统工作期间，系统程序设定控制通道1为工作的主通道，控制通道2为工作的备用通道[1]。2套控制通道的工作流程如下：在正常工作状态下，控制通道1会自动开展采样、信号处理、指令发送等工作，与此同时控制通道2同样也会进行采样、处理的工作，并且控制通道2还肩负对控制通道1的工作状态进行监控的任务，以便在出现故障的第一时间内，系统能够自动进行控制通道的快速切换[2]。其具体的工作流程为主控板通过光纤和采样板进行连接，而各个开入以及开出板、整流桥接口板主要负责对信息数据的采集、处理传输工作。数字式励磁电压调节器的具体参数见表1。

表1 数字式励磁电压调节器参数

图2 UNITROL 6800励磁系统结构原理图

2 励磁系统故障案例分析

2.1 故障描述

某火力发电厂白班值班人员在早上08：29：25，发现2#发电机组有功功率为758 MW，无功功率为-334 Mvar，当即决定要对2#机组手动增加励磁，而在操作人员尚未来得及进行增加励磁操作时，2#机组无功功率降低至-549.77 Mvar，发变组保护A屏显示“失磁II段保护动作”，之后发变组停止工作，机组跳闸[3]。机组故障后，经过检查发现，在励磁系统保护动作之后，发变组保护除了显示“失磁II段保护动作”信号外无其他跳闸信号，机组进相颇深[4]。通过调阅当天发电机组有功功率、无功功率的相关数据，整理见表2。

由表2数据可以看出，在励磁系统跳闸前的20 min时间内，发电机组的电压、无功功率和励磁电压都出现了降低的趋势，同时有功功率开始呈现出上升趋势，但却在上升至763.37 MW之后就维持该数据不变，而励磁电流则一直都保持在一个稳定的状态。技术人员先对励磁调节器进行了检查，显示面板正常，然后对励磁系统进行检查，在出现跳闸故障之前，励磁系统一直处于手动模式下运行。经了解得知，这是因为在当日凌晨，值班人员发现发电机组的进项较多，而为了提升发电机组的无功功率，操作人员将自动电压控制模式切换为手动通道。在切换为手动运行后，励磁系统的无功功率增加了-30 Mvar，之后励磁系统就一直保持在手动通道模式运行，直至跳闸故障发生[5]。由此可知，此次故障的主要原因是在手动运行方式下，发电机组的进相过深，引起失磁保护动作而造成跳闸。

表2 发电机组跳机前6 h电气量部分数据

2.2 原因分析

2.2.1 故障机组的相关参数

故障机组为一款QFSN-1000-2-27 型发电机，采用的为ABB UNITROL 6800励磁调节器，其发电机参数见表3。

表3 大电机技术参数

2.2.2 失磁保护动作分析

对该机组失磁保护进行判断的依据是测量发电机的阻抗，因此，值班人员所监视的数据一般都是发电机组的有功功率、无功功率等电气量。对失磁保护动作行为进行判断应先对定值进行映射，为了对失磁保护动作的定值进行判定，该文设定U=23.50kV，经该机组的失磁保护定值映射至功率平面如图3所示。

由图3可以看出，发电机电压下降至23.50 kV时，失磁保护工作曲线呈现出了向上平移的趋势，图3中标记点和机组跳机时的工作状况保持一致，由此可知失磁保护动作正常。

图3 失磁保护定值功率平面映射

2.2.3 无功功率变化分析

在该机组故障之前，随着有功功率的增加，发电机无功功率在不断减小，。随着有功功率的增加，相同有功功率变化量ΔP所对应的无功功率变化量ΔQ的数据见表4。在有功功率为763.37 MV时，ΔQ/ΔP急剧变大，最终导致了发电机组失磁保护动作。

表4 机组故障期间ΔQ/ΔP值

2.2.4 有功功率变化分析

结合表2数据，在故障发生前的6 h内，发电机有功功率呈现出逐渐增加的趋势，待其增加至763.37 MW时，AGC指令大于763.37 MW，发电机组需要继续增加有功功率。但经过15 s之后，发电机有功却依然保持不变[4]。对ABB UNITROL-6800型励磁调节器来讲，手动通道也可以称之为恒励磁电流控制模式，在这种模式下发电机的励磁电流为恒定值，而发电机有功功率却一直在增加，此时发电机功角为90°，对应的有功功率如公式（1）所示。

式中：Eq为发电机内电势；Ut为电网电压；xd为电机与电网之间的电抗。

如果发电机功角继续增加，那么发电机组静态稳定状态将会被打破，出现滑行失步，而有功功率变化量ΔP最后归零的原因便在于此。

3 励磁系统优化措施

根据上述对励磁系统故障的分析可知，造成系统出现非停的原因有很多，在此该文结合ABB UNITROL-6800励磁系统的特性和大功率火力发电机组的运行特征针对励磁系统进行了优化。

3.1 优化励磁调节器PT慢熔逻辑

ABB公司所生产的UNITROL-6800励磁调机器原有的PT断线判断功能灵敏度不足。通常情况下，该判断机制都是在机端三相电压平均值与三相同步电压平均值大于15%之后才判定为PT断线，但在实际使用时，这会造成PT出现熔丝慢熔，无法做到对故障的精准判断[6]。电厂技术人员对该励磁调节器进行仔细分析，并与ABB公司技术相关人员进行多次沟通，提出了该励磁调节器PT慢熔优化方案，并实施了逻辑测试工作，其具体的PT慢熔方案逻辑如图4所示。

图4 PT慢熔逻辑

对备用通道测量的发电机电压标幺值和运行通道测量的发电机电压标幺值进行做差，如果两者之间的偏差大于所设定的3%偏差值，那么系统会自动判断为启动，并在延时2 s之后切换至备用通道。

对运行通道同步电压标幺值，即可控硅阳极电压标幺值和运行通道经过测量得出的发电机电压标幺值进行做差，如果两者之间的偏差大于所设定的3%的偏差值，那么系统也会自动判定为启动，并在延时2 s之后切换至备用通道。

在励磁系统正常运行过程中，上述2个判断依据只要有一个生效，即可触发PT慢熔报警，并同时将系统切换至备用通道运行，一直到最后切换至手动通道运行。

3.2 添加增减磁指令防黏连功能

为了避免因增减磁指令继电器发生节点黏连而导致的机组跳闸，该次针对励磁系统的优化还添加了增减磁指令防黏连功能，并对其运行逻辑进行了测试。其具体的黏连逻辑如下：1）在增减磁命令＜500 ms的情况下，励磁系统将会以实际增减磁命令的脉宽时间为标准。2） 在增减磁命令＞500 ms的情况下，励磁系统则只会接受500 ms的脉冲宽度。3） 待上一次的增减命令消失之后，励磁调节器才会重新开始接受新的励磁增减命令。

3.3 优化励磁调节器报警逻辑

通过对上述故障进行分析可知UNITROL-6800励磁调节器的电源模块采用的是型号为QUINT-PS 24DC/10的电源，这种电源最显著的特性之一就是在其输出电压小于额定电压的90%的情况下，其中一对接点“DC OK”会同时释放LED声光灯变色报警信号。而此时UNITROL-6800励磁调节器却不能对该电源模块运行是否正常进行检测。针对此问题，该电厂的技术人员结合机组运行特征在系统中添加了对该型号电源模块异常进行报警的装置。

4 结语

ABB UNITROL 6800励磁系统是一种具有优异性能的新一代励磁产品，为了确保火力发电企业中的大容量火力发电机组正常运行，在最大程度上降低因系统非停对火电厂造成的影响，需要针对ABB励磁系统进行深入研究，并结合自身实际使用情况来对其进行升级和改造，以提升其运行稳定性和效率。