浅析Unitrol 5000励磁系统PT断线逻辑缺陷及改进方法

李志强

内蒙古国华准格尔发电有限责任公司 内蒙古 鄂尔多斯 010300

引言

目前，国内大型火力发电厂发电机励磁系统按励磁电源取自发电机还是其他，分为自励励磁系统和他励励磁系统。自励励磁系统可分为自并励静止励磁系统和自复励静止励磁系统。他励励磁系统可分为交流励磁机和直流励磁机励磁系统。在自并励励磁系统中由于取消了旋转部件，其可靠性上明显优于其他励磁方式。其响应灵敏、调节快速，对发电机运行电压下扰动也具有很好的稳定功能。瑞士ABB公司生产的Unitrol 5000静态励磁调节控制系统属于自并励励磁系统中的佼佼者，该系统具有接线简单、维护方便、安全可靠等特点，一经面世就在国内诸多火力发电厂得到了广泛的推广及应用。然而近些年来，Unitrol 5000静态励磁调节控制系统发生了因PT断线导致发电机误强励事件，这暴露出了Unitrol 5000静态励磁调节控制系统PT断线判别逻辑功能不完善的问题。其主要原因在于当发电机出口处机端PT发生一次保险缓慢融断过程时，装置不能判别出该故障，发生误判系统发生故障，造成励磁系统误强励事件，进而导致发电机转子绕组部分过电流保护动作跳闸，机组非计划停运事件。通过对Unitrol 5000静态励磁调节控制系统PT断线逻辑进行剖析，补充完善其逻辑功能，提高发电机励磁装置安全可靠性具有重要现实意义。

1 Unitrol 5000静态励磁调节控制系统介绍

某火力发电厂机组容量330MW，采用自并励的励磁方式，励磁系统采用ABB Unitrol 5000静态励磁调节控制系统。该系统主要由自动励磁调节装置、起励和灭磁单元装置、可控硅整流装置、励磁变压器等部分组成。

自动励磁调节装置采用数字型微机形式，由两个自动通道构成，通过冗余配置，提高了设备可靠性。每个单独的自动通道同时配备手动后备控制机制。自动励磁调节装置具有给定电压控制与调节功能，同时配备过励磁限制单元、欠励磁限制单元、 恒无功、恒功率因数叠加调节单元、电力系统稳定控制单元 PSS、手动调节单元、监视和保护等功能。

可控整流装置采用六支双侧冷却的可控硅组成三相全控整流单元。每支可控硅上串联一个快速熔断保险，其主要功能是将有故障的可控硅支路快速有效隔离，保护其他可控硅免遭损坏。当快速熔断保险熔断时，熔断保险的附件通过弹簧机构触发微动开关并作用于报警和控制功能[1]。可控硅整流装置散热系统采用强迫风冷方式实现，分别配置两组风机互为备用，可大大提高风机冷却效率及可靠性。对于大容量发电机组可采用4个功率整流柜并联运行，可控硅整流装置具有物理均流功能，能够平均分配几台整流装置的电流输出，减小整流装置之间的环流影响，使整流装置的输出电流得到很好的分配。当其中1个功率装置发生故障退出运行时，可满足发电机强励及1.1倍额定励磁电流的相关运行规程要求。当2个功率装置发生故障退出运行时，可满足发电机额定运行工况下所需要的励磁电流。可控硅装置的采用并列运行方式不仅接线简单，在实际生产运行中起到了很好的功效。

在机组启动时，Unitrol 5000励磁系统通过380V外接交流电源实现起励过程。发电机建立一定电压后，自动切换至励磁变实现自并励过程。灭磁单元部分主要由灭磁电阻、灭磁开关、晶闸管跨接器及其触发部分构成，其主要作用是快速断开磁场回路，并通过灭磁电阻快速吸收储存在转子绕组内的磁场能量。

2 Unitrol 5000静态励磁调节控制系统优缺点

Unitrol 5000静态励磁调节控制系统在设计上采用的两套独立电源构成，一套电源的输入采用直流系统220V和厂用交流系统220V电源作为输入，另一套电源采用直流系统220V和自产交流230V电源（通过发电机机端并联的励磁变低压侧经自用变压器降压至230V左右）作为电源输入。电源输出通过并联运行的方法实现对两套微机通道供电。由于自用交流电压的接入，当发电机在运行时，即使直流和厂用交流电源均发生故障造成失电，调节装置仍然可以维持正常运转[2]。

Unitrol 5000静态励磁调节控制系统未采用同步变压器，而是通过励磁变压器的低压侧分别经两块PSI信号采集单元独立引入两套微机通道。A套微机通道仅采集PSI-A信号的输出进行移相触发，B套微机通道仅采集PSI-B信号的输出进行移相触发。如果在A通道为主时，采集PSI-A信号发生故障，A通道将自动退出自动运行，切换至B通道自动运行。

Unitrol 5000静态励磁调节控制系统在判别PT断线时采用PT二次侧电压和励磁变低压侧电压进行比较，即使发生双PT断线故障也不会引起发电机误强励。Unitrol 5000静态励磁调节控制系统两个通道分别引入了一组PT电压，当A通道正常运行在AVR调节工况时，A套PT发生断线时，A通道自动切换为B通道运行。

Unitrol 5000静态励磁调节控制系统外部跳闸回路中间继电器动作功率不足1W，抗干扰能力弱，在受到干扰、直流接地、交流串直流等情况下，易发生误动导致机组非停。

Unitrol 5000静态励磁调节控制系统在增、减磁继电器节点发生粘连的情况下，可能引起励磁调节误发增、减磁信号，造成励磁调节异常。

3 Unitrol 5000励磁系统电压波动异常事件

2013年8月22日，某火力发电企业四号机组运行过程中，励磁电压突然发生连续多次异常波动，最大波动范围279.5-464.6V（额定励磁电压542V）。查看故障录波器显示发电机机端电压（采自机端1PT）、有功功率、机端电流、励磁电流等电气量参数均无明显变化。进一步检查发现造成励磁电压波动原因为发电机出口2PT A相保险存在熔丝非完全熔断缺陷，致使二次侧A相电压较B、C两相电压偏低3-4V。由于该故障未能达到Unitrol 5000静态励磁调节控制系统PT断线阀值，PT断线未能准确判出。

事件发生后，经技术人员与及ABB工程技术人员确认Unitrol 5000静态励磁调节控制系统PT断线判别逻辑设计上存在缺陷，该逻辑不能对发电机机端PT一次侧保险熔丝非完全的熔断、二次回路接线松动等异常做出准确判断。通过调研发现，同类型励磁调节系统的多家发电企业也曾出现过由于PT一次回路异常导致励磁输出增加和波动、机组电压上升和波动、最终发变组保护过激磁反时限动作或者发变组保护定子过负荷保护动作造成的非停事件。因此，完善Unitrol 5000静态励磁调节控制系统PT断线判别逻辑，对于控制和减少非停机事件，提高发电机自动励磁调节系统安全性、可靠性具有重要的现实意义。

4 Unitrol 5000静态励磁调节控制系统PT断线逻辑简介

图1 Unitrol 5000静态励磁调节控制系统PT断线判别逻辑框图

图中U—MACH—RELATIVE为发电机机端电压相对值（UMR）；U—SYN—RELATIVE为同步电压相对值（USR）；DEV—U—MONITORING为偏差设定值（DUM）。Unitrol 5000静态励磁调节控制系统通过比较发电机机端电压与同步电压的差值可以判别两种故障类型。当（UMR －USR）＞DUM ，经延时0.1s后，报发电机PT断线故障告警，并动作于通道切换。当（USR－UMR）＞DUM 经延时1.5s后，报同步线电压故障告警。偏差设定值出厂设置统一为15%。此定值即作为PT断线的整定值，也作为判断整流装置同步电压是否正常的整定值。

此次四号机组励磁电压异常波动事件中，PT二次侧A相电压仅降低了3-4V,而PT断线逻辑中发电机机端电压相对值采用发电机机端三相线电压的平均值，同步电压相对值采用励磁调节装置交流母线侧三相线电压的平均值，通过查阅文献，当单相PT断线时单相电压下降至低于45%时，原PT断线逻辑才能判出故障[3]。故此原PT断线逻辑存在较大的死区，仅能对PT一次保险快速熔断、误拉PT间隔、PT二次空开跳闸等情况正确动作。如果以减小偏差设定值的方法以提高PT断线的灵敏度，将有可能在一些故障时暂态过程中或者励磁大负荷工况下，造成PT断线或同步电压失效造成设备误动。例如，2014年3月某电厂#4号机组励磁#2整流装置可控硅部分击穿，由于该厂PT断线逻辑中偏差设定值设置由出厂默认值15%改为7%，导致主、备两个通道先后报出同步电压故障，通道发生紧急切换，险些造成励磁系统故障跳闸事件。由此可见，对原PT断线逻辑进行修改的方案是不可取的。

5 Unitrol 5000静态励磁调节控制系统 PT断线逻辑改进方法

目前国内市场，针对Unitrol 5000静态励磁调节控制系统PT断线的逻辑进行升级、改造的方案有很多,其中大多数对原有的PT断线逻辑进行了保留，通过加装新的检测装置、增加PT断线的附加判据，来弥补原逻辑的不足。比如四方公司专门生产的TV断线判别装置；以及引入发电机定子负序电流、电流突变量、三相电压相位等其他判据的方式。以上方案相对而言施工难度较大，周期较长。而本文提出的以下方案，通过保留原有PT断线逻辑，增设附加PT断线逻辑的方法，具有监视逻辑修改简单，标准功能块组编程容易，逻辑易于检查，施工周期短，难度小的优点。当系统发生真实的PT故障时，原PT断线逻辑能立刻检出故障并迅速切换通道；当出现PT缓慢熔断等问题时，增加的PT断线附加逻辑能够及时判别故障，并发生出PT断线告警，通过AVR自动实现切换通道，避免发变组过激磁保护动作。

图2 PT断线附加判据

附加PT断线监视逻辑中，通过将发电机机端电压标幺值Ug（%）与励磁二次侧电压标幺值Usyn（%）进行对比，当Ug-Usyn＜△U时，经过适当的延时△T后，发出PT断线报警。报警可以启动PT断线逻辑并切换通道；也可以仅向DCS发出报警，不切换通道，提示运行人员处理。其中，△T和△U的值都可以通过参数分别进行整定。一般△T可取3-5秒，△U取3%-5%，即可保证逻辑准确判出故障，避免误报的发生。

使用三相继电保护测试仪对新的逻辑进行测试。励磁系统在自并励工况状态下，启动励磁装置。使用三相继电保护测试仪对同步采样回路施加额定同步电压（黑线），使用三相继电保护测试仪对励磁端子排 X45 施加额定机端 PT 二次电压（红线），当缓慢降低所施加的模拟 PT 二次电压，同步采样回路施加额定同步电压不变时，观察新的 PT 断线附加逻辑延时3秒动作（粉线为PT断线保护动作情况），验证逻辑动作正确。

图3 测试录波图

6 结束语

通过对Unitrol 5000静态励磁调节控制系统电压异常波动事件分析，发现原PT断线逻辑对PT一次保险慢熔异常事件存在死区，严重时有可能造成机组非停事件，通过新增附加判据、保留原有PT断线的方法，对其功能进行完善，提高设备可靠性，保证了机组安全稳定运行。