大型发电机组静态自并励励磁系统国产化改造经验介绍

大型发电机组静态自并励励磁系统国产化改造经验介绍

徐兴国,孙伟生,冯庭有,张家宽,郭存瑞,陈博,李晓凤,李岚

华能（广东）能源开发有限公司海门电厂　广东　汕头515041

摘 要：某南方电网大型火力电厂原使用ABB UNITROL 5000静态自并励励磁系统，由于设备本身老化原因及机组增容需要，对励磁系统进行了整组国产化换型改造。文章对整个改造过程进行详细描述，并对改造中遇到的现场实际问题进行分析汇总，形成一套可行的励磁系统国产化改造方案，为日后同类型设备改造提供借鉴参考。

关键词：静态自并励;励磁系统;换型改造

1、改造设备概况：

1.1设备概况：改造机组采用1036MW机组发电机由东方电机股份有限公司制造。型号为QFSN-1000-2-27，发电机为全封闭、自通风、强制润滑、水/氢/氢冷却、圆筒型转子、同步交流发电机。定子绕组为直接水冷，定、转子铁芯及转子绕组为氢气冷却。密封油系统采用单流环式密封瓦。励磁系统为全静止可控硅机端自并励励磁方式，励磁电源由本发电机出口经过励磁变变压，再经过整流后供给。励磁变采用ABB/Transfo生产的三个单相干式励磁变，容量为3X3300kVA，变比27000/1100V，接线组别为Dy11。现有存在以下问题：

1.2ARCnet node fail通讯故障。ABB UNITROL5000励磁系统采用ARCNET现场总线通讯方式，主控板COB对功率柜整流元件导通角进行控制的触发脉冲依赖ARCNET总线传递，且无备用。如果该条总线任一节点松动，触发脉冲将中断，整流元件将因无触发脉冲退出运行。同时，因UNITROL500通讯方式为串联，任何一路的断电可能导致整个系统通讯中断，严重影响1号机组正常、安全稳定运行，甚至因励磁系统故障导致机组跳闸从而引起系统功率振荡。

1.3通讯抗干扰能力差。由于励磁系统工作在强电磁场环境下，其自身的控制系统又由电子元器件构成，所以对励磁系统的抗干扰能力有很高的要求。ABB UNITROL5000励磁系统采用ARCNET现场总线通讯方式，主控板COB对功率柜整流元件导通角进行控制的触发脉冲依赖ARCNET总线传递，且无备用。如果该条总线任一节点松动，触发脉冲将中断，整流元件将因无触发脉冲退出运行。同时，因UNITROL5000通讯方式为串联，任何一路的断电可能导致整个系统通讯中断。经分析，因我厂励磁变以及励磁控制系统的特殊性，无专用励磁小室，励磁变与励磁控制系统紧邻布置，励磁控制系统周围存在较强的电场和磁场。而ARCNET总线传递抗干扰能力较差所致，严重威胁励磁系统的可靠运行。

1.4励磁系统主要部件已停产，机组随时被迫停机。ABB自2007年推出新一代的UNITROL6000系统，UNITROL5000系统已进入产品的衰退期，UN5000系统在国外自2010年已停止生产，在中国市场2012年也已停止生产，UN5000系统的全产品线的停产，导致备件的价格及采购周期受影响较大，且UN5000系统的硬件/软件升级缺乏足够的技术支持。

出现这样的境况是非常危险的，由该励磁系统的运行情况看，而且随着设备的运行时间越长，励磁系统主要部件可以说是无法预测什么时候会出现问题，而一旦出现无法修复的情况，则机组将会被迫停止运行。

1.5励磁系统限制器特性与现行国标不一致，无法与发变组保护定值配合；

基于上述原因，励磁控制系统的升级改造已是迫在眉睫，必须尽快进行，以争取主动，避免到时出现被动的局面。

2 、改造实施过程

2.1 励磁系统二次回路改造

（1）改造系统二次回路全部集中于励磁调节柜，采取下进线方式。为保证新设备符合现场实际条件，在新设备出厂前，由设备厂家将所有外回路接线汇集到调节柜端子排。

（2）为了减少改造工作量，励磁系统二次回路电缆沿用旧设备电缆，欠缺的部分新敷设。

（3）原系统二次回路拆除时仅拆励磁侧接线，对侧设备接线不用拆除，需要注意，部分接线如DCS信号回路，发变组跳闸回路带电，拆除接线时需要特别标记。

（4）新设备二次回路接线。与改造设备相比，新系统与DCS系统遥控、遥信信号名称数量均存在偏差，无法按照一一对应的关系接入。

2.2 进线柜阻容吸收回路新增散热元件

对于静态自并励励磁系统，其整流桥通常采用可控硅整流方式，但由于可控硅在反向关断过程中的恢复特性，运行中容易产生周期性换相过电压，长时期的过电压会引起励磁变压器及发电机绝缘性能弱化，也可能导致可控硅晶闸管损坏。为了抑制可控硅换相尖峰过电压，励磁系统在国产话改造中交流进线柜设计集中式三相桥式阻容保护回路。三相桥式阻容保护回路结构简单，对尖峰过电压保护特性良好，但在工作时电阻长时间消耗电功率，会存在发热问题。通过红外热成像测量，交流进线柜阻容吸收回路电阻温度大于150℃。该励磁系统出厂时虽然设计了散热风扇，但实际运行时交流进线柜运行时处于一个密封环境，电阻发出的热量无法直接排除到柜外，导致整个柜体温度均较高，实际测量，相邻的一次铜排温度高达60℃。

现场优化解决方案：（1）在当前励磁系统交流进线柜柜顶安装两个散热风机，风机采取抽风的方式，与原二极管下部设计散热风扇FJ1配合，将柜内热气通过下吹上吸的方式排出柜外。（2）新增散热风扇电源取自原柜内散热风扇FJ1风扇开关下口，新增风扇与原散热风扇同时启动。（3）在柜顶新增风扇上部设置防雨罩，防止励磁小间房顶凝露雨水直接滴入进线柜内，不影响设备安全运行。

优化改造后，通过实际测量，阻容回路电阻温度有较大程度的降低，测量温度128℃，较优化前柜体温度大幅下降。

3 、改造效果评估

3.1 完美解决原ABB励磁系统过热限制不满足标准问题

改造机组励磁调节器改造前软件版本41305-10，该软件版本下过热限制器公式（转子电流限制与定子电流限制公式一致）：

经换算，IEEE和国标关于转子过电流限制及定子过电流限制公式为：

其中：Imax为最大电流设定值;Ith为限制器启动值;T为最大限制电流可持续时间;I为实测电流值。

ABB调节器限制器公式必须将启动值Ith设置为100%才能完全符合IEEE和国标的要求，但Ith设置为100%又与国标要求的励磁电流在110%额定励磁电流下长期运行不符合。

ABB中过流限制公式（转子电流限制和定子电流限制）

经过转换后为改造结束后，国产化励磁系统过电流限制公式为：（I2-1）*T=C，其中C为热容，与IEEE和国标要求相同，通过实际试验验证，限制器限制特性与实际计算值一致。

3.2 优化通讯方式，提高运行可靠性

据了解，由于UN5000励磁系统使用的是90年代末的技术，其通讯方式为串联通讯，国内采用同型号励磁设备的电厂，寿命到期后励磁系统都曾发生A195：Arcnet node fail通讯故障，存在的问题基本相同，可见该励磁控制系统出现的问题与其本身先天缺陷、设计、工艺、元器件质量、技术水平等有关。Arcnet故障会导致设备报警，丢失冗余，甚至跳机。

由于ABB UN5000励磁系统采用的ARCnet总线及脉冲总线的通讯方式，该种通讯方式稳定性较差，易受干扰，严重的影响机组正常运行。本厂机组在基建调试期间就曾出现因脉冲总线受干扰，励磁系统启动异常，励磁电流突变现象，现场更换了整套脉冲线并使用薄铜膜对脉冲线进行覆盖屏蔽处理后方才正常运行，另外一台机在运行中发生因ARCnet总线受干扰导致调节器无法检测整流器运行状态励磁系统强制退出事件。

改造结束后，国产化励磁系统调节器与整流桥通讯方式改为光纤通讯，抗干扰能力较之前通讯大为提高。励磁系统两套调节器，每套调节器均通过光纤与整流柜测控裝置通讯，单套调节器故障，不影响整流柜接收触发角指令。

4、结束语

机组励磁系统改造结束后，各分系统启动正常，PSS、PQ、励磁建模试验正常，励磁系统动态试验正常，励磁系统改造圆满完成。通过改造，在满足机组增容需求的同时，解决了励磁系统元器件老化、过热限制不满足规程要求等隐患，满足机组长时间稳定运行需求。

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