大型同步发电机静态励磁系统的新技术应用

2020-04-25  来自: 恒威动力

近年来,通过对静态励磁系统对大中型同步发电机轴系暂态稳定、继电保护和扭振影响的分析研究,普遍认为该励磁方式具有响应速度快、接线简单、运行稳定等优点,维护方便,运行可靠,缩短轴系长度,改善轴系特性。同时,随着引进大容量机组的发展,静止励磁系统已在各大电网投入运行。目前,我国也正处于大力推广应用的阶段。然而,不可否认的是,自20世纪50年代以来,国外就开始采用静态励磁系统,目前已经相当流行。例如,在加拿大电力系统中,采用静态励磁系统的发电机组已占总装机容量的近80%。Abb、三菱、GE等公司主要从事静态励磁系统的生产。与国外同行相比,国内生产厂家在可靠性设计、智能均流技术、轴电压吸收、远程诊断等关键技术方面存在差距。目前,数字调节器(AVR)广泛应用于静止励磁系统,采用双通道结构。每个通道有恒压和恒流两种主要调节方式。然而,大中型同步发电机的静态励磁系统有其特殊性,即不同于交流励磁系统,它配有手动柜,因此对其可靠性要求更高。在提高励磁设备整体可靠性的基础上,调节器和电源电路可考虑冗余设计。



带备用手动调节的AVR,可实现常规双通道AVR通道之间、恒压恒流模式之间的自动跟踪,故障时自动切换。通常,AVR在信道1的恒压模式下工作。如果发生故障,切换到通道2的恒压模式。如果故障再次发生且通道1未修复,则切换到通道2的恒流模式(手动模式)。若再次发生故障,应切换至交流励磁机励磁系统中的手动备用励磁柜,但对于静态励磁系统,由于其输出电压高、电流大,一般不考虑经济性而设置手动柜。如果发生类似故障,励磁系统将直接退出运行,对机组安全可靠运行十分不利。此外,双通道稳压器中的恒流模式通常不是完全独立的。例如,恒压恒流模式的CPU共享,控制程序也在同一程序存储器中。当主控板发生故障时,导致恒压/恒流模式不能同时使用。基于这种情况,应采用带后备手动调节的AVR其采用完全独立的CPU,控制功能也完全独立,并具有以下功能:自动跟踪/自动切换、同步回路及脉冲产生完全独立、供电回路独立、I/O接口独立;另外,后备通道应具有保护功能,如励磁电流反时限保护、过流瞬时保护和小励磁电流限制等。可以看出,在这种配置下,每个调节通道都有恒压模式、恒流模式和完全独立的备用手动模式。



大中型发电机静态励磁系统的电源电路冗余设计和智能均流技术,电力桥通常采用(-1)冗余设计,即n桥并联运行。当可控桥退出时,仍能满足额定运行条件和强励条件。针对多座桥并联运行的情况,目前大多采用等长电缆和交流侧电抗器等措施实现均流。可见,它们都是静态均流措施。当电力元件特性发生变化,励磁电流发生偏差时,只采用人工调整的方法,运行过程中的调整不利于设备的安全运行,应采用动态智能均流技术。



为了实现动态均流,首先测量每个可控电桥的输出电流,实现可控电桥之间的均流,而不依赖AVR。这样,可控电桥应配备智能电桥控制单元,实现电流测量、触发角调节等功能,同时实现电桥温度测量、冷却风扇控制等,可见每个可控电桥实际上是一个独立的智能元件,它可以通过ARCNET、can bus等现场总线与AVR相连,这样,可控桥的配置也非常灵活,可以满足不同励磁容量的要求。


综上所述,如果使用带备用手动和智能电源桥的AVR,控制部分实际上是4个完全独立的通道,控制桥可以按照(n-2)的原则配置。备用手动调节实际上实现了类似于手动柜的功能,大大提高了发电机组的运行可靠性。其次,由于晶闸管电弧变化的影响,轴电压吸收式静止励磁系统也是一种新的轴电压源,实践证明,传统的接地碳刷不能有效地消除轴电压的高频分量。如果不采取有效措施加以防止,轴表面和支架会引起电气腐蚀,影响机组的安全运行。一般认为轴电压值小于20V是安全的。为了达到这一目的,除了改进传统的接地碳刷外,励磁装置内部还应设置专门的轴电压抑制电路,有效降低轴电压值。目前,有效的方法是增加对称RC滤波器。需要注意的是,此RC回路对发电机转子接地检测有影响,在现场调试过程中应对接地检测装置重新进行整定.


冷却风机配置

随着电子技术和可控硅技术的不断发展和成熟,励磁系统的整体可靠性大大提高。相比之下,冷却风扇部分是一个薄弱环节,通常1台风扇的使用寿命约为4万小时。在国外一些核电站,设备运行时间后,将全部更换风机,以提高设备运行的可靠性。目前国内普遍采用两组风机互为备用。当风机出现故障时,会进行更换,但不利于风机的动态维护。如果采用智能网桥控制单元,在接近使用寿命时,可记录并更换每组风机的实际运行时间,大大方便了维修工作。


脉冲损耗检测技术目前,脉冲损耗检测方法主要有母线脉冲损耗检测和脉冲变压器二次侧脉冲损耗检测,或多种方式同时检测,但在晶闸管栅极故障或晶闸管失控的情况下,上述方式均无效。有效的方法应该是检测每个可控电桥交流输入的电流。通过对电流波形的分析,可以判断出脉冲是否丢失,桥臂是否丢失,从而真正避免了误检的发生。


现场总线和远程诊断

励磁系统通常与DCS相连。现阶段主要采用硬接触,但无法在DCS上实现。励磁系统内部参数的修改和录波,现在要求励磁系统与DCS有通信接口,但问题是目前很少投入使用,只留将来使用。在具体设计中,采用了通用内部接口和相应的通信协议转换接口的形式,使得在以后的实际使用过程中,AVR的主控程序不能更新,但可以选择不同的转换接口来满足要求,如modbus,piofibus和其他通信协议接口。


鉴于励磁设备的重要性,要求励磁设备制造商能够在短时间内解决用户遇到的实际问题。随着互联网技术的发展,励磁设备可以通过专用调试工具进行远程连接。这样,励磁设备制造商就可以实现对励磁设备的远程控制和诊断,如同时读出设备内部的设定参数,并能实时记录和分析,从而大大缩短了维修时间。 

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