俄制TBM—160—2型发电机自并励磁系统的改造

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【摘 要】大唐洛阳热电有限责任公司1号发电机原励磁系统为俄罗斯生产的CTC-190-4100-2.5型可控硅自并励励磁系统，生产工艺落后，故障频发，且结构复杂，使用、维护不方便。针对原系统存在的问题，使用较为先进的微机型励磁系统可完美解决原有问题，并大幅提升励磁系统性能，本文对该励磁系统改造过程进行了详细描述，以期同行借鉴。

【关键词】俄制；自并励；励磁系统；改造

大唐洛阳热电有限责任公司1号发电机（tbm-160-2型）所配套励磁系统为俄罗斯生产的CTC-190-4100-2.5型可控硅自并励励磁系统。其主要构成由励磁变压器（TCЗП-4100/20），容量2196kVA，其电压为18KV/0.38KV，电流379A/3345A，短路电压5.93%；整流单元CB-825-4100型，两套整流单元为全桥式整流，互为热备用，其输出额定电压为170V，额定电流为3700A。两套励磁调节器为APB—CДП1型，并互为热备用。

每一套整流单元共有36个可控硅，每一支路6个可控硅并联运行，其冷却方式为水冷，可以最大限度保证可控硅的安全，可控硅的移相触发电路为单脉冲。

励磁系统的灭磁由灭磁电阻和灭磁开关QAE组成，其中，QAE是灭弧栅的灭磁电路。故障情况下跳开QAE，由QAE灭磁，正常情况下用逆变灭磁回路。

励磁系统的过压保护由二个反向并联晶闸管，通过灭磁电阻并在发电机转子线圈两端，当机端电压高于整定值，晶闸管导通，将灭磁电阻接入发电机励磁回路，防止发电机过电压。

APB—CДП1型励磁调节器是俄罗斯上世纪九十年代产品，为集成电路型模拟调节器，其主要有电压整定插件、电压测量插件、功率放大插件及其它辅助插件构成。调节器全部功能由运算放大器模拟电路实现。

由于1号发电机采用自并励励磁方式，因此励磁系统的起励回路和发电机零启升压靠发电机的残余电压不足以使发电机升压，需要外加一套起励回路。起励电源由交流和直流组成，正常情况下，交流起励电源优先，经过起励变压器、整流回路。

该励磁系统投运以来，共发生10次主要故障，其中有5次为元件损坏（包括可控硅元件损坏、灯具烧损、及印刷板腐蚀），其中可控硅损坏造成一次停机的严重事件，另有三起安装问题引起的事故（包括电流回路线头松动以及刀闸辅助接点接反以及灭磁电阻柜中遗留有铁丝），其中一起导致停机。剩余两起均为环境温度及设备长时间运行导致的集成电路元件零点漂移。

总的来说，俄制TBM-160-2型发电机配套的CTC-190-4100-2.5型“自并励”励磁系统存在下列问题：（1）设计陈旧，功能不完善；（2）技术指标和性能难以全面达到我国国家标准和电力行业标准的规定值；（3）选用的元件、器件、部件落后；（4）结构复杂，使用、维护不方便；（5）获得必需备品、备件途径单一；（6）生产工艺落后，产品制造粗糙。因此，该励磁系统整体技术水平明显落后于我国。现将该励磁系统主要部分存在的问题简述如下：

1 自动励磁调节器

（1）采用半导体分离元件的模拟式励磁调节，整体技术相对落后；

（2）相对于微机励磁调节器而言，模拟式励磁调节器电子元件多，容易产生各种故障而引发大大小小的事故；

（3）元器件的质量不高，导致励磁系统的可靠性差；

（4）对励磁系统的限制和保护功能少；

（5）只能使发电机以恒端电压、恒励磁电流的方式运行，而不能实现恒功率因数、恒无功功率的方式运行。

（6）由于模拟调节器，调试维护非常困难；其所有整定值，全部依靠可调电阻改变电压参数整定，可靠性较差。

2 可控硅整流装置

（1）可控硅整流元件功率太小，每个桥臂采用6只元件并联，导致结构复杂，元件之间的均流效果差。

（2）可控硅整流元件采用水冷方式，结构复杂，可靠性较差。

（3）由于发电机励磁电流较大，励磁刀闸设计不合理，刀闸动、静触头接触面积小，造成励磁刀闸过热，直接影响发电机的无功负荷。

3 灭磁和过电压保护

3.1 采用灭磁开关的灭弧栅灭磁

存在以下问题：灭弧栅灭磁的速度慢于目前常用的非线性电阻灭磁；灭磁开关检修和维护工作难度大，费时费劲。

3.2 采用转子放电器作为转子绕组的过电压保护

存在着以下问题：转子放电器的容量无冗余；转子放电器不能对可控硅整流装置的直流侧进行过电压保护。且1号机励磁系统因放电器可控硅备品获取困难，一直未修复，存在隐患。

通过技术改造可解决以下问题：

（1）实现恒功率因数、恒无功功率的方式运行。

（2）解决QS1- QS4励磁刀闸过热问题。

（3）解决励磁调节器保护功能少问题。

（4）解决半导体分离元件的模拟式励磁调节，整体技术落后问题。

（5）解决模拟式励磁调节器电子元件多，元器件的质量不高，容易产生各种故障，可靠性差问题。

（6）解决模拟调节器，调试维护困难问题

（7）解决可控硅整流元件冷却水系统与发电机转子冷却水系统共用，且可控硅冷却水系统漏入气体将直接影响发电机运行的问题。

（8）解决转子放电器不能对可控硅整流装置的直流侧进行过电压保护问题。

综上所述，决定将1号机现有俄制CTC-190-4100-2.5型励磁系统改造为微机型励磁系统。

改造后预期达到的效果如下：

（1）由于计算机具有的计算和逻辑判断功能，使得复杂的控制策略可以在励磁控制中得到实现，它除了可以实现模拟式调节器的PID调节、PSS附加控制和线性最优控制外，还可以实现模拟式调节器难以实现的控制，从而丰富和增加了励磁控制功能，改善了发电机的运行工况。

（2）调节准确、精度高，在线改变参数方便。在微机式励磁调节其中，信号处理、调节控制规律都由软件来完成，不仅简化了控制装置，而且信号处理和控制精度高。另外，电压给定、放大倍数、时间常数等控制参数都由数字设定，比由模拟元件构成的环节调整参数要准确得多，而且参数稳定性高，基本不存在因热效应、元件老化等带来的参数不稳定问题。同时在线调整设定参数也比模拟式调节器方便得多，速度可以很快，没有模拟式调节器中电位器调整带来的烦恼。

（3）利用计算机强有力的判断和逻辑运算能力及软件的灵活性，可以在励磁控制中实现完备的限制及保护功能、通用而灵活的系统功能、简单的操作以及智能化的维护和实验手段。它容易实现：

1）发电机恒无功运行和恒功率因数运行；

2）正、负调差和调差率的选择；

3）最大励磁电流瞬时限制；

4）定子电流限制；

5）强励反时限限制；

6）欠励瞬时限制；

7）过励延时限制；

8）电压/频率限制以及各种保护功能。

（4）可靠性高，无故障工作时间长。由于采用双微机自动跟踪，两个通道互为热备用，可以实现自动切换。还可以在正常运行情况下检修备用机，在软件中实现自诊断和自复归功能。

由于调节控制规律由软件实现，减少了硬件电路，因调节器故障维修而带来的停机时间大大减少。

（5）通讯方便。可以通过通信总线、串行接口或常规模拟量方式方便灵活地接入电厂的计算机监控系统，便于远方控制和实现发电机组的计算机综合协调控制。微机式励磁控制是电厂计算机综合控制系统不可缺少的组成部分。微机励磁调节器可以与上位计算机通信，传送数据，接受指令。上位计算机可直接改变机组给定电压值，非常简单地实现全厂机组的无功成组调节及母线电压的实时控制。

（6）便于产品更新换代。由于引入了微处理器，使得控制策略的改变和控制功能的增加基本不增加装置的复杂程度，通常只需要在软件上加以改进，硬件不需做很大的改动，因而便于产品升级换代。

根据1号发电机原励磁系统运行情况，结合发电机转子电压要求电压低170V、电流大3700A的实际情况，综合工程造价等因素，确定采用南瑞集团公司电气分公司生产的SAVR-2000励磁系统，改造方案如下：仅保留励磁变压器、灭磁开关及线性灭磁电阻，调节器及整流柜全部更换。安装位置不变，全套系统有7面柜组成，分别是：调节器柜，灭磁开关柜，可控硅整流桥柜，交流进线柜。其中：各柜的型号及数量如下：

SAVR-2000励磁调节器柜：2柜

FLM灭磁开关柜：1柜

FLZ-2200可控硅整流柜：3柜

FLJ交流进线柜：1柜

改造范围：（1）将双通道模拟式励磁调节器更换为双微机励磁调节器。（2）将原来水冷却方式的2个可控硅整流柜（单柜额定输出4100A）更换为强迫风冷的3个整流柜（单柜额定输出2200A）。（3）发电机转子绕组、整流装置交直流侧过电压保护装置更换。（4）使用原有灭磁开关，制作统一柜体进行灭磁开关安装（含灭磁开关控制与信号回路，含励磁系统起励装置）。（5）保留励磁变、灭磁电阻（线性）。（6）配制完全独立的手动备用调节通道。（7）配置进线母线柜。

改造前与改造后各项技术性能和指标的对比：原为俄罗斯产品，采用80年代技术半导体调节器，结构复杂，设计陈旧，功能不完善，技术指标和性能难以全面满足国标和电力行业标准。运行中经常出现元件损坏，造成装置故障，且故障点不宜查找，可靠性差，有时造成发电机无功波动，严重影响发电机安全运行。改造后，使励磁系统性能指标全面达到或优于《大、中型同步发电机励磁系统技术要求》GB/T7409.3-1997和《大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件》DL/T650-98标准，可以提高励磁系统的运行可靠性，减少励磁系统引起的强迫停机率，降低非计划停运次数，以满足实时调度对负荷调整的要求。改造后较改造前励磁系统稳定性能大大提高，操作简单，不再出现励磁刀闸过热、整流柜水压波动现象。

4 结论

通过大唐洛阳热电有限责任公司1号发电机励磁系统的技术改造，彻底解决了原励磁系统存在的各种问题，大幅降低日常维护量，提高1号发电机励磁系统安全运行的可靠性，使励磁系统的缺陷明显减少，保证了发电机安全运行；为降低1号发电机组的非计划停运次数，打下坚实的基础。

参考文献：

[1]CTC-190-4100-2.5型励磁系统技术说明书.

[2]SAVR-2000发电机励磁调节器技术说明书.

[3]大型汽轮发电机交流励磁机系统技术条件 DL T 843-2003.