公伯峡水电站EXC9000静态励磁系统组成及运行中存在的问题分析

1、公伯峡水电站 EXC9000 静态励磁系统组成及运行中存在的问题分析高智贤1 ,李永龙2 ,何振中2(1 . 黄河水电公司公伯峡发电分公司 ,青海 化隆 811902 ;2 . 黄河发电运营公司 ,青海 西宁 810003)摘 要 :文章介绍了公伯峡水电站 EX9000 静态励磁系统的功能及主要参数 ,并对公伯峡水电站励磁系统存 在的问题进行了分析 。关键词 :水电站 ; 励磁系统 ; 分析中图分类号 : TV734文献标识码 :B文章编号 :1006 - 8198 (2006) 04 - 0015 - 05Format ion of EXC9000 Stat ic Exc itat ion

2、System of GongboxiaHydra ul ic Po wer Plant an d Its Exist ing ProblemGAO Zhi - xian1 ,L I Yo ng - lo ng2 , H E Zhen - zho ng2Abstract :The paper int roduces formatio n of EXC9000 static excitatio n system of Go ngbo xia as well as it s perfor2mance of each part and p rimary parameters , also t he p

3、aper analyses existing p roblems of t he system.Key words :hydraulic power plant ; excitatio n system ;analysis通过机端第一套电压互感器 TVl 和第一套电流互 感器 TA1 取得 。B 通道为第一备用通道 ,测量信 号通过机端第二套电压互感器 TV2 和第二套电 流互感器 TA2 取得 。从励磁变压器副边采集的 三相同步电压信号供三个通道公用 ,从整流变副 边电流互感器取得的励磁电流信号也供三个通道 公用 ,三通道以主从方式工作 ,正常方式为 A 通道 工作 ,B 通道及 C 通道自

4、动跟踪 ,B 通道或 C 通道 作为备用通道 。当 A 通道出现故障时 ,自动切换 到备用通道运行 , C 通道总是自动跟踪当前运行 通道 ,当 B 通道投入运行后如果出现故障时 ,自动 切换到 C 通道运行 。21111 励磁调节器组成励磁调节器主要由 A 、B 、C 三个调节通道 、模 拟量总线板 、开关量总线板 、人机界面 、接口回路等组成 。其 硬 件 由 1 个 独 立 的 手 动 控 制 通 道 、1块开关量总线接口板 、1 块模拟量总线接口板 、1块现地操作单元板 、1 套人机界面 、1 块智能 I/ O概述黄河公伯峡水电站位于青海省循化县与化隆 县交界处的黄河干流上 ,电站共安

5、装 5 台水轮发 电机组 ,单机容量 300 M W ,总装机容量为 1 500M W ,保证出力 492 M W ,多年平均发电量 5114 亿KW·h 。发电机励磁系统采用广州电器科学研究 院 EXC9000 静态励磁系统 。1励磁系统组成励磁系统主要由励磁调节器 、功率整流柜 、灭 磁回路 、起励回路 、整流变压器及测量用电压互感 器 、电流互感器等组成 ,其系统框图见图 1 所示 。211励磁凋节器调节器为 EXC9000 型双微机三通道调节器 ,其中 A 、B 通道为自动电压调节通道 ,其核心控制 器件 是 COM PAC TPC I32 位 总 线 工 控 机 , C 通

6、 道为手动调节通道 ,其中 A 通道为主通道 ,测量信号2作者简介 :高智贤 (1970 - ) ,男 ,宁夏人 ,工程师 ,长期从事水电厂运行 ,生产管理工作 。收稿日期 :2006 - 03 - 21青海电力第 25 卷16板及相应的继电器输出板 、两个微机调节器通道(2 个通道包括 : 1 块 CU P 板 、1 块 DSP 测量板 、1块 I/ O 板 、1 块接口板) 等组成 。其软件由主 CPU程序流程和 DSP 采样流程组成 。图 1励磁系统框图1) 微机调节 A 、B 通道 。两个微机调节通道主要由工控机和通道接口板组成 。各调节 、控制 逻辑等由 CPU 板上的 IN T E

7、L 80486 完成 。采样由 DSP 完成 ,故障检测 、脉冲及整流桥控制等功能由通道接口板上的单片机完成 。其核心控制器 件为 COM PAC TPC I32 位总线工控机 , 该工控机共由 4 块独立的板卡组成 。各板卡功能为 : CPU板 是一块高集成化的单板计算机 ,主要用于 实现励磁系统的调节 , 逻辑控制功能 。DSP 实现 34 路模拟量输入的同步采集和高速转换以 及 16 位数字量输出 ,主要用于模拟量信号的采集及处理 。I/ O 板 主要用于励磁系统开关量信号的采集及输出 。通道接口板 主要用于故障 检测 ,脉冲产生和控制及对整流桥控制 。2) 模拟式手动调节 C 通道 。

8、C 通道是基于集成电路的模拟式调节器 ,以励磁电流作为反馈量 ,其给定由一块单片机控制一个 12 位精度的串行 数模转换器得以实现 ,用线性集成的 P ID 调节电 路进行调节 ,输出控制信号给触发板进行移相触发 ,由于 C 通道的励磁调节从实现的原理和途径与数字式调节器相比完全不同 ,所以 C 通道能起 到很好的后备作用 。C 通道除按励磁电流进行调节之外 ,还具有自动预置 、通道跟踪 、机端电压限制 ,低频逆变等功能 。3) 主 CPU 程序流程 。由主程序和中断服务 程序组成 。4) DSP 采样流程 。每周期 32 点向量采样用 于计算机端电压 、机端电流 、有功 、无功 、和机端频率

9、 。此外 ,DSP 还采集励磁电压 、励磁电流 、系统 电压等 。通 过 双 口 RAM , DSP 将 采 样 结 果 传 送到主 CPU 。21112 励磁调节器的功能调节方式采用 P ID + PSS 控制模式 。PSS 为 电力系统稳定器 ,其作用是提高电力系统静态稳定能力 、提高电力系统动态稳定能力 、阻尼电力系 统低频振荡 。励磁调节器具有限制功能 、监测功能 、保护功 能及其它功能 。第 4 期高智贤等 :公伯峡水电站 EXC9000 静态励磁系统组成及运行中存在的问题分析17212 功率整流柜每套励磁装置有 3 个智能化功率柜 ,每柜装 有一个三相全控整流桥 。三柜并联输出 ,

10、单柜额 定输出电流 2 000 A ,强励电流 4 000 A ,可持续20 s 。整流桥退出一个支路仍能保证机组在所有运行工况下正常运行 ,包括强励 。21211 功率整流柜主要元器件 晶闸管元件 :元件型号为 DCRl476 S Yb) 如果在 10 s 内残压起励失败 ,则启动辅助起励回路 ,将外接的辅助起励电源投入 ,在机端电 压达发 电 机 电 压 的 10 % , 辅 助 起 励 回 路 自 动 退 出 。从开 始 软 起 励 过 程 并 建 压 到 预 定 的 电 压 水 平 ,采用辅助起励电源时的起励电流约为 20 A 。c) 若残压起励和辅助起励均失败 ,即从接受 到建压指令

11、后 15 s 内建压不成功 ,则发起励失败 信号 。d) 整个起励过程和顺序控制是通过软件功能 实现 。215 电源系统 (交流 380 V 、直流 220 V)两段厂用 (交流 380 V) 电源引至灭磁柜互为 备用 ,柜内有自动切换装置 。分别作为风机电源 、 监控系统 、使用的变送器电源 、照明及加热器电源 等 。励磁装置的直流控制电源为 DC 220 V ,从灭 磁柜引入 ,它作为励磁回路 ,灭磁开关操作回路和 DC 24 V 输出的开关电源模块的供电电源 。励磁装置的弱电操作电源为 DC 24 V ,包括 调节器操作回路电源 ,可编程控制器电源以及触发脉冲回路电源 。弱电操作电源及调

12、节器供电电 源有两路 :一路引自 DC 220 V 直流控制电源 ,另 一路引自励磁变压器副边 ,经过自用电源 ,变压器 降压隔离后整流而成 ,两路电源经过独占的开关 电源后并列输出 ,任意一路电源消失不影响励磁系统正常运行 。216现场及远方控制系统 励磁系 统 有 远 方 和 现 地 两 套 操 作 及 控 制 系统 。21611装在励磁调节器柜上的现地开关或按钮 增减磁按钮 、通道切换按钮 、整流/ 逆变选择开关 、调节器控制电源开关 、通道跟踪投切触摸按键开关 、系统电压跟踪投切触摸按键开关 、正常/ 零升投切触摸按键开关 、正常/ 零升投切触摸按键 开关 、调差选择触摸按键开关 、恒

13、机断电压/ 恒励磁电流调节选择触摸按键开关 、残压起励投切触 摸按键开关 、PSS 投切触摸按键开关 、强励限制投 切触摸按键开关 、灭磁开关分合闸按键开关等 。21612 励磁系统可接受远方的接点控制 增减磁信号 、自动起励信号 、停机逆变信号 、并网信号 、灭磁开关分合闸信号还可通过串行通 讯网络接受上位机下达的其它控制信号 。冷却风机 : 型号为 D T K310/ 3700550 W脉冲变压器 :耐压水平为 15 kV/ 1 min21212 智能化功率柜每个功率柜内安装有 套智能控制系统 ,该 系统包括主机单元 、通讯接口 、数字 I/ O 单元 、A/ D 单元 、D/ A 单元

14、、传感器 、以 及 相 应 的 输 入 、输出接口等 ,由于引入了智能控制系统 ,取消了常规 表计和指示灯 ,功率柜的操作 、控制状态监视 、信 息传递 、信息显示等均实现了智能化 。213 灭磁系统AC380 V1) 灭 磁 开 关 。灭 磁 开 关 采 用 ABBSAC E 系列 E3 H/ EM S 型直流断路器 。该开关具有自动防跳功能 ;有一个合闸线圈和两个分闸线圈 ;具有电 动储能和手动储能机构的优点 。2) 灭磁方式 。当励磁系统正常停机时 ,调节 器自动逆变灭磁 ,灭磁开关处于合闸状态 ,灭磁电阻不投入 ;当发生事故停机时 ,跳灭磁开关将磁场 能量转移到高能氧化锌非线性电阻灭磁

15、 。3) 灭磁开关智能化功能 。在灭磁柜内安装有 一套智能控制系统 ,智能控制系统的主要硬件与 功率柜相同 ,由于引入了智能化控制系统从而取消了常规表计和指示 。灭磁柜的各种操作控制 、 状态监视 、信息传递 、信息显示等均实现了智能 化 。214起励单元起励单元由起励电源 、起励接触器 、导向二极 管 、限流电阻 (约 10 ) 组成 。起励方式以残压起励为主 ,直流起励为辅 ,起励时间 < 5 s ,辅助起励电流为 20 A 。 起励流程主要有 :a) 起励装置开始起励时先采用残压起励 ,即采用快速脉冲连续地触发可控硅整流器 ,使整流 桥的输入电压达到励磁装置的正常工作电压 。青海电

16、力第 25 卷18217 励磁系统输出的信号励磁系统在现地可以通过调节器柜面板显示 的信号有 : 通道运行指示 、P T 故障 、调节器故障 、 脉冲故障 、电源故障等信号 ,励磁系统还可以将其 它输出信号以无源节点的形式向监控系统输出对应的信号 。该风机为备用 ,主备用风机的选择是自动实现的 。当主用风机出现故障时 , 比如风机断相 、风压过 低 、风温过高等 ,备用风机自动投入 ,同时切除主 风机 。从现场实际所出现的现象可以得知 ,由于 测温故障引起备用风机投入 ,而主用风机并未切除 ,与厂 家 说 明 书 上 不 一 致 , 2 台 风 机 一 直 在 运 行 。励磁系统在实际运行中存

17、在的问题自励磁系统投入运行至今 ,分别出现了不少 问题和隐患 。1) 设计中的功率柜智能均流技术不够完善 , 各柜输出电流受均流技术中电流等分线的控制 , 从实际看 ,等分线作用效果不大 ,尤其在额定励磁 电流以下 (正常运行情况下多数时间均达不到额 定值) 及在较小励磁电流以下 ,由于功率柜之间调整的不稳定而引起均流系数不稳 ,各柜之间的电 流相差较大 ,最大时相差数百安培 ,同时经常打出 功率柜某相断流信息 。经过厂家技术人员的检查 分析认为只有电流 > 1 400 A 以上 ,各柜之间均流 较好 , 均 流 系 数 可 达 到 0196 以 上 ( 国 际 标 准 为0185) 低

18、于这个值时效果较差 ,动态均流技术有待 进一步完善 。2) 出现了 2 F2 # 功率柜 B 相阴极和阳极可控 硅烧毁现象 。原因初步分析后认为是 2 # 功率柜 内电路板损坏退出运行后 ,柜内温度急剧上升而且温度较高 ,事后通过对 1 F2 # 功率柜内电路板退 出后进行相同条件的试验得知 ,风机停止运行 ,但 功率柜正常运行 ,致使柜内温度上升较快 ,在 015 h 内温度由 32 上升至 85 ,其原因是由于电 路板少配了一根控制触发脉冲的线 ,电路板损坏使风机停止运行 ,而可控硅仍在工作 ,加之阻容保 护散热较差 ,造成温度上升 。3) 2005 年 6 月又出现了 2 F1 # 功率

19、柜两个风 机均 在 运 行 , 而 风 温 过 高 ( 实 际 不 高 ) , 1 # 柜 59,电流为 480 A 左右 。经过对 1 # 柜的检查认定是由于测温电阻损坏所致 ,针对 2 F1 # 功率柜测温 电阻所出现的故障进行如下分析 。励磁风机的开停控制是自动进行 ,面板上的 开停按钮仅 在 试 验 时 使 用 , 当 本 柜 电 流 > 100 A 时自动开风机 ,当本柜电流 < 100 A 时经一定的延时自动停风机 ,而且 2 台风机以循环主备用方 式工作 ,即本次开机以该风机若为主 ,则下次开机34结论和措施411 针对上述出现的总结问题及隐患的原因 ,经过认真分析得

20、出如下的结论1) 动态均流技术效果较差 ,技术运用不成熟 需进行改造 。2) 显示面板有不显示的现象发生 ,给故障和 事故判断造成困难 。3) 励磁系统的各柜之间的输出电流不平衡 , 最大时各柜之间的输出电流 200300 A 以上 ,严 重影响励磁元件的工作效果 。4) 现场实际运行经验可知有许多与说明书不 太一致的地方存在 ,比如 :风机的控制与运行测温探头只有一个 ,而说明书上注明有两个等等 ,这就 降低了风机控制的可靠性 。5) 励磁系统与监控系统的通讯存在问题 ,经 常出现现场设备无信号而监控上位机打出励磁系 统许多的故障信息 ,原因主要是通讯规约相互匹配情况不好 , 收发不同时进行

21、 , 当有故障时就全 报 ,造成故障信息误解 ,建议对励磁系统信号回路 进行完善 ,并进行正确定义 。6) 灭磁电阻和灭磁开关的参数与设计不等 。 灭磁开关在事故跳闸后的容量不够 ,从而调整灭磁电阻参数 ,因而存在隐患 。7) 测温电阻工作特性不好 ,不能够真实反映 可控硅的温度 。8) 机组正常运行过程中 ,功率柜内部冷却系 统效果不佳 。9) 励磁系统功率柜可控硅的设备选型与励磁 系统的设计不匹配 。412 采取的措施1) 针对励磁系统动态均流效果差的问题 ,记 录在各种运行工况下 (励磁电流下) 各柜的输出电流 。出现故障信息及时核对当时的总电流和各柜 的输出电流 ,是否有断流信息 ,经

22、建议对功率柜可第 4 期高智贤等 :公伯峡水电站 EXC9000 静态励磁系统组成及运行中存在的问题分析19控硅元件进行了更换 ,现经更换可控硅后励磁均流问题得到了解决 。2) 由 于 智 能 板 少 配 了 一 根 控 制 触 发 脉 冲 的 线 ,加之阻容保护散热较差 ,造成温度上升 ,烧坏 可控硅元件 ,现重新接引了一根控制线 ,使得当智能板退出时 ,触发脉冲阻断 ,可控硅停止运行 。3) 在巡回检查设备时 ,要多注意励磁功率柜 各柜的输出电流 、温度及风机运行状况 ,必要时用红外线测温仪测温 ,尤其要对某些容易出现故障的薄弱环节多加强监视 ,做到心中有数 。4) 当出现故障和异常信号时

23、要及时进行检查 处理 。5) 由于通讯问题 ,对于某些经常出现的故障信息也不能掉以轻心 ,前面的误发信息不管是多 少次 ,但只要一次是真的信息 ,如果检查不到必将 造成事故 ,建议尽快完善 。(上接第 10 页)闪变不仅与电压波动的大小有关 ,而且与波 动频度 、波形 、照明灯具的形式和参数 (电压 、功率 等) 有关 ,此外还和人的视感灵敏性有关 。由于人 的视感有一定的记忆效应 ,对于闪变影响的评定 必须取足够长的时间 ,因此规定了短时间闪变值Pst (10 min 统计) 和长时间闪变值 Pl t ( 2 h 统计)两项指标 ,具体的定义如下 :Pst = ( 010314 P011 +

24、 010525 P1 + 010637 P3 +电压幅值为零 ( 或低于某一极 小 值) 的 持 续 时 间(T) 即可 。根据电压跌落 、电压骤升的特点 , 通 过计算电压幅值偏移 、持续时间和可能相伴出现 的相位跳变 ,最能反映其危害程度 。当计算跌落电压幅值时 ,可以采用整周期监测 ;当检测凹陷起止时刻时 ,为了提高精度 ,应当 采用半周期检测 。对于暂态过电压的测量 ,根据国家新颁布的 电能质量电能质量暂时过电压和瞬态过电压的 要求 ,应当提供短时滤波功能 ,并且测量暂态波形过电压峰值 U max 。因此对于以上所测指标 ,就可以对用户的电 能质量进行准确的衡量 。0128 P10 + 0108 P50 ) 1/ 2(5)式中 : P011 、P1 、P3 、P10 、P50 分别为 10 min 内瞬时闪变视感度 S ( t)