张彬 刘晨 靳阿妮

摘  要：南方某电厂基建使用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

中图分类号：TM621.6       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）20-0093-02

Abstract： The ABB UNITROL 5000 static self-shunt excitation system is used in the capital construction of a power plant in southern China. Due to the aging of the equipment itself and the need to increase the capacity of the unit， retrofit was conducted to the whole group of excitation system. In this paper， the whole transformation process is described in detail， and the actual problems encountered in the transformation are analyzed and summarized to form a set of feasible domestic transformation scheme of excitation system， which can be used as a reference for the transformation of the same type of equipment in the future.

Keywords： static self-shunt excitation; excitation system; retrofit

1 改造设备概况

改造机组采用上海汽轮机厂QFSN-630-2型发电机组，额定容量600MW，机端额定电压为20kV，2019年机组增容后额定容量升高至630MW，机端额定电压不变。励磁设备为瑞士ABB原装进口的静态自并励UN 5000系统，设备型号Q5S-0/U251-S6000。

励磁系统位于发电机6.4米层，单独设置励磁小间，励磁变压器及发电机位于励磁小间上方13.7米层。励磁系统交流进线及直流出线铜排按照上进线方式布置，中间设封闭母线，经软连接与励磁系统相连;励磁系统所有二次电缆集中在励磁调节柜、采取下进线方式。

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。屏柜拆除前，盘点核查改造系统二次回路电缆，详细记录励磁系统与DCS系统、PMU系统、AVC系统、同期装置、发变组、故障录波器等系统的接线清册。接线清册应包括励磁设备侧及对侧设备接线端子位置、接线线号、接线用途等全部信息。（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，在不改变DCS侧接线的前提下，提前修编新旧设备通道接线对照表，励磁侧按对照表线套管对应接线。DCS侧仅需对原通道按照接线对照表重新命名，更换DCS侧接线线号，并按新KKS编码对画面进行修编即可。

2.2 励磁系统一次系统改造

（1）励磁变二次同步电压相序直接决定励磁系统能否

正常工作，实际相序如果与调节器相序设置不一致，励磁系统升压过程励磁电流不受控制。要求设备拆除前，提前记录交流进线母排相序，新系统按照原励磁变二次相序进行设备安装。（2）现场设备拆除时，仅保留交直流铜排软连接，软连接以下部分全部拆除。（3）新设备屏柜较改造设备少1面，需要根据新设备屏柜宽度，在原设备基础上焊接新横担，保证新设备屏柜安装牢固可靠。（4）原设备屏柜高1.8米，新设备屏柜高2.2米，新设备屏柜安装前，需要将原交、直流母线封闭外箱进行切割，切割后使封母外箱下沿高度高于新屏柜。切除的封母外箱部分保留，待新設备安装到位后焊接回原封母外箱断口（氩弧焊，焊渣少，便于保护新设备屏柜）。（5）所有新设备屏柜安装固定完成，柜内交直流铜排安装到位后，由设备厂家对柜内铜排与软连接进行测量，加工接口铜排（铜排间、铜排与柜体间距大于4公分）。

2.3 其他现场非标项目

2.3.1 灭磁开关控制回路双重化改造

励磁系统改造后灭磁开关采用GE公司的GErapid6007型开关。该开关为单断口，自带一路合闸控制回路及两路跳闸控制回路，外接两路110V直流电源，合闸驱动电源及控制电源各一路。另外，断路器内部配置一块电压转换器，将一路直流110V电源转换为24V电源，分别提供给合闸控制板（SU）、分闸控制板（ST）和ED快速脱扣装置（NEKO控制装置），三块板卡，任意一块失电，均会影响整个开关分合闸功能的完整性。

灭磁开关第1路操作电源失电后，无论第2路操作电源带电与否，第2跳闸回路均无法跳闸，开关双跳闸线圈没有实现完全冗余配置，不满足规程要求。

现场解决方案：第2跳闸板卡单独设置24V供电模块，接线方式如图1所示。

24V外置电源采用菲尼克斯QUINT-PS/1AC/24DC/10（10A）大功率电源，增加24V外置电源监视，电源损坏后发告警至DCS系统。

改造后经过实际操作验证，该方案可以实现开关双跳闸线圈冗余配置要求，具体为：

（1）第1路且第2路操作电在，合闸回路正常，正常合闸。（2）只要第1路操作电在、第1路跳圈正常，第1跳圈跳闸。（3）只要第2路操作电在、第2路跳圈正常，第2跳圈跳闸。

2.3.2 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，南瑞继保PCS-9400励磁系统在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。

改造结束后，南瑞继保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

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，PCS-9400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。PCS-9400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

增容机组励磁系统改造结束后，各分系统启动正常，假负载试验正常，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。

参考文献：

[1]南京南瑞继保电气有限公司.PCS-9400励磁系统说明书[Z].

[2]ABB UNITROL 5000励磁器用户手册[Z].

[3]UNITROL 5000励磁调节器参数说明[Z].