同步發電機勵磁功率柜風機電源回路的設計改進

周 濤，嚴欣婷，廖 容，李兼伐

（廣西水利電力職業技術學院，廣西 南寧 530023）

0 引言

同步發電機多采用自并勵的勵磁方式，在發電機出口端設置一臺勵磁變壓器，將發電機出口三相交流電降壓后再經晶閘管整流[1]，轉換成可調的直流電，再輸送至發電機轉子勵磁線圈，從而形成發電機能量轉換所需的可調節磁場。

同步發電機容量越大，發電機額定勵磁電流也會越大，發電機勵磁電流經過可控整流的晶閘管時，晶閘管產生的熱量也越大。為了給晶閘管散熱，晶閘管的P 極和N 極一般均安裝一塊散熱專用的鋁型材，兩塊鋁型材通過帶絕緣材料的螺栓固定連接在一起并形成兩極的接線柱，如圖1 為1000 A 晶閘管及其散熱器總裝圖。

圖1 晶閘管及散熱器

對于小型發電機，額定勵磁電流不是很大，只要選擇合適的散熱器，采用自然通風冷卻的方式，即可滿足晶閘管的散熱要求；對于單機容量在630 kW 以上的發電機，其勵磁電流會達到100 A 以上，采用自然通風冷卻的方式則難以滿足要求，因此，往往采用勵磁柜頂安裝冷卻風機往上送風的方式進行冷卻，工作時，冷風自柜體下部進風口進入，經散熱器后被柜頂風機加速往上送出，實現強迫風冷[2]。

發電機勵磁冷卻風機一般采用三相交流異步電動機驅動，其電源可取自機組自用電源或廠用交流電源。為確保風機電源的可靠性，往往采用一主一備，2個電源的方案，在主電源失電時，備用電源自動投入，以保證風機的可靠供電。但即使采用雙電源供電，如果風機電源自動切換回路設計不合理，仍可能存在安全隱患，甚至發生設備損壞的嚴重后果。

1 勵磁功率柜故障損壞事故

某鋼鐵公司熱電廠安裝單機容量12.5MW 的發電機組，勵磁系統由勵磁調節柜和功率柜組成。勵磁功率柜中主要安裝三相共6 個晶閘管組成的橋式整流電路并采用柜頂風機風冷的方式。風機控制電氣主回路見圖2，主電源取自熱電廠廠用變壓器，備用電源取自鋼鐵公司高爐車間配電變壓器。兩電源均經過斷路器QF、接觸器1KM 送至風機控制電路。風機電源回路采用簡約化設計，只要主電源失電，1KM 線圈斷電，則1KM 常開主觸點斷開，備用電源經過2QF、1KM 常閉主觸點，自動向風機控制回路供電。當主電源恢復供電時，1KM 線圈通電，常開主觸點閉合，常閉主觸點斷開，自動將風機電源切回至主電源運行。兩電源通過接觸器1KM 實現互鎖，從而防止主電源與備用電源同時接通而出現短路事故。勵磁系統通過控制接觸器2KM，實現對冷卻風機啟?？刂?，同時2KM 的輔助觸點向勵磁系統發出風機運行/停止信號。2KM 常開輔助觸點閉合時，為風機運行狀態，反之為風機停止狀態。

圖2 風機控制電氣主回路

某雷雨日，熱電廠廠用變壓器發生連續遭受數次雷擊，中控室監控系統報勵磁功率柜風機停止信號；信號復歸后，繼續運行。雷擊結束后一段時間，監控系統報勵磁功率柜風機停止信號和主回路快速熔斷器熔斷事故信號（快速熔斷器安裝在勵磁變至晶閘管主回路中，ABC 三相，每相一個，每一個熔斷器均配有熔斷報警輔助觸點），觸發機組事故停機。

事故停機后，運行維護人員對勵磁功率柜進行檢查，發現3 個快速熔斷器中有2 個熔斷器熔斷，風機主電源和備用電源均正常有電，但風機主電源開關1QF 和備用電源開關2QF 全部跳閘。更換新的快速熔斷器后，投入風機主電源和備用電源開關，風機均能正常運行。在停機狀態下，采用電阻負載代替發電機轉子勵磁線圈進行靜態小電流試驗[3]，發現晶閘管整流橋輸出電流不均衡，進一步檢查發現整流橋中+B相晶閘管元件損壞。

2 勵磁功率柜風機電源故障原因分析

根據圖2 的風機控制電氣回路，在熱電廠廠用變壓器遭受雷擊，保護動作跳開廠用變高壓側斷路器后，勵磁風機主電源消失，備用電源應自動投入運行，但在本次事故中卻出現風機主電源開關1QF 和備用電源開關2QF 同時跳閘導致冷卻風機停電，功率柜無冷卻運行，晶閘管得不到有效冷卻，柜內溫度升高致使晶閘管損壞短路，引起快速熔斷器熔斷，切斷勵磁主回路并觸發機組事故停機。

根據當時的運行記錄，在發生上述事故期間，風機備用電源沒有出現任何異?，F象，使用該備用電源的設備也沒有出現任何故障，說明風機主電源故障期間，風機備用電源是正常的。為了查找風機2 個電源開關同時跳閘的原因，在現場開展了試驗。首先確認主電源和備用電源正常情況下，合上1QF 和2QF，1KM 線圈得電動作，接通主電源至風機電路，同時切斷備用電源至風機的電路；接著給上勵磁系統交直流控制及操作電源，手動操作“風機起動”按鈕，2KM 線圈得電動作，將1KM 主觸頭之后至電動機的電路接通，風機起動運轉；人工快速操作1QF 分合，模擬雷擊時風機主電源快速通斷的故障工況。試驗結果表明，1QF 通斷切換時間較長時，風機主備電源切換及風機工作均正常無異，但在快速分合1QF 時，1KM 主觸頭間火花明顯，連續幾次快速分合1QF 后，1QF 和2QF 全部跳閘。

根據圖2 和上述試驗情況分析，在風機主備電源切換時，如果主電源消失和恢復間隔時間較長，則風機電源或成功切換，但如果主電源消失和恢復時間很短時，切換接觸器快速動作過程中，觸頭間電弧未熄滅前，接觸器的常開觸頭和常閉觸頭因電弧而呈現為連通狀態，導致主電源和備用電源相間短路，引起電源開關過流而跳閘。本事故的原因應該是廠用變壓器在遭受雷擊時出現瞬間停電而又迅速恢復供電而導致的。

3 勵磁功率柜風機電源設計改造方案

上述事故的發生，根本原因在于風機主備電源切換電路設計過于簡單，沒有充分考慮主電源瞬間斷電又恢復供電時，1KM 觸頭間的電弧會導致主備電源短路的異常情況。為此，提出以下兩種設計改造方案。

3.1 無主備式風機電源設計改造方案

圖3 為無主備式風機電源設計改造方案，兩路電源均通過各自的電源開關QF 和接觸器KM 向風機控制回路供電。兩路電源不再區分主電源和備用電源，均作為工作電源來使用。如在風機電源上電時，先合上1QF，再合上2QF，此時1KM 先動作，接通電源1向風機的供電電路，同時1KM 的常閉觸點閉鎖了2KM 線圈電路，2KM 不會動作，此時電源1 為風機工作電源。工作過程中，如出現電源1 停電，則1KM 線圈斷電復歸，在電源2 正常情況下，2KM 動作，接通電源2 向風機的供電回路，電源2 切換為風機工作電源，在此之后，如果電源1 恢復正常，風機工作電源也不會自動切換，除非電源2 停電，才會自動切換回已恢復正常的電源1 供電。

圖3 無主備式風機電源方案

在本方案中，采用了2 個帶有滅弧裝置接觸器的主觸頭來控制2 個電源的通斷，同時2 個接觸器控制回路采用對方輔助觸點設計了互鎖功能，任一個接觸器動作的前提是另一個接觸器處于線圈斷電、常開主觸頭已斷開、常閉輔助觸點已閉合狀態，因此可從電氣上閉鎖了2 個KM 同時動作，避免出現2 個電源短路的情況，同時，在電源切換過程中，也是常開主觸頭先斷開，之后常閉輔助觸點接通，才能完成電源切換。本方案電源切換的時間比圖2 的設計方案明顯多出一個接觸器動作時間，增加的這個切換時間對晶閘管冷卻影響不大，但卻對加強接觸器主觸頭滅弧、避免兩電源短路發揮明顯作用。為更可靠地實現兩接觸器的互鎖，可選用帶機械互鎖功能的2 個接觸器作為電源切換接觸器，從而實現電氣、機械雙互鎖。

3.2 主備式風機電源設計改造方案

無主備式風機電源設計改造方案適用于2 個電源都是同等可靠，都適合作為主電源的情形，但從本案例來看，備用電源取自鋼鐵公司高爐車間配電變壓器，其電能計量納入高爐車間，其僅適用于主電源因故障消失時的臨時備用電源，因此，采用圖3 的方案改造，在主電源恢復供電后，還需要運行人員到現場操作將電源切換回主電源工作，因而也帶來運行操作上的不便，為此，可采用圖4 的主備式風機電源設計改造方案。

圖4 主備式風機電源方案

本方案明確區分主電源和備用電源，各自經過電源開關QF、控制接觸器KM 常開觸頭和對方接觸器KM 常閉觸頭后接至風機控制電路。2 個電源控制的區別在于接觸器線圈電路，主電源控制的1KM 線圈直接接在1QF 后的AC 相上，備用電源控制的2KM線圈則串接了1KM 的常閉輔助觸點。在此方案中，只要主電源恢復正常，1KM 動作，先切斷2KM 線圈電路，讓2KM 復歸，2KM 常開觸頭斷開，切斷備用電源至風機的供電電路；當2KM 復歸至常閉觸頭接通時，與1KM 動作接通的主觸頭一起接通主電源至風機的供電電路，實現了在主電源正常情況下，由主電源供電；當主電源故障，備用電源正常時，由備用電源供電的主備式風機電源供電方案。相比圖2 原設計方案，主備電源的切換動作時間多了一個接觸器動作時間，電源供電回路多串了一對接觸器觸頭，均有利于電源切換過程中觸頭處的滅弧工作，有效避免上述事故的發生。

3.3 ATS 雙電源自動切換開關方案

無主備式和主備式風機電源設計改造方案是在現在基礎上，針對原設計方案存在問題提出的改造方案，為更好地實現風機供電的雙電源自動切換，可選用市場上技術成熟、質量可靠，采用電磁驅動，具備機械和電氣互鎖功能，在郵電通訊、煤礦船舶、醫療衛生、高層樓宇等雙電源供電場合廣泛應用的ATS 雙電源自動切換開關[4]。由于ATS 開關的尺寸及安裝空間均大于前述方案接觸器的方案，建議將電源開關1QF、2QF 及ATS 開關移至勵磁功率柜外另行安裝，僅將電源切換后的線路接至風機控制電路即可。

4 結語

同步發電機勵磁功率柜風機電源供電的可靠性直接影響到勵磁系統的正常工作，關系到勵磁整流晶閘管的安全，甚至是發電機的安全，因此需要引起重視。結合某熱電廠勵磁功率柜風機電源設計存在問題引起晶閘管損壞的事故，深入分析事故原因，提出了3 個有效的設計改造方案，其中主備式風機電源設計改造方案僅需要增加一個接觸器并對電路接線進行一定改造，投入少，改造時間短，可快速完成施工并能有效解決原設計方案存在的安全隱患。此外，為更好地完善風機電源回路的監控，建議電源開關QF 配上輔助觸點，并將QF 輔助觸點、各接觸器輔助觸點接入監控系統，以便實時監控風機電源供電電路的工作情況，及時發現供電電源存在的問題。