(三峡水力发电厂湖北宜昌443133)
摘要：某电厂机组分两批次安装，后一批次的励磁系统在前一批次的基础上进行了改进，将正常运行时的整流柜与电气制动整流柜合二为一（即去掉了专用的制动整流柜），本文对此改造之后出现的电气制动失败的原因进行了分析，并通过设计试验加以验证，确定了电气制动启励失败的根本原因是可控硅电流小于其擎住电流，导致续流失败。对多个解决方案成本与可行性分析后，采用减少电气制动时投运的整流柜数目的方法解决了这个问题。
关键词：发电机组励磁可控硅电气制动
引言
近年来随着水轮发电机组容量和相关设备自动化程度的快速提高，对水轮发电机的停机速度也提出了要求，目前很多的大型水轮发电机励磁控制器都已经配备了电气制动功能。当发电机组的转速很高时，由于风阻的作用，发电机的转速将迅速下降，而当发电机的转速下降到50%以下时，风阻大大下降，而由于发电机的转速依然较快，若在此时投入机械制动将导致机械制动部分磨损严重，同时造成粉尘污染，而在这个转速下，电气制动的优势就凸现出来。发电机与电网解列并灭磁后，当发电机转速下降到50%左右时，在发电机出口合上三相短路开关使发电机出口三相短路，并在发电机转子投入励磁，利用发电机定子短路损耗，将储存在发电机转子中的动能消耗掉，就可以使发电机转子转速的迅速下降。而此时，为转子回路提供励磁电流的任务仍由机组励磁系统来承担。
某电厂安装有若干台额定容量为700MW的水轮发电机组，分两批次安装，机组均采用微机控制的静止可控硅自并励励磁系统。前一批次的机组励磁系统共设置了6个整流功率柜，六个整流功率柜配置相同，在正常运行时使用5个整流功率柜为发电机转子提供励磁电流，在电气制动时使用一个独立的制动整流柜。在后一批次机组励磁系统的设计中，从节约成本的角度出发，去掉了专用的电气制动整流柜，在电气制动时仍然使用机组正常运行时的整流功率柜，电气一次接线如图1所示。
图1该电厂后一批次机组励磁系统制动励磁电源接入示意图
与前一批次机组相比，后一批次机组励磁系统在设计上减少了一个整流功率柜，其经济性毋庸置疑。后一批次机组即采用正常运行时整流柜与电气制动整流柜合并的方式。但在后一批次机组在调试及运行过程中出现了电气制动时启励失败的情况。主要现象为：励磁系统进入电气制动流程，所有电气一次设备动作正常，但整流回路输出电压和电流为0，最终报电气制动超时信号，电气制动流程退出。电气制动成功与失败分别如图2和图3所示。为便于对比，对电气制动成功和失败过程，相关电气量均录制11分钟。
图2电气制动成功时的机组停机过程图3电气制动失败时的机组停机过程
1后一批次机组电气制动失败原因分析
从电气一次设备中逐步排查，如图1所示，按电气制动流程合上断路器S105之后，制动变压器带电投入运行，断路器S104合闸后，整流功率柜电源接通，只要励磁调节器送至整流柜的脉冲信号正常，三相全控桥就应该有直流输出。排除电气一次设备接线方面的问题及确认S104、S105两个断路器正常可靠动作之后，将注意力集中到了整流柜内三相全控桥的核心部件——晶闸管上，分析了晶闸管的一个重要特——掣住电流IL。
IL是指晶闸管刚从断态转入通态，并移去触发信号后，能维持通态所需的最小电流。掣住电流IL的数值与工作条件有关，通常IL约为IH的2-4倍。这里，IH是维持电流，指可控硅导通后，由较大的通态电流降至刚能保持元件通态所必须的最小通态电流。当电流小于IH时，可控硅即从通态转化为关断状态。由此可见，在晶闸管由断态转入通态初期，需要维持晶闸管通态的电流要比正常工作时所需的最小电流小。这要从晶闸管的结构方面是寻找原因：晶闸管导通首先发生在门极附近的一维局部导通。然后由局部导通区横向扩展到整个阴极面全面导通。因此，擎柱电流不仅要维持两个晶闸管的正反馈作用，还要为导通区的横向扩展提供足够的载流子。而维持电流IH是均匀分布在晶闸管整个阴极截面上的电流，它的作用仅仅是维持两个晶体管正反馈所需的最小电流。所以维持电流小于擎柱电流。
在对晶闸管以上两个参数进行研究后，以下对电气制动过程中励磁投初励的情况进行分析。电气制动变压器二次侧线电压为230V，因此电气制动时加在转子回路上的最大电压是230×约为325V。后一批次机组电气一次设备由三个厂商提供，但转子主要参数接近，转子电阻约0.1Ω，转子电感约1H，如此大的转子，其时间常数对电流变化有很大的阻碍作用。后一批次机组励磁系统触发脉冲宽度约为10°（对应时间约为0.56ms），按照最大的325V作为直流恒压电源进行零状态响应计算的方式，整流桥的输出电流iL如下：
（1）
由式（1）可计算出0.56ms时325V的电压作用在转子上的电流约为0.21A左右。而电气制动时若转子电流由5个整流柜来提供的话，每个整流柜平均输出电流仅为0.04A左右。后一批次所采用的EUPEC晶闸管T1451的擎住电流值在常温时为0.1~0.5A，工作温度高于100℃时约为0.05~0.3A。由此可以看出，即使以最大电压恒压值来计算，在脉冲消失时，晶闸输出电流仍无法达到擎住电流值。
由此可推断出电气制动时整流桥无输出电流的可能原因如下：
后一批次电站电气制动采用并联的5台整流功率柜为转子提供直流电源。整流功率柜内的晶闸管擎柱电流比较大且有一定的分散性。由于整流功率柜太多，使得每个可控硅流过的电流太小，而后一批次电站机组励磁系统整流柜触发脉冲宽度约为10°（对应时间约为0.56ms），以及转子大电感对电流上升的阻碍作用，使得整流回路中电流还没达到晶闸管所需要的擎柱电流值时脉冲就消失了，导致晶闸管关断，续流失败。但在实际运行过程中，电气制动成功率虽然达不到100%，但也不是每次都不成功，其原因在于，后一批次机组励磁系统采用的整流柜，其单柜的最大输出电流接近1800A，正常运行时其输出电流约为700A左右，当低电流运行时，并联的5个整流桥均流效果会变得比较差，个别整流柜电流很大，达到擎住电流的情况使续流成功，而转子电流迅速增大后，全部五个整流柜也均可实现续流成功。
2试验验证
针对上述推断，需要用实际试验进行验证，设计了两个试验方案，分别如下：
①机组机械部分做好防止旋转的措施，为转子并联续流电阻，模拟电气制动过程中励磁系统运行全过程。试验接线如图4所示，在直流灭磁开关S101与转子回路之间串联一个小阻值大容量的续流电阻，软件及二次接线不做任何改动。
图4为转子并联续流电阻之后的电气制动试验接线
为转子并联一个续流电阻之后，整流柜实际输出电流等于转子电流与续流电阻电流之和。转子是一个大电感，其对电流变化的阻碍作用非常明显，但并联续流电阻的电流上升速度非常快，这使得整流桥的输出电流可以迅速上升。
实际试验中，采用的并联续流电阻阻值为100Ω，以230V输出电压计算，可使整流桥总输出电流迅速达到2.3A，平均到每个整流桥约为0.5A，大于晶闸管的擎住电流值。以该方式模拟电气制动试验进行了数次，整个电气制动过程中励磁系统投入运行正常，转子电流正常。
②机组机械部分做好防止旋转的措施，减少2个整流柜，即在电气制动中仅采用3个整流柜工作，模拟电气制动过程中励磁系统运行全过程。如图5所示，电气一次回路不做更改，仅切断4#、5#整流功率柜的脉冲输入回路，并屏蔽相关报警信号。
图5去掉2个整流柜的脉冲示意图
此试验的目的在于将原来均分到5个整流柜的电流现仅均分到3个整流柜，相当每个整流柜的输出电流增大了。
此试验亦进行了数次，整个电气制动过程中励磁系统投入运行正常，转子电流正常。
3解决方案
通过以上两个试验，基本上可以把原因定在整流桥在小电流工况下，晶闸管由断态到通态转换失败上。解决此问题的方法，理论上有三个可供选择：增加晶闸管脉冲宽度；并联转子续流电阻；减少电气制动时功率柜数量。
现对以上三个方案进行分析：
①增加晶闸管脉冲宽度。调节脉冲宽度需要修改励磁调节器核心程序，这需要厂家支持，且核心程序修改之后需要进行励磁系统全套试验对新程序进行校核，整个技术改造实施周期长、波及面广、成本很高。另外，由于电气制动时晶闸管输出较小，因此晶闸管触发角α很大，增加脉冲宽度后，脉冲相当一部分已过了90°，需要导通的晶闸管已开始承受反向电压而截至。再者，脉冲宽度是不得大于120°的，否则，会出现4个晶闸管同时导通的现象，这必将引起相间或极间短路。实际工程上考虑到安全余量，一般要求脉冲宽度不得大于100°。因此，此方案实施成本较高且可靠性有待讨论。
②并联续流电阻。此方法简单易行，按照之前的试验方案，在S101之后与转子之间并联一个小阻值、大容量的电阻即可，停机时，此电阻通过断路器接入两极。但此方法的弊端也显而易见：每次停机过程中都需要在并联电阻上额外消耗大量的电能，这一部分电能消耗是没有任何意义的。该电厂每年正常停机大概1500次左右，每次停机都在续流电阻上消耗大量的电能是很不经济的，较低的厂用电率是一个电厂经济安全运行的重要指标。另外，并联续流电阻需要增加新的硬件，这必然要求新的投入，且增加了后期维护量。因此，此方案执行起来虽简单易行，但需要额外投入且运行成本较高。
③减少电气制动时投运的功率柜数量。之前的试验证明，此方案可行且不会增加额外的投资，也不增加运行成本，且可靠性高。
综上所述，考虑到技术改造的可行性及成本问题，最终采用了减少电气制动时投运功率柜数量的方案，即方案③。在后一批次励磁系统电气制动流程（投制动时退2柜）改进方案实施后，发现后一批次大多数机组电气制动能成功投入。但有2台机组按退两柜技改方案实施后，还是出现过数次电气制动失败的情况。为彻底解决后一批次机组电气制动异常的问题，考虑到单个整流柜即可满足电气制动励磁的要求，因此采用再退一个整流柜，即电气制动时只采用两个整流柜工作的方案。
4结语
提出该技术改造方案之后，一年之内完在后一批次机组上实施完成。此后，后一批次电站机组电气制动系统运行情况良好，再未出现过因整流功率柜因达不到晶闸管的擎柱电流而导致的转子无流情况。实际运行情况证明，该技术改造有效、可靠。