隔河岩电厂Unitrol 6800励磁电制动异常分析与处理
湖北清江水电开发有限责任公司的研究人员吴凡、朱李能，在2018年第9期《电气技术》杂志上撰文指出，隔河岩电厂励磁设备采用ABB的Unitrol 6800系统，投运时为配合停机不跳开磁场断路器的优化设计，在起励变压器的进线侧增加了起励电源接触器，用于防止电制动结束时分电制动开关出现转子过电压。
本文根据工程实践，详细分析研究电制动过程的各个环节，根据硬件设计优化计算机监控系统LCU控制流程，调整励磁调节器PLC时间参数，较好解决了电制动过程中因转子过电压引起的励磁跨接器动作，有效避免了励磁跳闸故障，可为采用同类型励磁系统的水电机组电制动设计提供工程参考。
湖北清江隔河岩水力发电厂（以下简称隔河岩电厂）位于湖北省长阳土家族自治县境内，总装机1212MW，设计年发电量30.4亿kW·h，是华中电网骨干调峰调频电厂。隔河岩水利枢纽的控制流域面积为14430km2，多年平均降水量为1380mm，多年平均流量为383m3/s，多年平均径流量为120.76亿m3。
隔河岩大坝为混凝土重力拱坝，坝顶高程为206m，坝长为653.5m，正常蓄水位为200m，总库容为30.18亿m3，属年调节水库。隔河岩电厂1993年6月首台机组投产发电，1994年11月4台机组全部投产发电[1]。
隔河岩电厂原励磁装置为SILCO5型微机励磁调节系统，由加拿大GE公司生产，自1993年投入运行。根据设备实际运行状态，电厂于2011年底启动励磁装置改造项目，分别于2011年11月完成2号机改造，2012年10月完成1号机改造，2012年11月完成3号机改造，2013年11月完成4号机改造，新励磁装置采用ABB的Unitrol 6800系统，为双通道冗余设计，配备AC 800PEC 64位浮点处理器和法国雷诺CEX06双极4断口磁场断路器[2]。新系统投运之初遇到了电制动过程中转子过电压，励磁跨接器动作，励磁跳闸的异常现象[3]。
1 系统结构
1.1 系统设计
隔河岩电厂原SILCO5励磁系统在停机电制动结束后，系统分电制动开关Q08的同时跳开磁场断路器Q02，Q02常闭触头将非线性灭磁电阻R02接入转子回路实现灭磁[4]。截至系统改造，隔河岩电厂励磁装置灭磁柜内的磁场断路器平均动作达6500次之多，期间的磁场断路器故障时有发生[5]。鉴于此，新Unitrol 6800励磁系统通过优化设计，保持磁场断路器Q02在停机时为闭合状态，有效减少了设备的动作环节，提高了系统可靠性[6]。
然而Unitrol 6800系统在退电制动分电制动开关Q08的时候，因未设计物理回路将非线性灭磁电阻R02接入转子回路灭磁，使得发电机转子开路，引起转子过电压[7]，导致跨接器转折二极管BOD导通，跨接器动作，系统出现励磁跳闸报警，磁场断路器Q02故障跳闸[8]。为解决该问题，系统在起励变压器的进线侧增设起励电源接触器Q09[9]，系统原理如图1所示。
图1 励磁系统原理图
在机组停机过程中，在转速下降至60%投入电制动、等待机组转速降为0后，计算机监控系统现地控制单元LCU流程先断开Q09切断电制动电源，此时转子通过电制动整流柜以及制动变压器副边形成灭磁回路，LCU流程延时等待灭磁过程完成后再退电制动分电制动开关Q08，完成电制动过程[10]。
根据系统试验时的录波曲线，由图2的转子电压曲线可知转子电压降为0耗时0.1s，由图3的转子电流曲线可知经过25s转子电流降至10%以下，基本完成灭磁过程，所以电制动结束机组转速降为0后转子的灭磁过程需要25s左右，据此，励磁系统改造时将起励电源接触器Q09分到退电制动的LCU流程延时设置为30s，1、2、3号机运行正常，停机投电制动正常。
图2 灭磁过程转子电压变化曲线放大
图3 灭磁过程曲线
1.2 故障现象
因4台机组电制动停机所需时长各异，尤其是4号机组停机过程中的转速下降偏慢，多次导致监控系统LCU流程与励磁系统PLC程序配合异常，4号机组停机电制动结束时转子过电压引起励磁跨接器动作的现象偶有发生，电制动过程对比见表1的简报信息，左侧为电制动异常时的关键过程报文，右侧为电制动正常时的关键过程报文，其中电制动运行代表电制动开关Q08合，异常过程与正常过程的主要区别在于Q08，Q09的动作时点以及电制动异常时多出的励磁跳闸信息。
2 处理过程
2.1 程序解读
根据监控系统LCU流程Unity Pro XL代码，LCU流程在机组转速＜60%后，开出命令合机端短路开关Z041，在收到Z041合信号后开出命令投电制动，待机组转速降为0后，分起励电源接触器Q09，然后延时30s开出命令退电制动。
表1 电制动异常和正常情况下监控系统报文数据
1128:KON_2(IN1:=DI[82] AND AI[11]<60.0, T1:= T#135S); (*限时135s，判转速是否＜60%*)
IF KON_2.Q1 THEN (*转速未正常降至60%以下*)
FAIL:=1; (*流程退出*)
END_IF;
IF KON_2.Q2 THEN (*转速正常降至60%以下*)
SEQ_INFO[1].CSTEP:=1129;
END_IF;
1129: KON_2(IN1:=0,T1:=T#1S); (*延时1s*)
IF KON_2.Q1 THEN
OUT[23]:=2000; (*合Z041机端短路刀闸*)
SEQ_INFO[1].CSTEP:=1150;
END_IF;
1150:KON_2(IN1:=(DI[17]=1 AND DI[18]=0), T1:= T#12S); (*限时12s，判Z041机端短路开关合*)
IF KON_2.Q1 THEN
SEQ_INFO[1].CSTEP:=1200; (*合Z041失败，投机械制动*)
END_IF;
IF KON_2.Q2 THEN
SEQ_INFO[1].CSTEP:=1165; (*合Z041成功，投电制动*)
END_IF;
1165:OUT[6]:=2000; (*投电制动*)
SEQ_INFO[1].CSTEP:=1185;
1185:KON_2(IN1:=DI[81](AND AI[11]<15.0, T1:=T# 270S); (*限时270s，判转速是否＜15%*)
IF KON_2.Q2 THEN
SEQ_INFO[1].CSTEP:=1190; (*转速是否＜15%*)
END_IF;
1190:KON_2(IN1:=DI[79],T1:=T#100S); (*限时100s，判转速是否=0%*)
IF KON_2.Q2 THEN
SEQ_INFO[1].CSTEP:=1272; (*转速= 0%，电制动成功*)
END_IF;
1272:OUT[114]:=0; (*分起励电源接触器Q09*)
SEQ_INFO[1].CSTEP:=1273;
1273:KON_2(IN1:=(DI[51]=0),T1:=T#3S); (*限时3s判起励电源接触器Q09分*)
IF KON_2.Q2 THEN (*起励电源接触器Q09分成功*)
SEQ_INFO[1].CSTEP:=1275;
END_IF;
1275:KON_2(IN1:=0,T1:=T#30S); (*延时30s，退电制动*)
IF KON_2.Q1 THEN
SEQ_INFO[1].CSTEP:=1280;
END_IF;
1280:OUT[97]:=2000; (*退电制动*)
SEQ_INFO[1].CSTEP:=1290;
1290:KON_2(IN1:=0,T1:=T#120S); (*延时120s*)
IF KON_2.Q1 THEN
SEQ_INFO[1].CSTEP:=1295;
END_IF;
1295:OUT[112]:=2000; (*分机端短路刀闸Z041*)
MO:=0; (*置机组流程为静态监视*)
根据励磁系统Unitrol 6800调节器程序代码，励磁系统的电制动运行时间限制为300s，即励磁系统接到监控系统投电制动开出命令后，判断机端短路开关Z041是否为合，然后合电制动开关Q08，进入电制动过程，若在300s内未接到监控系统退电制动的开出命令，则励磁系统自行分电制动开关Q08，结束电制动过程。
PS_EleBraTimeSet(In := PS_vEleBraTimeStart, (*合Q08，电制动开始*)
PT:=PS_vEleBraTime, [300s] (*延时300s*)
Q=>PS_vEleBraTimeEnd); (*分Q08，电制动结束*)
2.2 流程分析
由前述的程序代码可知，4号机组电制动是否正常的关键因素在于分电制动开关Q08的时间点，结合监控系统LCU程序和励磁调节器程序，绘制电制动流程如图4所示。根据流程图，分电制动开关Q08的操作可由两处来源触发，其一是监控系统LCU流程判断机组转速为0分Q09后延时30s退电制动，其二是励磁系统判断电制动运行时间达到300s的限值后自行跳开。
图4 监控系统及励磁系统电制动流程图
在机组停机过程中，从机组转速下降至60%电制动开始到机组转速降至0的过程耗时直接影响着LCU流程对分起励电源接触器Q09和投电制动的控制输出，根据表1电制动异常时的监控系统报文，4号机组此次从电制动运行到机组转速降为0用时285s，到起励电源接触器Q09分共用时288s，经过延时30s退电制动总耗时达到318s，超过了励磁系统对电制动运行时间最长为300s的限制，所以励磁系统在监控系统开出退电制动命令前，自行跳开电制动开关Q08，导致起励电源接触器Q09分到电制动开关Q08分的间隔时间只有12s，远小于转子回路灭磁过程完成[11]所需时长30s，出现了转子过电压、跨接器动作、励磁跳闸。
若4号机组停机不投电制动而改投机械制动，分析机械制动停机过程数据，转速从100%自由下降至10%一般耗时为755s，机械制动介入强制转速从10%下降至0一般耗时为80s，即整个机械停机过程转速从100%下降至0用时为835s。对比4号机组电制动正常和异常时的导叶位置、机组转速、定子电流录波曲线，正常过程如图5所示，根据转速变化曲线，机组转速从100%下降至0的整个过程用时为350s，异常过程如图6所示，机组转速从100%下降至0的整个过程用时为365s，比正常过程多出了15s。
根据图5、图6中的定子电流曲线，两次电制动过程定子电流均为10000A左右，提供的电磁制动力矩基本相同，且4号机组停机投电制动的电磁制动力使得停机时间由投机械制动的835s减少至360s左右，电制动作用明显，所以转速降为0所耗时间的不同取决于导叶漏水量、发电水头等多种因素，人为无法直接干预。
图5 电制动正常过程曲线
图6 电制动异常过程曲线
2.3 处理方法
鉴于电制动开始运行到机组转速降至0的过程所需时间有一定的波动空间，所以考虑修改励磁调节器程序，延长励磁系统对电制动运行时间最长为300s的限制。根据现场试验验证，将该限定时间变量PS_vEleBraTime由300s修改为360s。
如表1电制动正常时的监控系统简报信息，4号机组此次从电制动运行到机组转速降为0用时273s，到起励电源接触器Q09分共用时278s，经过延时30s退励磁系统电制动总耗时308s，小于修改后的励磁系统对电制动运行时间最长为360s的限制，监控系统在308s分起励电源接触器Q09后延时30s开出退励磁系统电制动控制命令，此时转子灭磁过程已经完成，电制动开关Q08跳开，避免了转子过电压。
修改前后的时间区间如图7所示，即为达到起励电源接触器Q09分之后延时30s分电制动开关Q08的目的，通过修改励磁调节器时间参数，将励磁系统强制分Q08的时间点由图7中的A位置调整至B位置，如此以来，可以充分保证Q08的分操作是由监控系统LCU流程开出控制命令退电制动触发，避免了Q08因为先达到励磁系统限定的电制动最长时间而自行跳开。
图7 电制动开关Q08动作时间区间
对系统做进一步分析，Unitrol 6800励磁系统中预留了通过可控硅电子元件触发跨接器接入灭磁电阻的控制接口[12]，可以实现类似SILCO5灭磁开关机械常闭触头接入灭磁电阻的功能。通过该控制接口，监控系统LCU流程可增加开出控制命令直接触发跨接器在需要灭磁的时候导通[4]。
通过此种改进，也可以解决本文所描述的电制动转子过电压问题。另外，Unitrol 6800励磁系统正常停机电制动也可以考虑采用功率柜柔性电制动和功率柜逆变灭磁[13]，可在后继的设备改造中加以应用。
本文系统分析隔河岩电厂Unitrol 6800励磁系统电制动开关Q08分操作的两个不同触发源，对比4号机组停机投电制动异常时的监控系统简报信息，结合停机过程中导叶位置、机组转速，定子电流等的录波曲线，合理确定起励电源接触器Q09，电制动开关Q08，机端短路开关Z041三者的实际配合关系，最终通过优化励磁调节器程序参数，成功解决4号机组停机过程中偶有发生的电制动异常问题，避免了转子过电压和励磁跨接器动作。经过实践，励磁参数修改后系统运行稳定，此方法已推广应用至隔河岩电厂其他机组。