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UNITROL5000 励磁系统原理及典型故障分析

摘自能源研究与管理 2014（1）

胡欣，黄文，方新亮

（中电投江西电力有限公司景德镇发电厂，江西景德镇333036）

摘要：ABB公司研发的UNITROL 5000 型数字式励磁系统被采用在景德镇发电厂的2 台660 MW发电机组中，被发电厂作为最重要的电气设备而被加以研究和维护。简要介绍该型励磁系统组成原理及设备结构，并分析了几个励磁系统中出现的重大缺陷和故障案例，为提高今后发电厂励磁系统安全性及稳定性提供了有益的经验。

1 系统原理及设备结构

1.1 概述

UNITROL5000 型励磁系统是瑞士ABB 公司研发的数字式同步发电机静止励磁系统，为自并励励磁系统。其中包含了如DSP 数字信号处理、可控硅整流桥智能化均流、低残压快速起励等技术，以及Modbus、ProfitBus、ARCnet 现场总线等多种通讯功能和调试手段。

1.2 自并励励磁系统组成原理

自并励励磁系统具有结构简单、造价低、响应快、便于系列生产，减少轴系振动等优点，在大型汽轮机组中较多采用此种励磁方式[1]。自并励励磁系统的主回路见图1，典型的接线方式是将励磁变压器ET 接在发电机的出口端[2]。该接线方式比较简单，只要发电机处在运行，即可取得励磁电源，可靠性较高。当外部短路故障切除后，强励能力可以迅速发挥出来。本厂采用此接线方式。

1.3 UNITROL5000型励磁系统结构和工艺

UNITROL5000系统的设计方案中柜体的排列顺序为：调节柜ER、灭磁柜、功率柜、进线柜。灭磁柜安放在调节柜与功率柜之间，此设计具有以下特点[3]：

1）缩短和方便柜间连线。通常调节柜与功率柜之间的联系相对简单，包括脉冲电缆和反映功率柜状态信息的信号电缆等。在采用了ARCNET 现场总线的UNITROL5000 系统中，连接更为简单，只需脉冲总线电缆和ARCNET 电缆即能满足需求。而调节柜与灭磁柜之间的联系相对就要复杂一些，至少包括灭磁开关分合闸的控制回路、起励控回路制等，这一般需要通过硬接线来实现。将灭磁柜和调节柜相邻布置，只需考虑2 柜间的互联，跨柜连线将大为缩短，可以极大方便柜内布置，减轻布线工作量。

2）设计注重人身安全，实现集中操作。我厂的UNITROL5000 系统将需要操作的开关如直流控制电源开关、起励电源开关、交流电源开关等全部集中在调节柜，开机或运行情况下如需操作只需打开调节柜门进行操作即可。而功率柜、灭磁柜则属于强电区域，带有高电压，运行期间基本不需要打开柜门，这样可以很大程度上避免不必要的人身危险。另外，所有对外接口也全部集中在调节柜，方便调试检查。

3）降低干扰。功率柜远离调节柜，可以减少对调节器的电磁干扰，提高运行的可靠性。UNITROL5000 励磁系统内部实现了功能单元模块化、组件化，对方便柜内器件安装、集中功能，提高维护效率和安全性都具有很大的益处。功率柜由整流桥、阻容吸收单元、风机单元和控制单元4部分组成，每一部分均实现模块组件化，安装方便，结构层次清晰。灭磁柜、调节柜也是将共同实现某种功能的器件集中在一起。

在布线方面，涉及到高压的部分尽量采用高压电缆和耐压绝缘线，不用绝缘套管，走线采取悬空或走线槽的方式，尽量不直接绑扎在柜体金属表面，此种工艺既充分保证了柜内的绝缘，又显得美观。在铜排的设计方面，根据机组的载流量来选择合理的铜排截面积。

在部分铜排连接处，采用了软连接技术，减少了铜排的震动受力

1.4 电源系统

UNITROL5000 系统电源回路由3 部分组成：直流电源回路、交流电源回路和内部DC24 V 电源回路。直流电源回路由外部提供2 路控制电源输入，其中1 路电源供给调节器和内部操作回路使用，另1 路专门提供给灭磁开关分闸回路使用，灭磁开关的跳闸回路分别由2 路独立的回路控制，提高了系统灭磁的可靠性。

交流电源回路由厂用电源回路和自用电源回路组成。厂用电源一般用于提供柜内照明、加热和插座以及功率柜风机的后备电源。内部采用2 个自用变压器通过熔丝接在励磁变压器低压侧，分别提供风机电源和励磁调节器电源。

DC24 V电源由直流控制电源和自用电源经过开关电源变送后并联输出，每路均设有回路监视功能。

1.5 现场总线与系统通讯

系统内部采用ARCNet (Auxiliary ResourceComputer Network 辅助资源计算机网络) 总线用于系统内部的互联，ARCNet 是一种局域网（LAN）技术，是广泛应用于工业控制中的通讯方法之一。它采用令牌总线（token-bus）方案来管理LAN 上工作站和其他设备之间的共享线路。其中LAN 服务器总是在1 条总线上连续循环的发送1 个空信息帧，当有设备要发送报文时，它就在空帧中插入1 个“令牌”以及相应的报文。当目标设备或LAN 服务器接收到该报文后，就将“令牌”重新设置为0，以便该帧可被其他设备重复使用。这种方案是十分高效的，特别是在网络负荷大的时候，可为网络中的各个设备提供平等使用网络资源的机会，极大的提高了运行效率。ARCNET 可采用同轴电缆或光缆线，信息传递量大，接线简单。在采用了ARCNET 总线的线路板上，设置了数码管，通过其上显示的数值能够对总线系统进行监控。

ARCNET 总线在UNITROL5000 系统中的地位极其重要，比如励磁调节器主控板COB 对功率柜整流元件导通角进行控制的触发脉冲就是依赖于1 组ARCNET 总线传递，且无备用。如果该条总线任一节点松动，触发脉冲将中断，整流元件将因为无触发脉冲而退出运行，进而造成机组停运事故。这是本装置一个重大安全隐患，后文中将就具体案例进行分析。

2 UNITROL5000 励磁系统控制与功能

2.1 人机交互界面

UNITROL5000 系统采用的是称为就地控制面板LCP（Local Control Panel）的人机交互界面（见图2），可用于对励磁系统进行就地操作和监视，也可将其安装于电站中控室内，用于远方控制。面板可同时显示8 个模拟量信号，或者以棒图的形式同时显示4 个模拟量信号（显示比例0～120%）。在出现警报的情况下，励磁系统的报警显示先于测量信号的显示。在报警功能键上有1 个报警指示灯，每次发生报警时它就闪烁。按确认键之后，若警报还存在，指示灯始终发亮。警报消失后，报警指示灯自动熄灭。

图2 UNITROL5000系统LCP界面

2.2 逻辑控制功能

2.2.1 开停机控制功能

励磁系统不进行开机条件的判断，不需接入发电机转速信号，只接受外部（一般是DCS）发出的起励或停机信号，进行相关操作；具有远控和近控方式，远近方操作相互闭锁；可以通过参数设定选择停机时是否跳灭磁开关。通过软件参数设定灭磁开关分合闸间歇时间，具有跳闸次数记录功能。

2.2.2 切换控制功能

包括运行方式切换和通道切换：自、手动方式间可实现在线切换，有自/ 手动跟踪到位信号输出便于实现无扰动切换。如果在运行通道由自动方式转换为手动方式运行，则2 个通道（包括非运行通道）均转换为手动方式，不能够1 个通道为自动，另1 通道为手动。叠加控制方式只有在并网条件下才能进行。

通道切换也是以通道正常为前提下进行的，如果某种运行方式或通道出现了故障，则调节器自动进行闭锁，强行切换无效，可防止误操作[5]。通道之间的通信采用2 种方式，硬布线连接和ARCNET 通讯，有关通道运行、方式运行等信号通过硬布线完成，关于状态信号、报警信息等则通过现场总线完成。通道配置从物理上设定为1 通道（CHⅠ）和2通道(CHⅡ)，站号有所区别，便于与监控系统连接,但不固定主备用通道，在通道运行将被默认为主通道，非运行通道自动变为备用通道。当运行通道出现故障时，切换至备用通道运行，如此时备用通道也有故障，则直接跳闸停机。通常选择自动方式运行，通道切换优先于自手动方式的切换。如出现PT故障，先切至备用通道自动方式，不成功，则切换到手动方式运行。

2.3 调节控制功能

2.3.1 给定值调整

可使用开关量输入命令、模拟输入信号或串行通讯线路实现AVR 给定值的增、减或复归。给定值的上限幅、下限幅以及上下限幅间的运行时间均可

分别整定。

2.3.2 有功补偿和无功功率补偿

将发电机电压给定值与1 个和稳态有功功率和无功功率成正比的信号相加，可补偿单元变压器和/或传输线上由于输送有功或无功功率而引起的压降。相反，如果将发电机电压给定值减去1 个与稳态无功功率成正比的信号，则可保证2 台或多台并联发电机组间无功功率的合理分配，实现调差功能。可调补偿范围为-20%～+20%额定机端电压。

2.3.3 V/Hz 限制器

为避免发电机组和励磁变压器铁芯过磁通饱和，调节器内设V/Hz 限制器和特性曲线。如果发电机电压超过某一频率下的限制值，限制器将自动降低给定值使发电机电压符合特性曲线的要求。

2.3.4 软起励

软起励功能用于防止机端电压的起励超调。励磁调节器接到开机令后即开始起励升压，当机端电压＞10%额定值后，调节器以可设定的速度增加给定值，使机端电压逐步上升到额定值。

2.3.5 自动跟踪

每个自动通道的COB 主控板都含有1 个自动电压调节器AVR 和励磁电流调节器FCR。自动跟踪功能用于实现自动电压调节方式（自动方式）和励磁电流调节方式（手动方式）间的平稳切换。切换可以是由PT 断相故障引起的自动切换或是人为切换。AVR 控制电压与FCR 控制电压间的差值被用作后备调节器的跟踪控制。对于具有双自动通道的励磁调节器，通常是从运行通道的自动方式切换至备用通道的自动方式，任何1 个通道都可以工作在运行方式或备用方式。在不能切换到备用通道自动方式时，才切换到手动方式。如果2 个通道都不能正常工作，励磁系统将启动跳闸命令。采用这种配置时，备用通道的跟踪信号为运行通道控制电压和备用通道控制电压的差值。对于单通道加后备手动通道的调节器，后备励磁电流调节器BFCR 自动跟踪主控板COB。当主控板COB 故障时，自动跟踪可保证从主控板COB 无扰动切换到后备手动通道。BFCR 是在扩展门极控制板EGC 上用软件实现的。

2.4 监测功能

该功能独立于调节控制单元，通过监视单元的作用，发出相应的故障和报警信号。

2.4.1 实际值监测（PT 故障检测）

对PT 故障的检测是通过比较发电机端电压与励磁变压器副边电压的测量值实现的。如果2 个电压的差超过整定值（发电机机端电压额定值的15%），逻辑控制器将起动切换：如果2 个通道共用1 组PT，从自动方式切换到手动方式运行，如果双通道使用各自独立的PT，而且运行通道出现PT 断线，从运行通道的自动方式切换到备用通道的自动方式。如果两组PT 都出现故障，切换到手动。

2.4.2 失励保护（P/Q 保护）

发电机运行点在超出其稳定极限时，失励保护动作，跳发电机。保护曲线与P/Q 限制器的限制曲线相似。但P/Q 保护曲线在P/Q 限制曲线基础上左移5%～10%。由于同步发电机的稳定极限与机端电压有关，P/Q保护曲线也与发电机端电压成比例校正。发电机工作点超过保护曲线时，触发定时器，经过可整定的延时后发出跳发电机命令。定时器延时启动信号也可用于报警。

2.4.3 过激磁保护（V/Hz 继电器）

用于防止同步发电机和变压器过磁通。过激磁保护首先根据发电机频率和设定值计算出当前的机端电压允许值，如果发电机实际电压超过允许值，就会触发定时器延时。在延时结束前，如果电压仍没有返回到允许值，则发出跳闸信号。

2.4.4 励磁变压器温度测量

UNITROL 5000 可通过嵌在励磁变压器次级线圈温度最高部位处的PTC 或PT100 传感器测量绕组的温度。温度测量值可在就控制面板LCP、手持屏LSP 上显示，或者传送到控制室。调节器检测当前励磁变压器的温度是否达到预设两段的设定值，超出1 段定值启动报警，超出2 段定值启动励磁系统跳闸。

2.5 故障和报警功能

故障与报警信号众多，非常全面地反映了励磁系统的状态。组合方式灵活，信号既可单独引出，也可以组成状态字的方式引出,每个故障和报警信号均用故障代码表示，可通过CMT、LCP、SPA 及调节板上的数码管多种方式输出；采用可编程逻辑阵列技术，将各种故障和报警进行综合分类；外部提供的故障报警信号可通过用户事件字融入报警故障系统.报警的复位可以通过CMT、LCP、SPA等多种途径实现,调节器可以记录故障和报警信号产生及复位时间，便于分析。

2.6 调试维护工具

CMT 是用于UNITROL 5000 系统的测试、调试和维护的专用软件。CMT 具有以下功能：

1）模拟现地控制面板对调节器进行操作。

2）提供录波功能，用于调试过程中的波形记录和调整AVR 的调节参数。事实上可以取代了常规的测试设备如示波器、录波仪等。CMT 可同时显示6个测试信号的波形，包括提供信号的缩放比例以及它们的扫描速度。所有的波形可储存、打印。

3）配合调节器控制板（COB）提供事故记录功能，可记录多达100 个事故及时间。也可通过手持编程器（SPA）来获取事故记录。

4）实时显示软件框图，如逻辑控制、PID 调节、限制器、保护和监测等功能模块。这有助于实时地观察某一个具体的功能模块的输入和输出信号，并能修改系统参数（如AVR 参数）。

5）具有编程功能，能够修改应用程序。

6）具备远程诊断功能。

3 运行事件及故障分析

与防范经验景德镇发电厂2 台机组投产以来，励磁系统积累了一定的运行维护经验，结合其他厂UNITROL5000系统的应用经验[6 - 10]，下面就我厂出现的某些典型问题进行一些分析，希望能为今后的安全运行提供有益的参考。

3.1 PT断线信号 （Mach PT fai）l

#1 发电机曾经2 次于开机并网前，在灭磁开关合闸后励磁系统出现报警信息，就地检查LCP 液晶屏显示119 Stand By alarm （备用通道故障），通道切换到CHⅡ，COB 数码管显示报警代码A120（Mach PT fail 电机PT断线）。

检查发电机机端电压回路无异常，机端电压二次量已到MUB X45 板节点，且幅值正常。检查从MUB 板(UNS 2881) X31 至COB 板(UNS 2880) X31的扁平电缆连接，对其紧固后，分灭磁开关并对励磁调节器重新上电，报警信号复归。该故障是典型的接线工艺问题，是因为励磁调节器的扁平电缆松动，造成电压信号丢失。

该故障发生在机组定速、合灭磁开关之后，起励并网之前，处理该故障已造成2 次并网延迟，影响正常迎峰接带负荷。注意对励磁调节器重新送电的过程中，应退出发变组保护中的励磁系统故障保护压板，防止励磁系统在重启自检时发出信号造关汽机主汽门，延迟并网时间。

3.2 ARCNET同轴电缆松动

由于ARCnet 总线的原因，我厂#2 机组励磁调节器运行中出现多次如下故障信号：备用ARCnet故障(STBY ARCnet fault)，备用通道报警（Stand Byalarm）等信号。联系生产厂家技术人员现场检查怀疑为总线电缆接头松动。

由于励磁系统ARCnet 总线承担着励磁系统控制和状态信号交换（如整流柜可控硅的触发脉冲），并且各柜ARCnet 总线节点采用的是无冗余饿串联联接，如果松动发生在调节器与离调节器最近的1台整流柜的整流桥接口板CIN 上（即1 号功率柜），其它各功率柜信号将被中止交换，调节器失去对其它功率柜的控制将出现上述故障信号，严重时将跳灭磁开关并联跳发电机出口开关，导致机组非停。所以我厂格外谨慎，利用停机机会检查、紧固和更换部分ARCnet 总线T 型、Y型接头，故障消失。分析了更换下来的总线T 型、Y 型接头后可以得知ARCnet 总线同轴电缆的连接是依靠接头内一圆柱状插孔与针状单股铜芯导体连接的，而圆柱状插孔由4 片铜片组成，这4 片铜片在外力作用下易向四周散开形成伞状，从而造成接触不良，运行中极易引发上述故障。

经了解得知，广西龙滩水电厂UNITROL5000励磁系统的ARCnet总线存在同样的节点松动问题[11]，他们采用1.5 mm2的电缆皮做成的套管用来紧固ARCnet总线T 型、Y型接头内圆柱状插孔的方法可以解决该问题。用这个方法处理后专门进行试验：用力敲打紧固后的ARCnet 总线T 型、Y 型接头，励磁调节器均运行良好，没有出现故障信号；但没有紧固的ARCnet 总线T 型、Y 型接头在用力敲打后，出现跳灭磁开关现象。未来我厂将利用励磁系统大修机会试用该方法。

3.3 总线超时

我厂#1 发电机励磁系统于2013-10 发出122Fieldbus timeout （现场总线超时）报警信号，无法复归，随即#1 机组DCS 系统接到“励磁系统故障” 信号后,发出自动闭锁命令, AVC(自动电压控制)系统退出运行。

该异常现象发生时，#1 发电机励磁系统运行于CHⅡ通道，就地检查发现modbus 模块U19 的XMIT 及REC 绿灯闪烁，modbus 模块U29 仅有REC 绿灯闪烁，XMIT 灯不闪烁。联系外部通讯设备厂家排除通信插件因素后报警信号依然无法复归。经咨询分析，该故障为负责与外部ECS 系统通信的modbus 通讯模块U29 数据阻塞所致，需要重启励磁系统或更换模块方可消除。该故障并不影响励磁系统运行，但是由于励磁系统检测到任何故障信号后都向DCS发闭锁信号，造成AVC 无法正常工作。我厂利用临修机会，重启modbus 模块，并调整ECS通信组设置，解决了该问题。

3.4 #1机组电压及无功跳变

我厂#1 发电机于2013 年某日凌晨起，多次出现电压及无功功率剧烈波动，发电机无功功率多次出现100～150 MVar 的上下波动，机端电压波动范围在21～22.5 kV，6 kV 厂用电电压波动范围在6.0～6.5 kV，220 kVⅠ母电压波动范围在229～234kV。每次波动发生时发电机无功功率、机端电压及励磁电流都瞬间陡增，持续时间在数十秒至几十分钟之间不等（见图3）。

该异常现象发生时，就地检查励磁调节器本体无异常及报警信号，远方AVC 退出运行，AVR 投自动运行状态，检查测量PT 回路电压正常，故可排除PT 本体及电压回路故障可能性。分析历史曲线可知，发电机无功与系统电压为变化趋势相同，所以是无功的突变导致系统电压波动，可以排除系统电压波动的因素。由于机组在运行，所以无法进一步检查，初步分析应该是电压采样不准导致发电机无功突变。经切换到CHⅡ通道后，励磁系统恢复正常运行。我厂利用临修机会更换采样板MOB，并切回CHⅠ通道运行，经过长时间观察再未出现类似故障。

图3 机组电压及无功跳变参数历史曲线

4 结论

通过对UNITROL5000励磁系统原理及结构的研究，以及上述案例的发生，可以得知UNITROL5000励磁系统采用了大量先进工艺技术，设计精密且结构复杂，这就要求维护工作应当严格按标准执行，加强巡检，定期试验，充实备件，并不断总结运行和消缺经验才能真正发挥这套系统的效益。