ESA1型碳化硅非线性电阻灭磁装置在线监测系统的研制及现场实测.docx

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ESA1型碳化硅非线性电阻灭磁装置在线监测系统的研制及现场实测

　　　　ESA-1型碳化硅非线性电阻灭磁装置在线监测系统

的研制及现场实测

　辛峰1李振1臧卫平2赵一萌2李基成3

一、问题的提出

目前在我国已投运或在筹建中的容量在500MW-700MW水轮发电机组已有近百套，采用SiC非线性电阻作为灭磁电阻构成的灭磁系统。

在过去几年中，在一些电厂的多台机组中，由M&I公司提供的Metrosil系列SiC灭磁电阻，先后曾经历了各种严重事故情况下的事故灭磁。

对此，包括三峡水电厂在内的各主力水电厂，如龙滩水电厂、拉西瓦水电厂等单位普遍关注的一个问题是：

在经历上述严重事故灭磁后仍在运行中的SiC非线性电阻的工作特性（包括均流、均能特性等）是否有所变化？

温升情况如何？

基于这一情况，在当前研制一种可在灭磁过程中在线监视与测定SiC非线性电阻实际运行特性的系统，已成为国内大型水电厂迫切需要解决的重大课题之一。

此外，容量在300MW以上的大型汽轮发电机灭磁装置中亦多采用了SiC非线性灭磁电阻，同样存在加装在线监测系统的需求。

有鉴于此，哈尔滨科力电力有限公司与白山水电厂合作，研制开发了ESA-1型SiC非线性电阻灭磁装置在线监测系统。

二、任务的预期目标

现制开发的ESA-1型SiC非线性电阻灭磁装置在线监测系统的主要预期目标为：

1、系统可在已运行的现场条件下或新设计的SiC非线性电阻灭磁装置中实现对灭磁装置工作状态的在线监视与测量，在灭磁过程中对采集的数据进行记录存储并经适当接口完成输出。

监测系统可在机组检修期间予以接入，在监测系统接入后可在线监测SiC的运行，不影响到主机励磁装置的运行。

2、可在现场灭磁运行条件下，实时完成对灭磁装置下列参数的测定：

（1）对SiC非线性电阻各支路的电流，对均流特性进行测定。

（2）对各支路的灭磁能量消耗，对均能特性进行测定。

（3）对各支路一片或多片非线性电阻表面温度进行非接触式测定。

3、灭磁装置动作后在线监测系统提供的测定数据可作为SiC非线性灭磁电阻日后运行测定的数据的对比基础。

此外，还可利用现场实测记录与原始灭磁仿真结果进行对比。

三、灭磁装置在线监测系统的功能特征

本系统由励磁电流、电压传感器、红外温度传感器、以DSP为核心的前置数据采集单元及后台数据处理工控平板计算机等部分构成。

主要功能为：

1、本在线监测系统实时采集励磁电压、励磁电流、磁场断路器弧压、各SiC非线性电阻组件支路电流、阀片表面温度（单片或多片）。

在正常及事故灭磁条件下，通过适当的触发方式对这些数据进行采集及记录。

2、系统记录的数据，不仅可反映SiC非线性灭磁电阻各支路电流的分配，同时还能累计各支路吸收的能量，便于较完整地了解灭磁能量在各支路中的分布。

3、后台处理及分析软件可根据记录的数据生成各种曲线及图表，并提供必要的计算功能，可以分析SiC灭磁电阻组件的均流特性、均能特性、温升特性、伏安特性、整个装置

的灭磁特性及用户需要的其它特性，并可实现与原始数据的对比。

4、在无须对已投运的灭磁装置的原有结构及接线进行改变的条件下接入在线监测系统，同时为了充分确保系统运行的安全可靠性，本监测系统中对电压量、分流器电流信号量的测量均采用科力公司研制的隔离耐压达5000V.AC的电量传感器；各灭磁组件及母线电流测量采用穿心式可拆卸霍尔传感器；阀片表面温度测量采用红外传感器阵列。

这些方式可保证灭磁装置的安全性能不因监测系统的接入而降低。

5、采集数据准确：

独创的高保真、低噪声快速响应励磁信号测量技术保证数据的准确性。

6、采集功能指标

（1）通道容量：

前置信号采集单元可完成最多24路电压电流量、24组SiC电阻组件阀片表面温度及8路开关量信号的采集任务。

同时提供4路输出接点，可用作失电信号、录波启动信号、系统故障信号等。

（2）准确度：

励磁电压、分流器电压采集准确度为0.2%；霍尔传感器测量的励磁电流及各组件支路电流采集准确度为1%；阀片表面温度采集的最大误差为±2.5K。

（3）采集密度及长度：

电压、电流采集频率为1kHz，记录时间为10s；温度采集频率为10Hz，记录时间为10min。

（4）触发方式：

可通过开关量、模拟量变化等方式触发数据记录过程。

（5）通讯功能：

后台嵌入式计算机可通过串行接口或以太网将记录或监测数据进行传送。

四、在线监测系统的组成

1、监测信号的配置

本系统由励磁电压、电流传感器、红外温度传感器、以DSP为核心的前置数据采集单元和后台数据处理工控平板计算机等部分构成。

其中碳化硅（SiC）电阻相关值测量系统设计为固定安装、在线运行。

在SiC电阻组件屏体内，安装两个测量单元，即温度测量单元和VAD（电压、电流、开关量）测量单元。

测量单元通过串行总线与后台嵌入式计算机通讯。

后台嵌入式计算机可以安装在SiC电阻组件屏体内，亦可以安装于距屏体数十米以内的其它位置。

在线监测系统接入的信号包括：

SiC阀片的典型点温度，256路

发电机转子电压：

Uf2

SiC组件电压：

URM

灭磁开关弧压：

Uk

发电机转子电流：

If2

整流输出电压：

Uf1

整流输出电流：

If1

SiC组件支路电流IRM1~IRMN,16路：

跳闸信号等开关量，8路

相应在线监测系统图如图1所示。

图1灭磁在线监测系统原理图

本监测系统在线实时运行。

可由手动，或自动方式启动灭磁过程的数据记录，其中手动方式包括按钮、操作键盘或远程通讯指令，自动方式包括预先设置的开关量变位（如灭磁开关开断）或模拟量突变（如支路电流的阶跃）。

记录过程开始后，数据从测量单元实时向后台嵌入式计算机传送，并可在后者的屏幕上绘制出各参量的实时曲线。

可记录灭磁全过程的数据曲线，包括各个组件的温度、电压及电流。

随后软件进行的自动数据处理，求得各支路阀片的温度变化、均流特性、均能特性、所有组件的总耗能、以及UI特性等数据。

后台应用软件构建并维护一个数据库，用于管理历次灭磁过程的记录数据，可将历次数据进行纵向比较，得出每个支路阀片的均流特性、均能特性、UI特性等指标的变化趋势。

或者可以依据几次历史数据推断SiC电阻特性的变化趋势，为维护提供参考。

2、监测系统的构成

就总体而言，本监测系统由两个前置测量单元及后台嵌入式计算机构成。

前置测量单元推荐安装在SiC组件屏体内，或附近；而后台嵌入式计算机的安装位置，仅受串行总线的电缆长度限制，即不超过100米。

（1）温度测量单元

温度测量单元由一块温度采集板和多块红外测温组件构成。

其原理如图2所示。

图2温度测量单元

红外测温组件由多个红外测温传感器及信号采集处理电路等构成，可将测到的各阀片表面温度值传送至温度采集板。

温度采集板响应通过串行总线来自后台计算机的指令，传送运行状态、启动记录过程，以及上传记录数据。

红外测温元件选用进口集成高性能温度传感器，安装于表面距阀片圆弧表面约8cm位置的安装盒中，安装盒则通过适当的金属连接件固定在阀片组件支架上。

如果每个红外测温组件可接入m个传感器，而温度采集板可管理n个红外测温组件，则系统可测量n*m点温度；暂定为m=16,n=16。

温度信号变化较慢，动态过程长，所以温度测量单元的采集频率定为10／s，记录时长为10min。

（2）VAD直流电压、电流、开关量测量单元

图2-2VAD测量单元

VAD测量单元由一块VAD采集板和多个隔离模块构成。

隔离模块分为三类：

接入直流电压信号，输出电压或4-20mA信号

接入直流电流信号，输出电压或4-20mA信号

接入开关量无源节点，输出数字状态信号

VAD采集板采集输入的模拟信号、数字信号，并将模拟信号变换为有名值、然后排入数据队列，并依据预设的判据，监测模拟信号、数字信号的状态，当接入信号满足启动条件时，立即通知后台计算机。

VAD采集板通过串行总线与后台计算机进行通讯。

对来自后台计算机的指令予以响应，传送运行状态、启动记录过程，以及上传记录数据

对于模拟量信号，由于信号变化较快，动态过程短，所以采集频率定为1000/s，记录时长为10s。

（3）后台嵌入式计算机

后台计算机采用嵌入式的硬件体系，采用上架式机箱。

应具备较强的通讯、数据处理和图形显示能力。

本设计采用的工控平板电脑的技术指标如下：

IntelPentiumM1.4GHz

512MDDRSDRAM

120G硬盘

10/100Base-TLAN接口

LCD显示触摸屏

串行总线通讯接口

ECP打印机接口

USB闪盘/打印机接口

键盘/鼠标接口

五、后台应用软件说明

后台应用软件负责管理前置测量单元中有关数据的接收、存储、分析与处理，并响应来自LAN接口的上一级系统的指令，为之提供服务。

作为可选项，可提供声光提示、报警接口。

后台应用软件基于Windows操作系统。

主要功能为：

1.实时显示监测

在非记录数据传送期间，软件周期地读取测量单元的运行状态、实时参量值，并显示在屏幕上。

如果用户设置了某些参量的限值，则在参量值过量时，给出提示或报警。

在此状态下，用户可以管理历史数据，分析、打印数据。

2.灭磁过程数据记录

当VAD测量单元监测到预设的开关量变位或模拟量突变时，将通过CAN总线通知后台软件，后台软件则立即向两个前置测量单元发出同步的启动指令，启动数据记录过程。

记录过程也可以由按钮、键盘操作指令，或来自LAN接口的上一级系统的指令予以启动。

记录过程开始后，采集单元在记录数据并缓冲的同时，也将与后台嵌入式计算机建立通讯，传输记录数据。

CAN总线的通讯速率主要取决于电缆长度，当采用最高通讯速率时，记录数据的传输将接近实时。

即使采用设计的最低的通讯速率，由于采集单元内部具有足够的缓冲区，也会保证数据不溢出。

在数据传输的同时，后台嵌入式计算机的软件将在屏幕上绘制出各参量的实时曲线。

记录完成后，软件将数据存盘，更新记录数据库，并计算本次数据的特性参数。

3.具体特性参数计算

针对一个灭磁记录数据，软件可以给出以下特性参数：

-各个阀片的最高温度、最大电压、最大电流

对记录的灭磁过程数据，进行全程的查寻运算，即可得到最高温度，及各阀片的最大电压、最大电流，并作直方图显示。

如果用户输入了SiC阀片的最大电压、最大电流限制值，则限制值可显示为直方图的限制线。

-灭磁时间常数

由实测灭磁电流曲线求得。

-SiC电阻总耗能

（1）

在式1中：

－　SiC电阻总耗能（kJ）

－　灭磁时间（s）

－　发电机转子电压（V）

－　发电机转子电流（A）

-各支路阀片耗能

（2）

在式２中：

－　第ｎ个阀片耗能（kJ）

－　灭磁时间（s）

－　发电机转子电压（V）

－　第ｎ个阀片支路电流（A）

-均能特性

由前面计算出的各支路阀片耗能数据，计算出平均值，绘制成统计直方图，并按用户设定的偏差限值绘制限制线，供技术人员分析、参考。

-均流特性

由前面得到的各支路阀片电流数据，计算出平均值，绘制成统计直方图，并按用户设定的偏差限值绘制限制线，供技术人员分析、参考。

-各个阀片的UI特性

阀片的UI特性一般采用式（3）表示：

　　　　　　（３）

在式（3）中：

β－　非线性系数

C－　性能系数

由记录的灭磁过程数据，可得出电压、电流随时间变化的数值。

此时，从电压的最大值开始，按固定的电压下降梯度，从记录数据中逐次选择对应时间的电压、电流值，直至电压变化至接近零。

然后用得到的多组数据，计算出UI特性的拟合方程，并绘出特性曲线。

当一次记录完成，软件自动计算并列出以上参数，而对于历史数据，则可以随时调出并计算。

4.标称及制造厂原始数据录入

对数值型的标称参数或出厂数据，可直接输入，包括公式的参数值。

对于曲线类型的数据，软件提供交互式数据输入画面，由用户用鼠标点击、拖曳完成数据输入，并可对输入数据做插补、拟合等处理。

软件提供标称数据及出厂数据的输入功能，在同一个画面上，将标称的或厂家提供的数据，与本次灭磁过程中得到的数据作对比，基于此功能可以计算或估算SiC阀片的性能参数。

5.记录数据管理

应用软件提供记录数据的列表、分析、打印、备份、上传（通过LAN）等管理功能。

记录数据可按时间、特性参数排序、检索。

6.数据比较

应用软件可以将记录数据与标称/出厂数据进行比较。

软件构建一个数据库，用于管理历次灭磁过程的记录数据，并可把历次数据进行纵向比较，得出每个支路阀片的均流特性、均能特性、V-A特性等等指标的变化过程，或者可以依据几次历史数据推断阀片的变化趋势，为维护提供参考。

六．在线监测系统的现场实测

1原始数据

白山水电厂SFD150-30/8100电动发电机组，发电机运行方式

-额定容量165MVA

-额定功率因数0.88

-额定电压13.8kV

-额定电流6903kA

-额定转速200r/min

-发电机空载时间常数Td0’9.229s

-空载励磁电流If0909A

-空载励磁电压Uf094V

-额定励磁电流Ifn1537A

-额定励磁电压Ufn232V

2现场实测数据

根据白山水电厂165MW水轮发电/电动机组大修后现场试验项目的安排，曾进行下列有关灭磁试验：

-发电机空载灭磁试验

-发电机甩额定有功负载，不跳灭磁开关试验

-发电机50%有功负载跳灭磁开关灭磁试验

下面对有关试验内容及结果进行初步分析

（1）.发电机空载额定电压灭磁试验（图5）

图5发电机空载额定电压灭磁试验

发电机灭磁前，发电机空载励磁电压为Uf0=92V，空载励磁电流为If0=871A。

当发出灭磁指令后，整流柜输出电压Uf1反向，由于切脉冲后引入励磁变压器二次正弦负半波电压，在灭磁开关跳闸前已使SiC非线性灭磁电阻3组6298组件（每组16片阀片并联）Irm1-Irm3实现换流进入灭磁状态，励磁变压器二次额定线电压U2N=480V。

依据Metrsil系列SiC非线性电阻计算公式

（4）

式中：

K–位形系数，对于6298组件，K=106

Ns－串联片数，对于本设计，Ns=1

Np－并联片数，对于本设计，Np=3×16=48

β－　非线性系数β=0.4

发电机空载励磁电流If0=871A代入式（4），求得灭磁式最大灭磁电压：

U＝Urm＝

＝337.4V

空载灭磁时间由图5的If2转子电流衰减曲线求得，当转载电流If0≈0时，tm≈3s。

（2）.发电机甩100%有功负载不跳灭磁开关（图6）

图6发电机甩100%有功负载不跳灭磁开关

此时在甩负载t=0瞬间，由于受磁链守恒定律影响，转子电流If2有一明显阶跃下降ΔIf≈237A，其后转子电流逐渐上升到If0≈871A。

（3）.发电机50%有功负载跳灭磁开关灭磁试验（图7）

图7发电机50%有功负载跳灭磁开关灭磁试验

灭磁前IfN=1090A，灭磁跳闸指令后，切脉冲，在灭磁开关断开前由励磁变压器负正弦半波电压使转子电流If2换流到SiC灭磁电阻回路中，换流成功。

根据实测结果，在换流过程中，SiC组件中吸收的灭磁能量：

Wrm1=98.4kJ

Wrm2=91.5kJ

Wrm3=88.2kJ

ΣWr=278.1kJ=0.278MJ

七．结论

根据在白山水电厂165MVA水轮发电机组灭磁装置进行的在线监测系统试验，结果表明：

1.ESA-1SiC非线性电阻灭磁装置在线监测系统可以有效地对灭磁装置工作情况进行实时监测，对提高灭磁装置工作的可靠性和对灭磁装置性能的判断提供有益的参考。

2.依据完善的软件计算功能，在线监测系统可以准确地对灭磁装置中的关键性能指标如均流、均能及温升特性做出明确的判断，有利于日常的维护。

3.根据历次的在线监测测试结果，可对等同条件下的试验结果进行性能对比，了解出SiC电阻性能的变化趋势。

4.鉴于目前在国内大型水、火电机组历次的设备投标书中，国内外各投标厂对不同工况灭磁能量的仿真值差别较大的情况，本在线监测装置在相同灭磁工况的实测值可作为评价不同灭磁仿真计算结果的参考。

5.鉴于本在线监测系统的功能比较完善，在适当调整和增加监测量的条件下，本系统可扩展为励磁系统在线监测系统。

作者：

１、辛峰、李振：

白山发电厂

２、臧卫平、赵一萌：

哈尔滨科力电力有限公司

３、李基成：

清华大学……