近年來(lái)，特高壓電網(wǎng)輸電工程的大規(guī)模建設(shè)，使電網(wǎng)的架構(gòu)產(chǎn)生了重大改變，由原傳統(tǒng)單一的超高壓交流電網(wǎng)逐步轉(zhuǎn)變成了大電網(wǎng)、遠(yuǎn)距離輸電、特高壓交直流高度混聯(lián)的格局。特高壓電網(wǎng)輸電網(wǎng)架對(duì)系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)無(wú)功裕度要求更高，同時(shí)足量的無(wú)功支撐能有效提升系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性；因此為了保證電力系統(tǒng)能安全穩(wěn)定運(yùn)行，在規(guī)劃建設(shè)中必須為系統(tǒng)配備足夠的動(dòng)態(tài)無(wú)功裕量，以增強(qiáng)電網(wǎng)系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力。

新型大容量調(diào)相機(jī)的研制成功和可靠應(yīng)用能有效提高送端電網(wǎng)直流輸電能力，為系統(tǒng)提供足量的動(dòng)態(tài)無(wú)功，提升新能源消納比例；在特高壓直流大功率饋入地區(qū)及直流多饋入受電地區(qū)廣泛應(yīng)用，特別是在特高壓直流輸電系統(tǒng)的受端電網(wǎng)中安裝新型大容量調(diào)相機(jī)可有效提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性和抗無(wú)功沖擊能力，確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此，大型調(diào)相機(jī)在特高壓電網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

“十三五”期間，300Mvar級(jí)新型大型調(diào)相機(jī)被部署在電網(wǎng)的重要負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，通過(guò)結(jié)合目前已有的實(shí)際應(yīng)用工程，對(duì)所暴露出的問(wèn)題進(jìn)行解決改善，特別是研究影響調(diào)相機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的直接因素，因此本文針對(duì)當(dāng)前潤(rùn)滑油系統(tǒng)配置所存在的問(wèn)題進(jìn)行深入分析，提出通過(guò)裝設(shè)蓄能器來(lái)改善潤(rùn)滑油系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的方法，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比分析可知，加裝蓄能器能極大提高大型調(diào)相機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)的可靠性，確保調(diào)相機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，可為后續(xù)新建調(diào)相機(jī)工程提供有效參考。

1 大型調(diào)相機(jī)系統(tǒng)組成

目前，生產(chǎn)投運(yùn)的大型調(diào)相機(jī)大都為隱極式同步電機(jī)，調(diào)相機(jī)是電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的結(jié)合體，既能從交流電網(wǎng)吸收有功功率驅(qū)動(dòng)調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，也能由定子繞組切割轉(zhuǎn)子磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，接入負(fù)荷向系統(tǒng)供電，由于調(diào)相機(jī)的功率因數(shù)為0，因此只向系統(tǒng)提供或吸收無(wú)功功率。

這里以投運(yùn)的300Mvar雙水內(nèi)冷調(diào)相機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)為例，調(diào)相機(jī)系統(tǒng)采用“調(diào)相機(jī)-變壓器組”單元接線的方式，通過(guò)主變經(jīng)并網(wǎng)斷路器5601接入換流站內(nèi)500kV交流濾波器母線，調(diào)相機(jī)系統(tǒng)如圖1所示，主要由調(diào)相機(jī)本體、勵(lì)磁系統(tǒng)、主變、冷卻系統(tǒng)、油系統(tǒng)、變頻起動(dòng)系統(tǒng)等組成。

圖1 調(diào)相機(jī)系統(tǒng)

變頻起動(dòng)系統(tǒng)主要用于將調(diào)相機(jī)組拖動(dòng)至目標(biāo)轉(zhuǎn)速，便于并入電網(wǎng)，之后便退出運(yùn)行。勵(lì)磁系統(tǒng)采用靜止勵(lì)磁方式，主要由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、晶閘管整流裝置、滅磁及過(guò)電壓保護(hù)裝置、勵(lì)磁變壓器等構(gòu)成，整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)又分為主勵(lì)磁系統(tǒng)和起動(dòng)勵(lì)磁系統(tǒng)。

冷卻系統(tǒng)主要包括內(nèi)冷水和外冷水系統(tǒng)，內(nèi)冷卻水通過(guò)定、轉(zhuǎn)子線圈空心導(dǎo)線，將線圈損耗產(chǎn)生的熱量帶出機(jī)組本體，同時(shí)又通過(guò)外冷卻水將內(nèi)冷卻水冷卻進(jìn)行循環(huán)，最大程度地降低定轉(zhuǎn)子繞組溫度，提高繞組絕緣壽命。

油系統(tǒng)包括潤(rùn)滑油系統(tǒng)和頂軸油系統(tǒng)，頂軸油系統(tǒng)主要是在低轉(zhuǎn)速下建立油膜，正常運(yùn)行后退出，潤(rùn)滑油系統(tǒng)主要是為調(diào)相機(jī)提供潤(rùn)滑和冷卻，防止軸承干摩損壞而影響機(jī)組的正常運(yùn)行，當(dāng)潤(rùn)滑油油壓低于0.135MPa時(shí)，將觸發(fā)嚴(yán)重故障報(bào)警啟動(dòng)調(diào)相機(jī)系統(tǒng)跳機(jī)程序。

調(diào)相機(jī)起動(dòng)過(guò)程中主勵(lì)磁不帶電，由起動(dòng)勵(lì)磁系統(tǒng)配合變頻起動(dòng)，將調(diào)相機(jī)拖動(dòng)至頻率52.5Hz左右，離相封閉母線（isolated phase enclosed bus, IPB）斷開，變頻起動(dòng)系統(tǒng)退出，起動(dòng)勵(lì)磁系統(tǒng)快速起動(dòng)勵(lì)磁后切換至主勵(lì)磁系統(tǒng)，即起動(dòng)開關(guān)QDK斷開、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁開關(guān)GEK合閘，調(diào)相機(jī)升壓并對(duì)主變進(jìn)行充電，此時(shí)調(diào)相機(jī)開始加速惰性降速，起動(dòng)同期裝置，成功捕捉同期并網(wǎng)點(diǎn)，并網(wǎng)斷路器5601合閘。

2 蓄能器

2.1 蓄能器的基本原理及類型

蓄能器是一種通過(guò)對(duì)蓄積液體進(jìn)行受壓操作而設(shè)計(jì)的液壓輔件。液體不可壓縮，蓄能器是利用氣體的可壓縮性來(lái)達(dá)到儲(chǔ)存液體的目的。在低速負(fù)載情況下，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)所需流量小于液壓泵流量，液壓泵中的多余流量可以存儲(chǔ)在蓄能器中；當(dāng)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)載要求的流量大于液壓泵流量時(shí)，蓄能器通過(guò)氣體的膨脹將液體擠壓排出，以彌補(bǔ)液壓泵流量的不足，特別是當(dāng)液壓泵停機(jī)但仍需保持一定壓力時(shí)，蓄能器可以補(bǔ)償系統(tǒng)泄漏的液體流量，從而穩(wěn)定系統(tǒng)的壓力。

常用的蓄能器有皮囊式、活塞式、隔膜式。不同類型的蓄能器對(duì)比見表1，本文選用皮囊式蓄能器。

表1 不同類型蓄能器的對(duì)比

2.2 蓄能器選型及參數(shù)計(jì)算

所選用的皮囊式蓄能器內(nèi)腔皮囊分為兩個(gè)部分：囊內(nèi)裝氮?dú)?，囊外充液壓油。位于皮囊周圍的油液與油液回路連通，利用氮?dú)獾目蓧嚎s性，當(dāng)油壓升高時(shí)，油液進(jìn)入蓄能器，氣體被壓縮，系統(tǒng)管道壓力不再上升，當(dāng)系統(tǒng)管道壓力下降時(shí)，壓縮的氣體膨脹，將油液壓入回路，從而延緩壓力的下降，蓄能器系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 蓄能器系統(tǒng)原理

為延長(zhǎng)故障發(fā)生后油母管壓力下降至0.135MPa的所需時(shí)間，同時(shí)防止交流潤(rùn)滑油泵在定期切換時(shí)引起壓力波動(dòng)而導(dǎo)致的設(shè)備異常運(yùn)行狀況，采用蓄能器作為輔助動(dòng)力源，由式（1）計(jì)算所需容量。

式（1）

式中：V0、VX為所需蓄能器的容積、工作容積（L）；P0為充氣壓力（MPa）；P1、P2為工作循環(huán)中的最低、最高工作壓力（MPa）；n為指數(shù)，等溫時(shí)取n=1，絕熱時(shí)取n=1.4。

考慮到安全裕量，為保證潤(rùn)滑油泵失效情況下，系統(tǒng)壓力能夠維持安全值3s以上，同時(shí)考慮到調(diào)相機(jī)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行工況，式（1）中參數(shù)的選擇見表2。

表2 式（1）中參數(shù)的選擇

將表2中各數(shù)據(jù)代入式（1）中計(jì)算得到所需蓄能器的容積V0=158L。

3 含蓄能器的調(diào)相機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)

潤(rùn)滑油系統(tǒng)作為調(diào)相機(jī)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，為其機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件提供潤(rùn)滑和冷卻，供油壓力過(guò)低時(shí)將會(huì)直接出口進(jìn)入跳機(jī)程序，因此其是否正?？煽窟\(yùn)行直接影響到機(jī)組的穩(wěn)定與否。

含蓄能器的調(diào)相機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)配置示意圖如圖3所示，系統(tǒng)配置有一臺(tái)直流油泵作為事故備用，兩臺(tái)交流潤(rùn)滑油泵，互為一用一備，出口母管壓力低將聯(lián)起備用泵及直流油泵，交流潤(rùn)滑油泵進(jìn)行周期切換，交替運(yùn)行，周期切換流程如圖4所示。

在監(jiān)屏及日常的設(shè)備巡視中發(fā)現(xiàn)，潤(rùn)滑油系統(tǒng)交流潤(rùn)滑油泵在周期切換的過(guò)程中，存在聯(lián)起直流潤(rùn)滑油泵及壓力波動(dòng)的異?，F(xiàn)象，嚴(yán)重威脅到機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此采取措施消除調(diào)相機(jī)因油泵周期切換造成的直流泵聯(lián)起并維持油壓的正常穩(wěn)定十分必要。

圖3 含蓄能器的調(diào)相機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)配置示意圖

圖4 周期切換流程

在潤(rùn)滑油過(guò)濾器后的潤(rùn)滑油供油母管處，通過(guò)采用裝設(shè)蓄能器裝置的措施，來(lái)改善交流潤(rùn)滑油泵周期切換過(guò)程中供油母管壓力存在異常波動(dòng)的情況，保證潤(rùn)滑油供油母管壓力開關(guān)正確動(dòng)作，解決導(dǎo)致直流潤(rùn)滑油備用油泵誤起動(dòng)的問(wèn)題，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，蓄能器安裝現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

圖5 蓄能器安裝現(xiàn)場(chǎng)

4 試驗(yàn)對(duì)比分析

本節(jié)通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和日常系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)裝設(shè)蓄能器前后調(diào)相機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)工作在正常工況轉(zhuǎn)速3000r/min時(shí)，潤(rùn)滑油泵A周期性地切換至潤(rùn)滑油泵B進(jìn)行試驗(yàn)，記錄周期切換期間潤(rùn)滑油系統(tǒng)油壓的變化及直流潤(rùn)滑油泵聯(lián)起情況，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖6所示，未裝蓄能器時(shí)如圖6（a）所示，裝設(shè)蓄能器后如圖6（b）所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

由圖6（a）與圖6（b）對(duì)比可以看出，調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)速均基本穩(wěn)定在3 000r/min，正常工況條件下，在由潤(rùn)滑油泵A正常穩(wěn)定運(yùn)行切換至潤(rùn)滑油泵B穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，從圖6（a）未裝設(shè)蓄能器看出，在切換時(shí)，供油母管油壓出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，起動(dòng)潤(rùn)滑油泵B運(yùn)行時(shí)，油壓由0.46MPa下降至約0.42MPa，同時(shí)并聯(lián)起動(dòng)了直流潤(rùn)滑油泵，約2s后供油母管油壓逐步穩(wěn)定。

但由于直流潤(rùn)滑油泵為事故備用油泵，不可長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，系統(tǒng)處于異常的工作狀態(tài)，直流潤(rùn)滑備用油泵需要人工干預(yù)進(jìn)行手動(dòng)停運(yùn)，此時(shí)自動(dòng)周期切換失敗。

從圖6（b）裝設(shè)蓄能器后的波形圖看出，供油母管油壓沒(méi)有明顯的波動(dòng)，最低降至0.44MPa，與油壓正常穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的0.45MPa相差甚小，能順利完成由潤(rùn)滑油泵A正常穩(wěn)定運(yùn)行切換至潤(rùn)滑油泵B穩(wěn)定運(yùn)行的過(guò)程，并且事故備用直流潤(rùn)滑油泵沒(méi)有聯(lián)起，調(diào)相機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)處于正常穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。因此，蓄能器對(duì)供油母管油壓的異常波動(dòng)有明顯緩解作用，可以控制供油母管油壓基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某換流站調(diào)相機(jī)工程潤(rùn)滑油系統(tǒng)在潤(rùn)滑油泵周期切換過(guò)程中存在潤(rùn)滑油母管壓力低、聯(lián)起直流潤(rùn)滑油泵的異常現(xiàn)象進(jìn)行深入分析，并對(duì)蓄能器的基本原理及結(jié)構(gòu)選型進(jìn)行研究后，選擇在潤(rùn)滑油系統(tǒng)中增加蓄能器來(lái)延長(zhǎng)油壓下降時(shí)間，確保油泵周期切換時(shí)油壓的無(wú)擾動(dòng)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，蓄能器極大地提升了大型調(diào)相機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)可靠性，消除了跳機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，為調(diào)相機(jī)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行提供了重要保證，具有廣闊的應(yīng)用前景和參考價(jià)值。

本文編自2021年第6期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“蓄能器對(duì)大型調(diào)相機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)穩(wěn)定性的改善研究”，作者為張曙云、周翔。