小水電廠勵磁系統改造及發展趨勢研究

摘 要：隨著國家經濟的飛速發展，電力緊缺形勢嚴峻。勵磁系統作為水電廠重要輔機設備，在水電站的作用巨大。闡述了我國小型水電廠勵磁系統現狀，針對相關問題，分析了水電廠勵磁系統改造一般方案（勵磁變壓器以及滅磁方案），基于勵磁系統改造，探討了我國水電廠勵磁系統發展趨勢。

關鍵詞：小型水電廠；勵磁系統；改造；趨勢

中圖分類號：TV742 文獻標志碼：A 文章編號：1671-7953(2009)02-0093-02

勵磁系統是發電機的核心控制系統，其主要作用是調節發電機的電壓和無功功率，在發電機故障時快速滅磁，保護發電機組，防止機組事故擴大化［1］。同時，勵磁系統對電網的安全穩定起著重要作用，是提高電網穩定性和電網輸送能力的有效手段［2］。

1 我國小型水電廠勵磁系統概述

勵磁系統的更新是從上個世紀70年代初、中期開始的，總的來講經過了3次更新換代。第1代為繼電勵磁型：勵磁繞組由正、負極繞組組成，當電壓低于85 額定電壓時增磁，當電壓高于110 額定電壓時減磁，不能閉環控制，這使得機組電壓在整定范圍內來回擺動，很難穩定在額定工況下運行。第2代為三機勵磁系統，其晶體管調節器對機組的電壓調節性能有所改善，但大功率硅管經常燒壞，同時碳刷磨損嚴重，維護工作量大，無轉子過壓保護，與計算機監控系統的接口也不方便。90年代末期，為實現“水電廠無人值班(少人值守)”，對勵磁系統進行了進一步的改造，即第3代改造，也就是目前普遍采用的自并列可控硅勵磁系統，以實現水電廠全計算機監控。

一般來講，勵磁系統常見問題大體有：勵磁調節器為模擬式勵磁調節器，元件繁多、結構復雜， 因此對其試驗的工作量大，維護及故障處理困難；模擬式PSS裝置硬件電路繁多，反饋信號取自發電機機端轉速信號，參數整定困難，而且P功能一直未能投入，不能滿足電網對勵磁系統的要求；勵磁系統為半控橋電路，無逆變功能，其電壓下降時間較難滿足要求，滅磁時間常數較大；相關標準規定功率橋支路應滿足n-1原則，勵磁系統不滿足此項要求。勵磁系統在運行過程中，多次出現發脈沖板故障、交流阻容吸收保護故障、功率柜冷卻水管破裂造成的短路跳機故障等［3］。

2 小型水電廠勵磁系統改造措施

2.1 滅磁改造措施

勵磁主回路中的滅磁裝置由滅磁開關和滅磁電阻構成，用于當發電機內部或引出線上有短路時迅速滅磁，因此必須要求滅磁開關結構簡單，動作可靠，有足夠的熱容量和運行壽命，能滿足發電機運行方式的要求。

轉子過電壓保護器在轉子滅磁時不參與工作。當發電機處于非全相及滑極等非正常運行狀態時，轉子過電壓檢測回路動作，可控硅觸發器觸發過壓保護可控硅，將并聯在轉子回路中的ZnO電阻接入，確保發電機轉子始終不會出現開路，從而可靠地保護轉子絕緣不會遭受破壞。由于轉子過電壓保護器的存在，轉子繞組會產生相反的磁場，抵消定子負序電流產生的反轉磁場，以保護轉子表面及轉子護環不至于燒壞。可控硅觸發器為轉子過電壓保護回路的核心器件。

勵磁系統的滅磁方式分為直流滅磁和交流滅磁。小型水電廠一般采用勵磁專用P棒的特殊接線方式，因此勵磁系統改造后采用交流側滅磁。考慮到事故滅磁方式下轉子能量消耗、全控橋逆變控制、可控硅反壓選擇余度及轉子過電壓保護等問題，在直流側采用逆變滅磁投跨接器加線性電阻滅磁方式，滅磁方案一般可為：

發電機滅磁采用逆變滅磁和P棒中性點安裝VD4 1220-50型滅磁開關滅磁，確保發電機在正常或故障情況均能可靠動作，滅磁電阻采用線性電阻。發電機轉子過電壓保護裝置簡單、可靠，動作電壓值高于強勵后滅磁及異步運行時的過電壓值，低于出廠試驗時轉子繞組工頻耐壓試驗幅值的70%，裝置動作后能自動記數、自動恢復，確保發電機不停機。在強勵狀態下滅磁時，發電機轉子過電壓值不高于4～6倍額定勵磁電壓值。滅磁過程控制分為2種：正常停機滅磁和保護停機滅磁。正常停機滅磁，由中控室發出停機信號，該信號先啟動勵磁系統逆變滅磁，延時2 S后，滅磁控制系統發出跨接器啟動命令，接通滅磁線性電阻滅磁，再延時3 S后，滅磁控制系統發出滅磁開關跳閘命令，跳開滅磁開關。保護停機滅磁，滅磁控制系統收到保護停機信號后，同時發出滅磁開關跳閘、滅磁跨接器啟動和逆變滅磁信號，無延時控制。線性滅磁電阻投切由2臺電子跨接器和1臺機械跨接器進行控制。電子跨接器啟動設置邏輯觸發和過壓觸發兩種。機械跨接器合閘信號由滅磁控制系統發出，機械跨接器合閘后延時10 S自動跳閘，機械跨接器僅在滅磁時使用。

2.2 勵磁變高壓熔斷器

勵磁變壓器高壓側不設自動開關，采用高壓側加裝高壓熔斷器(RDl～RD3)作為勵磁變的

保護。實踐證明，高壓熔斷器經常發生熔斷，甚至爆炸的原因主要是機組在剛起勵或強勵的情況下，勵磁電流比較大，造成勵磁變短時過負荷，有可能是一相熔斷器過載熔斷，所有的負荷轉移到另外兩相，造成另外兩相熔斷器也發生熔斷，當電流遠超過其熔斷電流時，熔斷器不能滅弧而引起爆炸。不難發現，勵磁變高壓側接線已在發電機差動保護范圍內，因此，將高壓熔斷器取消，同時在勵磁變二次側增加一組電流互感器，將其引入發電機微機保護內，增加一個三段式電流保護，作用于停機、跳發電機出口開關、跳滅磁開關。

3 基于改造條件下的勵磁系統發展趨勢

發電廠勵磁裝置發展至今，功率元件已基本定型，發展的重點是微機調節器。隨著新型CPU和PLC的推出以及新技術的應用，國內外勵磁系統發展重點是向運行可靠、自控功能強大、操作簡單等方向發展，具體表現為：

1）隨著CPU、PLC等關鍵模塊功能越來越強大，反應速度越來越快，硬件結構越來越簡單，可減少運行維護量。

2）由于自并勵方式動態品質優良、反應速度快，有利于長距離輸電，并能提高機組和電力系統的暫態和動態穩定性能，目前越來越多的機組對勵磁方式的選擇采用自并勵方式。

3）功率單元、滅磁單元、保護單元等勵磁系統基本組件趨向于模塊化和通用化，每個組件具有獨立的、智能化的數字式監控接口，進一步提高勵磁系統的可靠性和標準化。

4）由丁電子開關無機械觸點，無火花和瞬時過壓，動作速度快且易于維護，電子開關將逐步取代機械滅磁開關，目前此項技術已開始在國外采用。

總的來講，隨著通信和電力電子技術的發展，勵磁系統正向遠程化、智能化方向發展。在調節器方面，由于通訊技術的發展，在線遠程通訊成為可能，基于內部通訊網絡，調節器實現控制功能的同時，也成為勵磁系統信息處理中心；在可控硅整流方面，大容量、高參數

的硅元件將被廣泛采用，在滿足N-l原則的基礎上，可控硅整流橋的數量將越來越少，同時，整流柜的智能化正成為一種趨勢。

4 結語

縱觀我國小型水電廠勵磁系統的發展概況，從中可以看出，勵磁系統的改造一直是隨著我國水電廠的發展而相互存在的。隨著當今電子技術的飛速發展，智能化勵磁系統必然是我國勵磁系統的最終發展趨勢。

參考文獻

［1］ 李基成.現代同步發電機勵磁系統設計及應用［M］.北京：中國電力出版社，2002.

［2］ 發電廠勵磁及自動化新技術研討會論文集［C］.武漢恒豐電工有限責任公司，武漢洪山電工技術研究所，1998，（11）.

［3］ 崔永青. 勵磁系統改造中一些問題的探討［J］. 山西電力技術，2001（1）：12-13.