大型水輪發電機組勵磁系統設備選型探討

黃 小 川， 唐 容 文， 何 興 磊

(四川省能投攀枝花水電開發有限公司 機電物資部，四川 攀枝花 617068)

1 概 述

勵磁為向發電機或同步電動機定子提供定子電源、為發電機等(利用電磁感應原理工作的電氣設備)提供工作磁場的裝置。勵磁設備對于整個水電站來說是一項極為重要的設備，是水電站核心輔助設備。勵磁系統設備由勵磁變壓器、晶閘管整流裝置、勵磁調節器、滅磁開關、非線性電阻等設備組成。

金沙水電站位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段，上距觀音巖壩址28.9 km，下距攀枝花城區10.3 km，控制流域面積25.89萬km2，多年平均流量1 870 m3/s，具有日調節能力。金沙水電站為巨型軸流轉槳式水輪發電機組，裝機容量為4×140 MW，勵磁電流達1 710 A，多年平均發電量25.07億kW·h。電站以兩回220 kV電壓等級接入電力系統。電站按無人值班(少人值守)設計，計劃首臺機組投產時間為2020年6月30日。

2 金沙水電站水輪發電機組勵磁系統的設備選型

2.1 勵磁系統的作用

(1)根據發電機負荷的變化相應地調節勵磁電流，以維持機端電壓為給定值；

(2)控制并列運行各發電機間無功功率分配；

(3)提高發電機并列運行的靜態穩定性；

(4)提高發電機并列運行的暫態穩定性；

(5)當發電機內部出現故障時進行滅磁，以減小故障損失程度；

(6)根據運行要求，對發電機實行最大勵磁限制及最小勵磁限制。

2.2 勵磁系統方式的選擇

按供電方式的不同，勵磁系統可以分為它勵和自勵兩大類：

(1)它勵式勵磁系統是指由同步發電機本身以外的電源供電的勵磁系統，這種勵磁系統中的勵磁電源可以是直流發電機或帶有整流裝置的交流發電機，這些勵磁機可以與同步發電機同軸，由同一原動機帶動，也可以由其他原動機獨立帶動。

(2)金沙水電站采用靜止電壓源整流式勵磁系統，即自勵靜止勵磁系統。該系統主要是從同步發電機的端電壓取得能量，通過勵磁變壓器提供交流電源，再經過功率柜全控橋整流輸入到轉子線圈建立旋轉磁場，定子線圈切割磁力線形成感應電壓，再通過勵磁調節器對勵磁電流進行控制，從而達到調節機端電壓的目的。無刷勵磁系統(即旋轉勵磁系統)的旋轉部分發生的事故在以往勵磁系統事故中占有相當大的一部分，但由于自勵靜止勵磁方式取消了旋轉部件，從而大大減少了事故隱患，可靠性明顯優于交流勵磁機勵磁系統，該系統在設計中采用n+1冗余結構，故障元件可在線進行更換，從而有效地減少了停機概率。該勵磁系統對運行、維護的要求相對較低。

2.3 勵磁變壓器的選擇

(1)勵磁變壓器型式的選擇。

勵磁變壓器分為三相型式及分相型式。鑒于金沙水電站勵磁變壓器要與離相封閉母線相配合，因此而采用分相設計結構，這種結構可以完全杜絕發電機出口相間短路的可能性，從而提高了整機的穩定性及安全系數。

(2)金沙水電站勵磁變壓器二次電壓U2N及容量Sn的計算。

①計算依據。

a.滿足發電機在1.1倍額定勵磁電流下長期運行要求并留有裕度；

b.發電機機端電壓下降到80%額定值時，能提供2倍強勵電流。

c.最小控制角α=10°。

②變壓器二次電壓U2N的計算。

按公式(1)計算變壓器二次電壓：

(1)

按公式(1)計算：

U2N=(2×388+6)/(1.35×0.8×0.924 8)=782.9(V)。實際選取U2N=780 V。

(3)變壓器容量Sn的計算。

計算公式：

= 1.1×1.732×780×0.816×1 710

=2 073.6(kVA)

金沙水電站實際選取3個、容量為750 kVA環氧樹脂澆注的單相干式整流變壓器，勵磁變壓器總容量為2 250 kVA，留有0.5%～1%的裕量，滿足金沙水電站勵磁需要。

2.4 滅磁方式的選擇

發電機正常運行時需要勵磁。當發電機停機、檢修和故障時，需要快速、安全地減小勵磁，使發電機的磁通降低到接近于零的過程稱為滅磁過程。安全可靠的滅磁，不僅關系到勵磁系統本身的安全，還直接關系到整個電力系統的安全。

滅磁技術的發展隨著三相全控整流橋電路的出現而發展，分為耗能性(滅弧柵滅磁)和移能型(電阻滅磁)。金沙水電站采用移能型非線性電阻滅磁。

為了保證可靠滅磁，金沙水電站的滅磁采取了以下方式：

(1)正常情況下，采用逆變滅磁方式，指利用三相全控橋的逆變工作狀態，控制角α由小于90°的整流運行狀態突然后退到α大于90°的某一適當角度，此時勵磁電流改變極性，以反電勢形式加于勵磁繞組，使轉子電流迅速衰減到零的滅磁過程；

(2)事故情況下，采用切脈沖并跳滅磁開關的方法；當直流滅磁開關接收到跳閘命令后，跳閘令閉鎖可控硅觸發脈沖并同時觸發跨接器中的兩路反向可控硅；

(3)非線性電阻既用于滅磁，也用于轉子過壓保護，接入轉子回路受控于可控硅跨接器系統。采用可控硅跨接器系統無機械觸點，控制簡單，更為可靠。

2.5 滅磁開關的選擇

滅磁開關是整個勵磁系統中非常重要的設備，滅磁開關從單斷口到雙斷口是一個很大的技術進步，極大地方便了勵磁系統的檢修維護。對于直流勵磁的同步發電機來說，勵磁為正負雙極回路，配上正負雙極滅磁開關，合上運行，跳開停機檢修維護，勵磁裝置與發電機轉子具有雙極隔離斷開點，互不影響。金沙水電站滅磁開關為空氣開斷型、雙斷口、帶有磁場放電觸頭(常閉觸頭)和滅弧裝置的快速直流磁場斷路器(直流滅磁開關)。

一般磁場斷路器額定電流需不低于額定勵磁電流的1.2倍，則：

IR>1.2×IFN=1.2×1 710=2 052(A)

金沙水電站實際選用CEX 06 2560A滅磁開關，額定電流為2 560 A，滿足要求并留有裕量。

2.6 起勵回路

(1)金沙水電站機組采用直流和殘壓起勵兩種方式；

(2)直流起勵電源由電站220 V直流系統供給；

(3)超勵單元采用快速脈沖列觸發技術，實現殘壓起勵。起勵過程中，可控硅整流器的輸入端僅需約5～10 V的電壓即可正常工作。如果電壓低于5 V，可控硅整流器就會被連續地觸發(二極管工作模式)以達到該值；

(4)如果在5 s內殘壓起勵失敗，則起動直流起勵回路，在機端電壓達到發電機電壓的10%時，直流起勵回路自動退出，立即開始軟起勵過程并建壓到預定的電壓水平；

(5)若殘壓起勵和直流起勵均失敗，即接受起勵命令后15 s內建壓不成功，則發起勵失敗信號；

(6)直流起勵電源取自廠用蓄電池電源，起勵器件安裝于滅磁電阻柜內。

2.7 勵磁調節器

隨著計算機科學技術的發展，勵磁控制已向數字化方向發展。數字式勵磁調節器與老式的模擬調節器相比，其在功能、可靠性等方面具有極大的優勢。近期投運的新機組及舊機組改造均已選用微機勵磁調節器，并已取得很好的效果和豐富的經驗，能夠在改善機組、電網穩定性方面起到更大的作用。金沙水電站勵磁調節器采用2套完全獨立的數字式調節器，從電流、電壓互感器到晶閘管觸發脈沖的輸出以及供電電源均為相互獨立的雙重化結構。每套調節器功能完整并分別包括自動電壓調節器(AVR)和勵磁電流調節器(FCR)以及所有必需的輔助設備。

調節器采用熱備用運行方式，它們同時接收輸入的控制與調節信號并執行操作與調節，但只有處于工作狀態的調節器有輸出信號和觸發脈沖。在工作調節器和備用調節器中，自動電壓調節(AVR)之間和勵磁電流調節器(FCR)之間分別進行自動跟蹤，一旦工作調節器發生故障，則備用調節器自動投入運行，實現無擾動切換。當兩臺調節器的自動電壓調節(AVR)同時故障時，能夠自動切換至勵磁電流調節器(FCR)方式運行。

2.8 功率柜的配置

金沙水電站晶閘管整流裝置采用三相全控整流橋且滿足下列要求：

(1)選用雙柜并聯運行模式，每柜裝有一個三相全控整流橋，單柜額定輸出電流3 000 A；

(2)滿足發電機各種工況下(包括強勵)對勵磁系統的要求，整流橋并聯支路數應不小于2，各支路串聯元件數為1；

(3)晶閘管整流橋中并聯支路數按(N+1)原則考慮冗余，整流橋退出1個支路仍能保證機組在所有運行工況下正常運行，包括強勵；

(4)每個功率柜內裝設2套冗余、全容量的冷卻風機。每一套風機能提供每柜所需要的全部冷風，另1套備用。當風機故障時，備用風機能自動投入，能在最大負載下連續運行。

3 結 語

我國部分水電站的勵磁系統設備在運行過程中或多或少存在缺陷，而這些缺陷的產生大多數都是由于當時的歷史條件下技術水平未達到或在水電站建設初期對于勵磁系統設備的選型設計中存在較大的問題。同步發電機自并勵靜止勵磁系統由于運行可靠性高、技術和經濟性能優越等原因，已成為大中型水輪發電機組的主要勵磁方式之一。因此要求在今后的水電站建設中要著重于勵磁系統設備的選型設計，比如對于勵磁運行方式的比較選擇，以及滅磁開關性能的對比等。只有在水電站建設初期做好勵磁系統設備的選型設計，才能夠在一定程度上確保發電機組安全、穩定地運行。