鳳凰水電站壩后電站立軸混流水輪發電機組勵磁系統的組成及功能分析

鄒錫聰

摘要：鳳凰水電廠由水庫、壩后一級電站和下游二級電站組成。壩后一級電站安裝2臺立軸混流水輪發電機組，總裝機容量3.4MW，機端電壓6.3kV。經過變電站升壓為35kV后并入電網。機組勵磁方式為自并勵勵磁。

一、概述

鳳凰水電廠壩后一級電站位于廣東省潮州市鳳凰鎮，是韓江支流鳳凰流域中鳳凰水庫的壩后式電站，裝有二臺1.7WM的立式混流水輪發電機組，設計發電水頭23.5m，最大發電流量17.14 m? /s，機端電壓6.3kv，通過變壓站升壓35kv后并入下游二級電站，機組勵磁方式為自并勵磁。

二、系統的組成

系統主要由1臺調節器、1臺勵磁變壓器、1臺功率整流柜、1 臺滅磁柜組成。

1）調節器。主要由3個調節通道，適配器STD總線、人機界面、接口電路等組成。其硬件包括：1套人機界面、1塊模擬量適配器、1塊現地操作單元板、1個獨立的手動控制通道，2個微機調節通道（每個調節通道包括：1塊A/D轉換，2塊I/O板）、1塊智能 板及相應的繼電路輸出板。

三個調節通道由兩個數字式自動通道和模擬式手動通道組成，采用微機/微機/模擬三通道型。三個通道通過兩條外部總線聯結。這三個通道從測量回路到脈沖輸出回路完全獨立，以主從方式工作，其中1個數字式為主通道，另一個數字通道和模擬式手動通道作為第一備用，第二備用通道。

2）勵磁變壓器戶內干式，三相，環氧樹脂澆注絕緣，2.12MVA，Y/△-11接線，6300/170 V/V。

3）功率柜。每個功率柜的主要部件包括：6個可控硅組件（含可控硅、散熱器、脈沖變壓器、6個帶接點指示的快速溶斷器、可控硅阻容保護裝置、冷卻風機及其控制單元、脈沖功放單元、交流側進壓保護單元。4）滅磁柜。滅磁柜主要元件有滅磁開關，耗能電阻、快速熔斷器、可控觸發器、二極管可控硅、過電壓動作檢測器。

三、工作原理

勵磁電源接于發電機出口端的勵磁變壓器供給，勵磁變壓器提供的交流電源在調節器根據輸入信號和調節準則的控制下，經過功率柜整流為直流電源，再經滅磁柜送到發電機轉子的滑環上，為同步發電機提供激磁電流，為發電機提供可靠性高的勵磁電源，接線較為簡單。（見圖1）

3、系統功能

3.1調節器。

調節器是勵磁系統的核心部分，為保護勵磁系統的可靠性，采用了三通道主從方式運行，二個數字自動通道和1個人工通道，正常方式為第一自動通道工作，第二自動通道及人工通道做為第一備用，第二備用。調節器按發電機電壓偏差或勵磁電流偏差進行調節，以保持發電機端電壓或勵磁電流恒定。

調節器主要包括數據條件、脈沖形成，起勵控制、滅磁控制、監測保護等功能。

1）數據采樣。采用D/A模數轉換處理器，通過采集裝在機端的電壓、電流互感器的交流量，用傅氏算法算出調節所需的有功功率、無功功率、相角等交流信號量，為調節器提供自動調節、保護的有關數據。

2）脈沖形成。由電壓互感器采集系統的電壓波形，用觸發電器產生觸發脈沖，并經過脈沖放大器放大后來觸發整流裝置的晶用管，通過改變觸發控制角來調整整流裝置輸出的勵磁電流。

3）起勵控制。勵磁系統的起勵主要是利用機組剩磁所產生的殘壓來實現殘壓起勵，當機組的殘壓值太低時，則由助起勵電源和起勵回路來提供初始勵磁，當機組電壓達到勵磁裝置工作的電壓值時，則斷開起勵回路，通過自勵建立發電機的電壓。

4）滅磁控制。正常停機時，調節器自動逆變滅磁，當發電機保護或勵磁系統保護動作時，在跳開機端斷路器的同時，給滅磁柜的滅磁裝置發出跳開滅磁開關的信號。

5）監測保護。若監測到是調節器本身出現故障，通過硬件“看門狗”和單片機的故障檢測自動切換至備用通道運行。如果是監測到勵磁系統內部出現故障，如：電源故障、軟硬件故障、PT斷線、整流橋故障、脈沖故障、轉子過熱、通信故障等，并傳給發電機監控系統。由發電機監控系統作出故障式事故保護的快速反應。

3.2功率柜。功率柜的整流裝置是一個執行元件，在調節器的觸發脈沖控制下，調整整流電路晶匣管的導通角，輸出滿足系統需要的勵磁電流值。根據機組勵磁容量的要求，選用了2個三相全控式整流橋。均流系數85%以上。退出一個整流橋時，剩余整流橋仍能滿足機組額定運行的要求。

3.3滅磁柜。滅磁柜的滅磁裝置主要職能是防止非正常停機時，轉子產生過高的感應電壓損壞晶閘管。滅磁裝置原理（見圖2）

勵磁系統正常停機時，調節器自動逆變滅磁；事故停機時，跳滅磁開關將磁場能量轉移到耗能電阻滅磁。工作原理如下：當發電機處于滑極等非正常運行狀態時，在轉子回路中產生很高的感應電壓，此時安裝在轉子回路的轉子過電壓檢測單元A1模塊檢測到轉子正向過電壓信號，馬上觸發V2可控硅元件，將耗能電阻并入轉子回路，通過耗能電阻的吸能作用，將產生的過電壓能量消除；而轉子回路的反向過電壓信號則直接經過V1二極管接于耗能電阻吸能，以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。而且這種保護的存在，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，保護轉子表面及轉子護壞不至于燒壞。

3.4勵磁變壓器。勵磁變壓器一次側接于發電機端，二次側接至整流裝置，為勵磁系統提供交流勵磁電源。

四、結束語

鳳凰水電廠壩后電站2臺機組自投入運行以來，發電機自并勵磁系統運行穩定，調節響應時間短，起勵速度快，并且因接線簡單，沒有主輔勵磁機，軸向尺寸短而節省了投資成本。但是勵磁電源取于發電機端，當發電廠側的線路端發生三相短路時，對于保持系統的暫態穩定是衡量其性能的重要指標，相信通過先進的繼保技術和斷路器技術能彌補自身的弱點。

（作者單位：潮州市鳳凰水電廠）