某大型水電站滅磁回路及控制技術(shù)分析

羅遠(yuǎn)旺，郭文峰，羅澤文，張鐵平

(中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司白鶴灘水力發(fā)電廠，四川 寧南 615400)

某大型水電站位于中國(guó)西南地帶金沙江下游峽谷河段，該電站的水輪發(fā)電機(jī)組均配置一套由國(guó)電南瑞公司生產(chǎn)的第四代NES6100靜止晶閘管三相全控橋式整流的發(fā)電機(jī)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)。

勵(lì)磁系統(tǒng)作為水輪發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)不可或缺的組成之一，對(duì)保障發(fā)電機(jī)以及電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行起到了非常重要的作用[1]。而目前水輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)額定容量在不斷突破，也導(dǎo)致勵(lì)磁系統(tǒng)電壓、電流的增大，所以對(duì)發(fā)電機(jī)的滅磁技術(shù)及可靠性有了更加嚴(yán)格的要求，因此滅磁系統(tǒng)控制技術(shù)顯得愈發(fā)重要[2]。目前大多數(shù)電站采用的滅磁控制技術(shù)為勵(lì)磁調(diào)節(jié)器逆變及機(jī)械跨接器投入滅磁電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)，在電站實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，曾多次出現(xiàn)滅磁失敗導(dǎo)致重大事故的發(fā)生[3]。本文探討的該大型水電站勵(lì)磁系統(tǒng)采用輔助逆變器及電子跨接器為組合的滅磁控制新技術(shù)，能極大提升滅磁的可靠性。

1 滅磁設(shè)備與滅磁回路

滅磁裝置應(yīng)保證包括發(fā)電機(jī)空載滅磁、發(fā)電機(jī)甩額定負(fù)荷滅磁、發(fā)電機(jī)空載誤強(qiáng)勵(lì)以及機(jī)端三相短路等事故工況下快速、可靠滅磁[4]。該電站發(fā)電機(jī)采用的NES6100勵(lì)磁系統(tǒng)的滅磁方式包括逆變滅磁和事故滅磁。

該大型電站發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的滅磁設(shè)備主要包含直流滅磁開關(guān)S101、交流滅磁開關(guān)S102、滅磁電阻、過(guò)壓跨接器U103以及電子跨接器CRB，其滅磁回路原理如圖1所示。

圖1 滅磁回路構(gòu)成圖

其中勵(lì)磁系統(tǒng)直流滅磁開關(guān)S101為采用法國(guó)雷諾(LENOIR)的CEX06-7500 4.2 TS2000VDC型雙斷口直流磁場(chǎng)斷路器。該斷路器具有兩個(gè)跳閘線圈，額定最大分?jǐn)嚯妷簽? 000 V，額定短路分?jǐn)嗄芰?0 kA，具有良好滅弧性能，能確保發(fā)電機(jī)在各種工況下滅磁時(shí)，能獨(dú)立、成功的開斷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組磁場(chǎng)電流，且不會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)繞組、滅磁電阻、滅磁開關(guān)等設(shè)備產(chǎn)生損壞。

交流滅磁開關(guān)S102采用德國(guó)西門子公司3AH3(3AH3078)交流磁場(chǎng)斷路器，具有兩個(gè)跳閘線圈，額定電壓17.5 kV，額定電流5 000 A，額定短路分?jǐn)嚯娏?3 kA，能切斷勵(lì)磁變低壓側(cè)最大短路電流，可獨(dú)立于直流滅磁開關(guān)S101成功滅磁。

滅磁電阻使用英國(guó)M&I公司生產(chǎn)的SiC(碳化硅)非線性滅磁電阻，其最高允許電壓2 250 V，容量為22 MJ，該容量有20%的冗余度，即80%非線性電阻投入就能滿足發(fā)電機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重事故時(shí)的滅磁要求。

2 滅磁工作原理

發(fā)電機(jī)正常停機(jī)采用逆變滅磁[5]。當(dāng)機(jī)組解列后，電站監(jiān)控系統(tǒng)或現(xiàn)地控制柜向勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)勵(lì)磁退出令，隨后勵(lì)磁調(diào)節(jié)器將觸發(fā)角轉(zhuǎn)為逆變角，把轉(zhuǎn)子繞組中儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量通過(guò)逆變橋轉(zhuǎn)移至發(fā)電機(jī)交流電源側(cè)進(jìn)行吸收。當(dāng)發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓降低至20%額定電壓并且勵(lì)磁電流降低至5%額定電流時(shí)，延時(shí)6 s閉鎖脈沖，然后斷開交流滅磁開關(guān)S102，完成逆變滅磁，逆變滅磁流程如圖2所示。

圖2 逆變滅磁流程圖

當(dāng)發(fā)電機(jī)故障或電網(wǎng)異常引起機(jī)組事故導(dǎo)致保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)，采用跳直流滅磁開關(guān)S101，投輔助逆變器封脈沖，接入滅磁電阻方式進(jìn)行滅磁。即當(dāng)發(fā)生事故時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)接收保護(hù)裝置開出的跳閘令，瞬間啟動(dòng)調(diào)節(jié)器逆變、跳直流滅磁開關(guān)S101、投輔助逆變器封調(diào)節(jié)器脈沖和投入電子跨接器，將滅磁電阻投入，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組與滅磁電阻形成回路。當(dāng)機(jī)端電壓降低至20%額定電壓并且勵(lì)磁電流降低至5%額定電流時(shí)，延時(shí)6 s閉鎖脈沖，若S102已斷開，事故滅磁結(jié)束，事故滅磁流程如圖3所示[6]。

圖3 事故滅磁流程圖

在機(jī)組處于正常運(yùn)行或者滅磁工況時(shí)，若轉(zhuǎn)子繞組兩側(cè)出現(xiàn)過(guò)電壓，則過(guò)壓跨接器U103就會(huì)動(dòng)作，接入滅磁電阻進(jìn)行消除。若持續(xù)出現(xiàn)過(guò)電壓或過(guò)電壓較大，電流繼電器就會(huì)動(dòng)作，跳開直流滅磁開關(guān)及向保護(hù)發(fā)跳閘信號(hào)，執(zhí)行事故滅磁流程。

3 滅磁回路及控制

3.1 輔助逆變器回路及控制

輔助逆變器作為勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的備用脈沖發(fā)生器，在機(jī)組正常停運(yùn)時(shí)，不參與控制；當(dāng)發(fā)生事故時(shí)，用來(lái)切除勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的控制脈沖，可靠地實(shí)現(xiàn)逆變滅磁功能，大大挺高了事故時(shí)發(fā)電機(jī)滅磁的安全和可靠性。

輔助逆變器的組成包含電源模塊、信號(hào)模塊、脈沖模塊及FPGA處理器模塊。電源模塊既為輔助逆變器供電，同時(shí)作為功率柜的脈沖電源，區(qū)別于勵(lì)磁調(diào)節(jié)器脈沖電源，達(dá)到脈沖回路互相獨(dú)立的目的。

輔助逆變器的投入由兩路跳直流滅磁開關(guān)S101分閘信號(hào)開入，使得K532、K542繼電器投入實(shí)現(xiàn)逆變器脈沖控制，輔助逆變器信號(hào)回路如圖4所示。與此同時(shí)繼電器K532、K542線圈勵(lì)磁后，其另一對(duì)常開節(jié)點(diǎn)閉合使得封脈沖繼電器K671、K672線圈勵(lì)磁，K671、K672繼電器常閉節(jié)點(diǎn)斷開，切除來(lái)自勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的脈沖，常開節(jié)點(diǎn)閉合投入來(lái)自輔助逆變器的脈沖，此時(shí)勵(lì)磁功率柜的狀態(tài)由輔助逆變器進(jìn)行控制，封脈沖控制如圖5所示。從跳閘令開出至輔助逆變器脈沖投入的時(shí)長(zhǎng)大約是30 ms，而一般大磁場(chǎng)斷路器分閘動(dòng)作時(shí)間有40～110 ms，也就是說(shuō)輔助逆變器能夠?qū)崿F(xiàn)在磁場(chǎng)斷路器分閘前逆變滅磁，保障事故停機(jī)時(shí)發(fā)電機(jī)滅磁的安全。

圖4 輔助逆變器信號(hào)回路圖

圖5 輔助逆變器封脈沖控制圖

由輔助逆變器回路分析可知，輔助逆變器由滅磁開關(guān)的分閘信號(hào)控制投入，獨(dú)立的脈沖回路及冗余控制回路確保輔助逆變器的投入及封脈沖，實(shí)現(xiàn)功率柜的逆變不依賴勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的正常與否，大大提高了逆變可靠性。

3.2 電子跨接器回路及控制

在勵(lì)磁系統(tǒng)中，電子跨接器是利用電力電子元件來(lái)實(shí)現(xiàn)滅磁電阻的投入與退出過(guò)程控制的一種裝置。當(dāng)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)一次回路處于導(dǎo)通狀態(tài)，而電子跨接器處于斷開狀態(tài)，滅磁電阻不會(huì)接入與轉(zhuǎn)子繞組形成通路[7]。當(dāng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)事故時(shí)，需要斷開滅磁開關(guān)及接入滅磁電阻進(jìn)行故障滅磁，此時(shí)電子跨接器控制可控硅導(dǎo)通，將滅磁電阻接入滅磁回路，滅磁開始[7]。

該電站勵(lì)磁系統(tǒng)滅磁回路采用帶冗余觸發(fā)電路的電子跨接器，電子跨接器回路原理如圖6，勵(lì)磁回路原理如圖7所示。電子跨接器的控制板包括CRB1、CRB2，觸發(fā)電路分成有源觸發(fā)和無(wú)源觸發(fā)兩種方式。

圖6 電子跨接器回路圖

圖7 勵(lì)磁回路原理圖

兩套控制板的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)一致，第一路為經(jīng)一路直流經(jīng)電源模塊后由繼電器節(jié)點(diǎn)控制投入的DC24 V有源控制電源，第二路為經(jīng)另一路直流經(jīng)繼電器節(jié)點(diǎn)投入的DC 220 V無(wú)源自控電源。

有源觸發(fā)電路采用有源多諧振蕩器觸發(fā)方式。在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)接收到直流滅磁開關(guān)S101分閘令時(shí)，兩路投跨接器繼電器K531、K541線圈勵(lì)磁，其中一對(duì)常開節(jié)點(diǎn)閉合，將電子跨接器控制板DC24 V有源控制回路通電，同時(shí)另一對(duì)常開節(jié)點(diǎn)閉合，電子跨接器有源控制開入，控制板產(chǎn)生脈沖信號(hào)控制外部可控硅V109、V110導(dǎo)通，投入滅磁電阻與轉(zhuǎn)子繞組形成回路進(jìn)行滅磁。

無(wú)源觸發(fā)電路主要有隔離繼電器模塊和觸發(fā)信號(hào)模塊，當(dāng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)接收到直流滅磁開關(guān)S101分閘令時(shí)，兩路投跨接器繼電器K531、K541線圈勵(lì)磁，其常開節(jié)點(diǎn)閉合直接將主回路接入觸發(fā)回路使控制板得電，且無(wú)源控制開入，控制板產(chǎn)生脈沖信號(hào)控制外部可控硅V109、V110導(dǎo)通，投入滅磁電阻與轉(zhuǎn)子繞組形成回路進(jìn)行滅磁。

由電子跨接器的控制回路分析可知，跨接器是由滅磁開關(guān)的分合閘信號(hào)來(lái)控制導(dǎo)通和關(guān)斷的，與傳統(tǒng)的機(jī)械跨接器相比具有動(dòng)作時(shí)間短且無(wú)機(jī)械磨損的優(yōu)點(diǎn)。2個(gè)外部可控硅V109/V110與2套控制板及2套觸發(fā)電路組成了滅磁電阻的多重冗余投入滅磁回路的方式及電子跨接器動(dòng)作迅速的特點(diǎn)不僅能實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)快速滅磁，而且增加了滅磁回路的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要闡述該大型水電站勵(lì)磁系統(tǒng)的滅磁配置及滅磁流程，然后對(duì)滅磁系統(tǒng)的輔助逆變器及電子跨接器的控制流程進(jìn)行說(shuō)明。該水電站滅磁回路設(shè)計(jì)與其他水電站傳統(tǒng)滅磁回路相比，增加了輔助逆變器的新技術(shù)應(yīng)用，同時(shí)對(duì)跨接器回路進(jìn)行了改進(jìn)，采用多重冗余觸發(fā)電路電子跨接器，其設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，一是輔助逆變器的應(yīng)用使得勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行事故滅磁時(shí)，逆變工作狀態(tài)不再依賴勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，提升了滅磁的可靠性；二是電子跨接器回路多重冗余配置極大地提升了滅磁電阻投入的可靠性。從該大型水電站滅磁回路進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，其滅磁可靠性非常高，因該大型水電站目前尚未投運(yùn)，其滅磁性能還需要經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及運(yùn)行驗(yàn)證，但可供行業(yè)內(nèi)其他大型水電站滅磁回路設(shè)計(jì)參考借鑒。