燈泡貫流式機組勱磁系統均流系數影響因素分析及處置方法研究

張少虹

摘要：發電機勵磁系統是水力發電廠兩大核心輔助設備之一，是控制發電機無功及電壓的核心設備，其可靠性還涉及電網安全。為提高功率單元的可靠性，一般均采用多組功率單元并聯運行的方案，多組功率柜同時工作，在發電機額定工況時，整流橋的均流系數不應低于0.9;在空載額定時，并聯整流橋的均流系數不應低于0.85。隨著勵磁系統運行年限的增加，各種因素的疊加影響，部分水電站勵磁系統均流系數出現降低情況，嚴重影響機組可靠運行。本文結合生產實際經驗，簡要論述影響均流系數的因素，提出一種物理均流的解決方案，在不更換可掛硅等重要部件的情況下，將勵磁系統均流系數恢復至規范要求范圍內。

關鍵詞：勵磁系統、均流系數、物理均流

一、影響均流系數的因素分析

一般情況下，并列運行的功率柜受可控硅本身的特性、裝置結構的排布、運行環境、控制環節等方面的影響。

（一）通態壓降對均流的影響。穩態條件下，單個晶閘管輸出特性之間的差異直接影響電流分配均衡，首先應選擇通態電壓相同的元件并聯，保證靜態均流。

（二）元器件溫度對動態均流的影響。晶閘管正向導通壓降是指在規定條件下晶閘管導通后，通態電流在器件陽極--陰極間所產生的電壓降。晶閘管正向導通壓降由結壓降，體壓降和接觸壓降組成。接觸壓降主要由工藝過程及裝配所決定，與半導體和金屬間的接觸質量，材料性質和組裝質量等有關。

（三）元件開關時間對動態均流的影響。動態電流不均勻是由元器件的開關時間不同步引起的。并聯晶閘管開通時間不一致不緊會造成并聯支路在開通過程中的瞬態不均流，而且對各并聯支路中平均電流的均衡也有較大的影響。

（四）母線配置對靜態均流的影響。對于通態電阻相同的一組并聯元器件，母線的接入方式也會造成電流分配的不平衡。這是因為母線存在電阻，自感以及互感等。另外，在工作電流較大的場合，母線的配置直接影響磁場及回路阻抗分布，導致連接在不同位置上晶閘管流過的電流不同。

綜上所述，影響晶閘管并聯均流的因數有較多，在設計并聯電路時，應盡可能選用參數匹配的器件，對稱的并聯電路布局，并使各種寄生電感最小化，以利于器件并聯運行時達到理想的均流效果。實際運行中，由于受到各種客觀因數限制，往往需要折衷考慮各種影響因數。

二、對發電機組的危害

在多功率整流單元并聯運行的勵磁系統中，由于可控硅或整流二極管特性參數差異，并聯的功率整流元件阻抗有偏差，功率橋結構布局不同，并聯元件交、直流側銅排或電纜阻抗不一致等，導致并聯功率整流橋（或同一相的并聯元件）的輸出電流不相等。當輸出電流嚴重不均衡時，可能造成輸出電流小的整流元件利用率低，輸出電流大的整流元件因過負荷而損壞，對發電機組的安全運行帶來重大隱患。

三、解決方案探索研究

（一）智能物理均流控制原理

采用智能物理均流控制器，原理如下示意圖。Ea、Eb、Ec、為三相勵磁電源，La、Lb、Lc、為勵磁電源各相漏抗及各相聯接電纜電抗之和，1QS、2QS 分別為三相整流橋 1、整流橋 2 的交流輸入開關。三相勵磁電源與整流橋交流輸入開關之間的虛框部分為串接的物理均流控制器。將電抗器與控制部件集中封裝成一個整體，一個進線端 A，兩個 出線端 A1、A2，進線端子 A 與勵磁電源 A 相進線連接，出線端子 A1、A2 分別 接#1、#2 整流橋交流輸入開關進線側。B、C 相與 A 相完全相同，A、B、C 三 相，每相串接一只。

以 B 相為例，L1、L2 為均流電抗器的等值電感。 由電感的定義，L1、L2 的電感量分別為：

控制電抗器副邊電流 I12、I22，改變了上式中分子的大小，副邊電流的改變，同時改變了電抗器鐵芯磁路的磁阻 Rm，最終改變了電抗器 L1、L2 的大小，達到均流的目的。設導通時 I1>I2，控制器根據實測數據，實時調整控制器內部邏輯，使 I12 減小，I22 增大，則電抗器 L1 的鐵芯磁路磁阻減小，磁通量增大，電感量增大;電抗器 L2 的鐵芯磁路磁阻增大，磁通量減小，電感量減小。電感量的變化使 I1 減小，I2 增大，最終使 I1、I2 趨于相等，反之，I1<I2 時，調節過程相反。

由整流橋的換相過程進一步分析可知，通過上述調整，I1= I2，即能保證#1、#2 整流橋+B 相橋臂電流相等，-B 相橋臂電流相等，A 相、C 相的原理與 B 相相 同。三相都接入 控制器后，即能保證兩橋各相橋臂電流都相等，達到兩橋均流目的。

（二）智能物理均流的優點

1、均流系數高，實測安裝后均流系數達 99%，能有效解決功率柜輸出不平衡。

2、對整流橋交直流側銅排（或電纜）布置無嚴格要求，現場適應性強。

3、調節過程智能化，無須人為干預。

4、智能物理均流采用純物理方式，不在可控硅的脈沖回路串接調整電路，可靠性高。

5、智能物理均流失效時，相當于在電路中不起作用，對主回路無影響，安全性高。

6、智能物理均流方式對可控硅或二極管整流橋均適用。

（三）案例應用

內蒙古大唐國際海勃灣水利樞紐開發有限公司安裝四臺燈泡貫流式水輪發電機組，2014年4臺機組投產發電，勵磁系統采用靜止可控硅自并勵方式，雙功率柜并列運行，2021年以來勵磁系統均流系數降至0.85以下，影響機組安全穩定運行。2021年10月實施技術改造，采用智能物理均流方式，將電抗器與控制部件集中封裝成一個整體，一個進線端，兩個出線端，進線端子與勵磁電源進線連接，出線端子分別接#1、#2 整流橋交流輸入開關進線側，見以下示意圖。A、B、C 三相，每相串接一只。改造后，均流系數均達到0.95以上。

結束語：

大中型水輪發電機靜止整流勵磁系統對均流系數有嚴格要求，采用智能物理均流具有精度高、智能化、純物理等特點節，無需更換可控硅及勵磁調節器等重要設備，具有較好的經濟性，為水電站解決勵磁系統均流系數不合格問題提供了新方案。

參考文獻：

[1]DLT 5038-2012 燈泡貫流式水輪發電機組安裝工藝規程、DLT 489-2018 大中型水輪發電機靜止整流勵磁系統試驗規程