水輪發電機勵磁系統更新改造與應用

李 霞

（國電電力發展股份有限公司和禹水電開發公司，遼寧 本溪 117200）

目前，仍有部分水輪發電機還采用直流勵磁機勵磁方式，存在勵磁裝置結構復雜，存在滯后環節，響應時間長，動態性能差等缺點，無法滿足現行行業標準中勵磁系統模型參數指標要求，也不滿足流域水電站智能化集控控制要求。本文以桓仁電站2 號發電機直流勵磁機勵磁系統改造為目前運用成熟的自并勵勵磁系統為例，分析解決向自并勵勵磁系統過渡的技術難題，實現勵磁系統單一控制方式向數字化、智能化進行過渡。

1 勵磁系統改造問題解析

1.1 對機組動力穩定性的影響

機組軸系的臨界轉速直接影響機組的安全運行，為保證機組導軸承載荷，機組的動力穩定特性，采用不拆除直流勵磁機，只拆除勵磁機碳刷及直流引線，避免勵磁系統改造對機組軸系動力穩定的影響。

1.2 對繼電保護的影響

機組繼電保護增加了勵磁變過流、速斷、溫度保護，作用于跳發電機出口斷路器、滅磁開關、停機，溫度保護告警等，并采用記憶過電流及阻抗保護等方法保證繼電保護動作可靠。

1.3 對電力系統穩定性的影響

自并勵勵磁系統調節速度快，勵磁電壓在幾個周波內就能達到頂值，故障切除后的發電機電勢能夠迅速提高。勵磁系統改造后較好地改善了電力系統暫態穩定及功角穩定，提高了電壓穩定水平。

1.4 對電氣設備的調整及布置影響

利用原勵磁裝置盤柜位置安裝新盤柜，額外增加箱式勵磁變壓器位置。勵磁變高壓側動力電纜從發電機出口內側母排接引，滅磁柜連接轉子側的直流動力電纜接引方式不變，電纜布置于橋架槽盒中，電氣設備調整及布局優化、合理。

2 勵磁系統改造硬件配置

根據勵磁系統改造需要解決的問題及整體規劃進行硬件配置，該系統由起勵回路、勵磁變壓器、勵磁調節器、功率整流柜、滅磁回路及測量用電壓互感器、電流互感器、數字化通信網絡等組成。

2.1 智能快速起勵方式

采用高頻脈沖列的智能低殘壓快速起勵技術，實現殘壓起勵，設計起勵回路及相應設備。

2.2 勵磁變壓器

以勵磁回路容量、二次側電壓、發電機定額勵磁電壓、額定勵磁電流為設計計算依據，根據國家和電力行業的相關標準及規程規范，并結合機組運行工況對勵磁變壓器進行選擇。勵磁變壓器為戶內、無勵磁調壓、環氧樹脂澆注全密封的三相組合式干式變壓器，勵磁變的容量選擇考慮與勵磁系統強勵能力相配合，保護定值與勵磁系統強勵能力相協調，防止機組強勵過程保護誤動作，水輪發電機勵磁系統頂值電壓倍數一般為1.5～2，本次勵磁改造，勵磁系統頂值電壓、電流倍數選擇2 倍，允許強勵時間應不小于10 s。

為改善可控硅整流橋電壓波形，變壓器宜采用星形-三角形接線。

2.3 智能一體化自動勵磁調節系統裝置

自動勵磁調節系統通常由勵磁調節器、勵磁功率單元兩部分構成。

2.3.1 勵磁調節器

本次改造對勵磁調節器進行了硬件配置、組件軟件、控制邏輯及參數設置等綜合改造。選用高性能的EXC9200 型定制化生產設計的調節器，電壓等調節精度優越。同時具有多通道冗余能力，通道間切換基于優先級方式，最大限度降低勵磁裝置強迫退出運行的概率，采用分布式控制架構，實現勵磁系統的操作、顯示、狀態和故障監測等智能一體化，利用電站現場總線技術實現數據實時遠傳，便于電站動態監控勵磁系統運行工況。

2.3.2 勵磁功率單元

智能化功率柜配置了智能控制單元，具有風溫、三相勵磁電流檢測和風機檢測等附加功能，實現控制、顯示和故障報警等功能，并通過 CAN 總線或光纖通信與勵磁調節器通信，形成智能一體化的系統。在智能化功率柜中更實現了功率柜間的橋臂均流系統電磁兼容技術，電磁兼容能力均優于標準要求的3 級水平。整流功率柜中采用雙套冗余三相橋式全控整流電路，兩個并聯全控支路互為熱備用，保證發電機在強勵所有運行工況下均能持續運行。功率柜中配備智能化風機控制系統，根據開機令或電流輸出值啟停風機，風機互為備用，故障時，發出報警信號。

2.4 數字化 CAN 總線及光纖數字通信系統

勵磁調節器內部具備雙CAN 總線，脈沖傳輸采用光纖傳輸方式，脈沖傳輸回路經過專門的電路處理，具有較強的抗干擾能力。對外通信接口根據機組監控、國網傳輸要求等特點，采用千兆自適應以太網、光纖通信、IEC0870-5-104 等通信協議，采用雙機四網冗余配置。現地人機接口使用工業級觸摸屏、PLC 配置串口通信管理模塊，實現現地LCU 與外圍設備的串口通信；本體LCU 柜設現地交換機，通過光纖環網接入主干網交換機，可以將模件和端配板分開布置在兩個盤柜內，通過使用加長的專用電纜連接，保證改造前后外部線可以正常接入新的屏柜。

2.5 智能化滅磁柜

發電機正常停機時采用逆變滅磁，事故停機采用磁場斷路器加非線性電阻滅磁方式。

2.5.1 智能滅磁柜

滅磁柜智能控制板的核心控制芯片為 ARM，智能化滅磁柜取消了常規表計和指示燈，滅磁柜的操作、控制、狀態監視、信息傳遞、信息顯示等均實現了智能化，滅磁柜故障、狀態信號，可通過 CAN 總線或光纖通信傳送到調節柜進行處理。

2.5.2 磁場斷路器

在發電機勵磁繞組主回路中設置一臺雙斷口磁場斷路器，其分斷電流的最大值不低于3 倍額定工作電流，最小值不高于6%額定工作電流，確保磁場斷路器在正常強勵和各種異常故障等工況下跳閘時，保證足夠的斷口弧壓，形成足夠的轉子反向電壓。

2.5.3 滅磁電阻

勵磁繞組的滅磁過電壓保護裝置采用氧化鋅非線性電阻，是目前所知的最理想的滅磁及過電壓保護材料，它具有單位體積能容量大，保護性能好，漏電流小，老化壽命長等優點。

2.5.4 智能化轉子溫度告警

滅磁柜智能控制板通過計算轉子繞組的電阻來估算轉子溫度，實度轉子溫度的監控。

2.6 互感器

因勵磁方式改造前后發電機額定參數不變，因此電壓互感器、電流互感器可不必更新。

3 勵磁系統主要設備參數與型號選擇

3.1 勵磁變壓器

3.1.1 發電機參數

額定容量：106 MVA；額定功率：90 MW；額定機端電壓：13.8 kV；額定電流：3 690 A；額定功率因數：85%；轉子額定電流：1 350 A；轉子額定電壓：316 V；額定空載勵磁電壓：120 V；額定空載勵磁電流：608 A。

3.1.2 勵磁變參數計算（按發電機待增容參數計算）

（1）額定二次電流計算

（2）額定二次電壓計算

自并勵靜止勵磁系統頂值電壓在發電機額定電壓時不低于2.25 倍額定勵磁電壓，因此按如下公式計算變壓器二次電壓：

Utn=（2.25Ufn+ΔUT）/[1.35×（cosa-c×Ucc×lp/Ifn）]

式中，ΔUT為電流回路中線路壓降，包含可控硅總壓降及電纜壓降，一般取6 V，c 為傾斜系數，三相全控整流橋取0.5。

Utn=（2.25×335+6）/[1.35×（cos10°-0.5×0.08×2）]=622 V

實際選擇Utn=630 V。

（3）額定視在功率計算

勵磁變壓器容量選擇考慮高海拔參數修正與校驗，并留有14% 的裕度，電站所在地海拔高度＜1 000 m，無需進行修正。

3.2 起勵回路計算

3.2.1 最小起勵電流

Iff=2%lfo=0.02×690 A=13.8 A

起勵電阻的電壓降

Ur=Uff-Ud-Ub-Iff（R75℃+Rc），Rc 是起勵回路的電纜電阻，電纜規格是 4 mm，共3 m 長。

Rc=1.6×10～2×（1+0.004 3×100）×3/4=0.017 Ω，Ur=220 V-2 V-2 V-13.8 A×（0.205 3 Ω +0.017 Ω）=212.9 V，起勵電阻Rp=Ur/Iff=212.9 V /13.8 A=15.4 Ω，電阻功率Pf=Iff×Rp=13.8 A×15.4 Ω =2 932.8 W。

起勵電阻的額定功率可以選擇Pr=10%Pf=0.1×2 932.8 W=293.3 W。

3.2.2 起勵回路參數確定

起勵電源：直流220 V；起勵電阻：10 Ω；起勵電阻的額定功率：1 000 W；起勵接觸器額定電流：100 A；續流二極管額定電壓、電流：1 800 V、120 A。

3.3 晶閘管及快熔計算

（1）晶閘管反向重復峰值電壓

（2）晶閘管通態平均電流計算

In≥Ksa×Kji×Id×[K4/（K2×K5×K6）]，其 中，Ksa-電流儲備系數，取2；Kji-電路系數，對三相全控橋取0.367；K4-海拔高度系數，取1.1；K6-風速降低，溫度上升系數，取0.9；K2-風速系數，6 m/s，取1.0；K5-環境溫度系數，40℃時取1.0；Id-單橋標稱輸出電流，2 000 A。

根據上式，In≥2×0.367×2 000×[1.1/（1×1×0.9）]=1 794.2 A，實際選取的晶閘管元件通態平均電流In=2 060 A。

整流橋并聯數np=lp/（K7×In），式中K7為均流系數，按最嚴重情況取0.85；lp 為強勵頂值電流，計算得np=（2×1 350）/（0.85×2 060）=1.54。兩個整流橋可滿足強勵工況運行要求，若只考慮1.1 倍額定勵磁電流長期運行，np 為0.85，即單橋就可滿足長期運行需求。

3.4 滅磁電阻計算

3.4.1 滅磁殘壓計算

滅磁電阻是非線性的，材料是ZnO，它與跨接器的配合，既用于滅磁，又用于轉子過電壓保護。根據標準IEC60034-1，在額定磁場電壓高于500 V 時，其轉子繞組耐壓水平應至少為額定值的10 倍，即：Ufn×10=335 V×10=3 350 V

另外，滅磁電阻應能有效抑制轉子電壓并使其不超過轉子繞組對地耐壓值的50%，但不得低于30%，因此滅磁電阻的殘壓值可在1 421.1～2 368.5 V間選取。

同時，滅磁電阻殘壓值還不得高于滅磁開關的最大斷弧電壓，對于選定的滅磁開關E2N/EMS-1 600 A/1 000 V，該值為1 200 V，為保證滅磁時磁場能量能夠順利轉移至滅磁電阻，滅磁殘壓的選擇也是宜低不宜高，因此最終選擇滅磁殘壓值為1 100 V。

3.4.2 滅磁能量計算空載誤強勵工況下轉子繞組儲存的能量可由以下公式計算得出；

Wf=0.5×R75℃×T'do×Ifo×2Ifn=0.5×0.22×75 s×690 A×2×1 350 A=1 536 975 J=1.54 MJ滅磁電阻的額定能容應按上式計算結果的70%選取并留有20%的裕度，即

Wf×0.7×1.2=1.54 MJ×0.7×1.2=1.29 MJ，實際選取 1.44 MJ。

3.4.3 轉子過電壓保護設定值選取

整流橋的換相過電壓可以達到勵磁變壓器二次側電壓的峰值的 2.5 倍，即×630 V=2 227.1 V

轉子過電壓保護的設定值應該不低于上述值，且不得高于轉子繞組對地耐壓水平的70%，即，實際選取2 400 V。

3.5 滅磁開關計算

3.5.1 額定電壓

額定電壓應不低于轉子回路長期運行電壓的最大值，也就是勵磁變壓器二次電壓的峰值電壓，即

Ue≥×630 V=890.8 V，所選開關的額定電壓值為1 000 V。

3.5.2 額定電流計算Iu≥1.1×Ifn=1 485 A，所選開關的額定電流值1 600 A。

4 勵磁系統軟件設計及效果

4.1 勵磁調節功能

勵磁調節器的調節通道具有兩種運行方式，自動方式和手動方式，自動方式是主要運行方式，手動方式是輔助運行方式，不允許長時間投入運行。自動方式為恒機端電壓調節，手動方式為恒勵磁電流調節。發電機起勵建壓后，兩種運行方式相互跟蹤，兩種運行方式之間可以人工切換，機端PT 故障時由自動方式自動切換為手動方式。

4.2 軟啟勵控制

為了防止在發電機起勵建壓過程機端電壓出現較大的超調，設置軟起勵控制功能。勵磁調節器接收到開機令后，首先置自動方式的電壓給定值為30%，起勵升壓后，當機端電壓大于 30%額定值后，調節器再以一個可調整的速度逐步增加電壓給定值到預置值，使發電機電壓逐漸上升。

4.3 通道跟蹤

通道間實現了精度更高的脈沖跟蹤，實現通道切換前與通道切換后，系統狀態一致。切換過程中，系統無波動，兩套調節器的采樣系統一致性好，在全范圍內的采集結果基本相同。同步移相環節一致性好，可以保證兩套調節器控制信號相同時，輸出脈沖一致。

4.4 勵磁保護功能

勵磁電流頂值和強勵反時限限制、欠勵、V/F、過無功限制、定子電流限制的作用在勵磁調節器中通過勵磁保護限制器來實現，按照勵磁要求計算整定。

5 勵磁系統改造前后性能對比

發電機勵磁系統改造符合國家、行業相關技術標準、性能和技術指標，滿足國網公司PSS、建模、進相等涉網試驗標準要求，直流勵磁機勵磁系統改造為自并勵靜止勵磁系統性能對比見表1。

表1 改造前后勵磁系統性能對比表

6 結論

通過勵磁系統創新改造，將終端智能設備和物聯網技術融合，實現了勵磁系統設備智能化管理，提高了水輪發電機組運行的安全性、穩定性，為水電站勵磁系統智能化改造提供了定制化解決方案，此項技術在東北其他水電站得到推廣應用。