大型水輪發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)設(shè)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(fā)有限公司 機電物資部，四川 攀枝花 617068)

1 概 述

勵磁為向發(fā)電機或同步電動機定子提供定子電源、為發(fā)電機等(利用電磁感應(yīng)原理工作的電氣設(shè)備)提供工作磁場的裝置。勵磁設(shè)備對于整個水電站來說是一項極為重要的設(shè)備，是水電站核心輔助設(shè)備。勵磁系統(tǒng)設(shè)備由勵磁變壓器、晶閘管整流裝置、勵磁調(diào)節(jié)器、滅磁開關(guān)、非線性電阻等設(shè)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(qū)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(diào)節(jié)能力。金沙水電站為巨型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組，裝機容量為4×140 MW，勵磁電流達(dá)1 710 A，多年平均發(fā)電量25.07億kW·h。電站以兩回220 kV電壓等級接入電力系統(tǒng)。電站按無人值班(少人值守)設(shè)計，計劃首臺機組投產(chǎn)時間為2020年6月30日。

2 金沙水電站水輪發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)的設(shè)備選型

2.1 勵磁系統(tǒng)的作用

(1)根據(jù)發(fā)電機負(fù)荷的變化相應(yīng)地調(diào)節(jié)勵磁電流，以維持機端電壓為給定值；

(2)控制并列運行各發(fā)電機間無功功率分配；

(3)提高發(fā)電機并列運行的靜態(tài)穩(wěn)定性；

(4)提高發(fā)電機并列運行的暫態(tài)穩(wěn)定性；

(5)當(dāng)發(fā)電機內(nèi)部出現(xiàn)故障時進行滅磁，以減小故障損失程度；

(6)根據(jù)運行要求，對發(fā)電機實行最大勵磁限制及最小勵磁限制。

2.2 勵磁系統(tǒng)方式的選擇

按供電方式的不同，勵磁系統(tǒng)可以分為它勵和自勵兩大類：

(1)它勵式勵磁系統(tǒng)是指由同步發(fā)電機本身以外的電源供電的勵磁系統(tǒng)，這種勵磁系統(tǒng)中的勵磁電源可以是直流發(fā)電機或帶有整流裝置的交流發(fā)電機，這些勵磁機可以與同步發(fā)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(tǒng)，即自勵靜止勵磁系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要是從同步發(fā)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(jīng)過功率柜全控橋整流輸入到轉(zhuǎn)子線圈建立旋轉(zhuǎn)磁場，定子線圈切割磁力線形成感應(yīng)電壓，再通過勵磁調(diào)節(jié)器對勵磁電流進行控制，從而達(dá)到調(diào)節(jié)機端電壓的目的。無刷勵磁系統(tǒng)(即旋轉(zhuǎn)勵磁系統(tǒng))的旋轉(zhuǎn)部分發(fā)生的事故在以往勵磁系統(tǒng)事故中占有相當(dāng)大的一部分，但由于自勵靜止勵磁方式取消了旋轉(zhuǎn)部件，從而大大減少了事故隱患，可靠性明顯優(yōu)于交流勵磁機勵磁系統(tǒng)，該系統(tǒng)在設(shè)計中采用n+1冗余結(jié)構(gòu)，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(tǒng)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(shè)計結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以完全杜絕發(fā)電機出口相間短路的可能性，從而提高了整機的穩(wěn)定性及安全系數(shù)。

(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(jù)。

a.滿足發(fā)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(fā)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(huán)氧樹脂澆注的單相干式整流變壓器，勵磁變壓器總?cè)萘繛? 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(fā)電機正常運行時需要勵磁。當(dāng)發(fā)電機停機、檢修和故障時，需要快速、安全地減小勵磁，使發(fā)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(guān)系到勵磁系統(tǒng)本身的安全，還直接關(guān)系到整個電力系統(tǒng)的安全。

滅磁技術(shù)的發(fā)展隨著三相全控整流橋電路的出現(xiàn)而發(fā)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(tài)，控制角α由小于90°的整流運行狀態(tài)突然后退到α大于90°的某一適當(dāng)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(zhuǎn)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(guān)的方法；當(dāng)直流滅磁開關(guān)接收到跳閘命令后，跳閘令閉鎖可控硅觸發(fā)脈沖并同時觸發(fā)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(zhuǎn)子過壓保護，接入轉(zhuǎn)子回路受控于可控硅跨接器系統(tǒng)。采用可控硅跨接器系統(tǒng)無機械觸點，控制簡單，更為可靠。

2.5 滅磁開關(guān)的選擇

滅磁開關(guān)是整個勵磁系統(tǒng)中非常重要的設(shè)備，滅磁開關(guān)從單斷口到雙斷口是一個很大的技術(shù)進步，極大地方便了勵磁系統(tǒng)的檢修維護。對于直流勵磁的同步發(fā)電機來說，勵磁為正負(fù)雙極回路，配上正負(fù)雙極滅磁開關(guān)，合上運行，跳開停機檢修維護，勵磁裝置與發(fā)電機轉(zhuǎn)子具有雙極隔離斷開點，互不影響。金沙水電站滅磁開關(guān)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(guān))。

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(guān)，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(tǒng)供給；

(3)超勵單元采用快速脈沖列觸發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)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(xù)地觸發(fā)(二極管工作模式)以達(dá)到該值；

(4)如果在5 s內(nèi)殘壓起勵失敗，則起動直流起勵回路，在機端電壓達(dá)到發(fā)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(yù)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(nèi)建壓不成功，則發(fā)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(nèi)。

2.7 勵磁調(diào)節(jié)器

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

調(diào)節(jié)器采用熱備用運行方式，它們同時接收輸入的控制與調(diào)節(jié)信號并執(zhí)行操作與調(diào)節(jié)，但只有處于工作狀態(tài)的調(diào)節(jié)器有輸出信號和觸發(fā)脈沖。在工作調(diào)節(jié)器和備用調(diào)節(jié)器中，自動電壓調(diào)節(jié)(AVR)之間和勵磁電流調(diào)節(jié)器(FCR)之間分別進行自動跟蹤，一旦工作調(diào)節(jié)器發(fā)生故障，則備用調(diào)節(jié)器自動投入運行，實現(xiàn)無擾動切換。當(dāng)兩臺調(diào)節(jié)器的自動電壓調(diào)節(jié)(AVR)同時故障時，能夠自動切換至勵磁電流調(diào)節(jié)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(lián)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(fā)電機各種工況下(包括強勵)對勵磁系統(tǒng)的要求，整流橋并聯(lián)支路數(shù)應(yīng)不小于2，各支路串聯(lián)元件數(shù)為1；

(3)晶閘管整流橋中并聯(lián)支路數(shù)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(nèi)裝設(shè)2套冗余、全容量的冷卻風(fēng)機。每一套風(fēng)機能提供每柜所需要的全部冷風(fēng)，另1套備用。當(dāng)風(fēng)機故障時，備用風(fēng)機能自動投入，能在最大負(fù)載下連續(xù)運行。

3 結(jié) 語

我國部分水電站的勵磁系統(tǒng)設(shè)備在運行過程中或多或少存在缺陷，而這些缺陷的產(chǎn)生大多數(shù)都是由于當(dāng)時的歷史條件下技術(shù)水平未達(dá)到或在水電站建設(shè)初期對于勵磁系統(tǒng)設(shè)備的選型設(shè)計中存在較大的問題。同步發(fā)電機自并勵靜止勵磁系統(tǒng)由于運行可靠性高、技術(shù)和經(jīng)濟性能優(yōu)越等原因，已成為大中型水輪發(fā)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(shè)中要著重于勵磁系統(tǒng)設(shè)備的選型設(shè)計，比如對于勵磁運行方式的比較選擇，以及滅磁開關(guān)性能的對比等。只有在水電站建設(shè)初期做好勵磁系統(tǒng)設(shè)備的選型設(shè)計，才能夠在一定程度上確保發(fā)電機組安全、穩(wěn)定地運行。