巨型水輪發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

陳小明，王德寬，朱必良，劉喜泉，謝燕軍

（1.中國長江電力股份有限公司，湖北省宜昌市 443002；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京市 100038；3.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇省南京市 210061）

0 引言

隨著長江三峽水利樞紐工程的建設(shè)，我國一大批700MW水輪發(fā)電機及其附屬設(shè)備從引進、消化、吸收到再創(chuàng)新，實現(xiàn)了巨型水輪發(fā)電機及其附屬設(shè)備的國產(chǎn)化，并形成和提高了大型晶閘管自并勵勵磁系統(tǒng)諸多關(guān)鍵技術(shù)。

巨型水輪發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)，由勵磁調(diào)節(jié)器、勵磁變壓器及整流柜、滅磁及轉(zhuǎn)子過電壓保護裝置等組成，本文將依次總結(jié)和闡述最新的設(shè)計理念和關(guān)鍵技術(shù)。

1 大型勵磁系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 RISC微處理器應(yīng)用技術(shù)

基于RISC構(gòu)架的微處理器已經(jīng)成為大型勵磁調(diào)節(jié)器核心控制器，顯著提高了勵磁調(diào)節(jié)器硬件水平和整體性能。

大型勵磁調(diào)節(jié)器至少采用雙通道，每一個通道至少由2塊以上微處理器控制板組成。微處理器從軟件架構(gòu)上可分為復(fù)雜指令集（CISC）和精簡指令集（RISC），又稱為馮諾依曼結(jié)構(gòu)（X86）和的哈佛結(jié)構(gòu)，前者主要應(yīng)用在服務(wù)器領(lǐng)域，后者主要應(yīng)用在自動控制領(lǐng)域。在勵磁控制中，大型勵磁系統(tǒng)過去采用CISC芯片，現(xiàn)在升級為RISC芯片已經(jīng)成為趨勢，如UNITROL 5000采用80186芯片，現(xiàn)在UNITROL 6000采用PowerPC芯片。大型勵磁系統(tǒng)主要采用RISC構(gòu)架的微處理器芯片，如DSP、ARM或PowerPC、FPGA等。國產(chǎn)NES 5100勵磁控制器芯片配置如圖1所示。

圖1 NES 5100微處理器芯片配置Fig.1 The configuration of NES 5100 microprocessor chip

在圖1中，ARM微處理器負(fù)責(zé)運行VxWorks操作系統(tǒng)，主要完成板件上的所有通信相關(guān)的任務(wù)和錄波、記錄的存取等工作。數(shù)字信號處理的微處理器芯片DSP，主要完成模擬量的采樣、計算，開入的讀取，保護邏輯的判斷，出口控制等?，F(xiàn)場可編程門陣列FPGA負(fù)責(zé)勵磁邏輯運算和控制等。多芯片協(xié)同工作，極大提高了運算速度和可靠性。

1.2 光纖網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)

基于光纖網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)已經(jīng)成為大型勵磁調(diào)節(jié)器主要發(fā)展方向。

大型勵磁系統(tǒng)應(yīng)配置多個串口，支持標(biāo)準(zhǔn)的主/從模式MODBUS RTU協(xié)議；應(yīng)配置多個網(wǎng)口，除支持傳統(tǒng)的IEC103、MODBUS TCP/IP等協(xié)議外，還全面支持IEC61850通信協(xié)議，應(yīng)向電站監(jiān)控系統(tǒng)上送所有測量值、參數(shù)、波形，為運行管理和設(shè)備診斷分析提供技術(shù)支撐。

勵磁系統(tǒng)內(nèi)部通信技術(shù)發(fā)展較快，首先是UNITROL 5000率先采用ARCnet通信技術(shù)，并且成為調(diào)節(jié)器不可分割的部分，后因其故障后影響整個勵磁系統(tǒng)正常運行遭到摒棄。國內(nèi)勵磁系統(tǒng)主要采用CAN通信技術(shù)，可實現(xiàn)控制模塊之間的非脈沖信號的信息傳遞。現(xiàn)在開始采用網(wǎng)絡(luò)化和光纖化的通信技術(shù)，傳遞信息極為豐富?；诠饫w網(wǎng)絡(luò)的分布式國產(chǎn)勵磁系統(tǒng)IAEC-6000光纖通信網(wǎng)絡(luò)如圖2所示[1]。

圖2 IAEC-6000的光纖通信網(wǎng)絡(luò)Fig.2 The network of IAEC-6000 optical fiber communication

在圖2中，每一個整流柜配置1個與控制通道完全相同的控制器，并且用電阻降壓方式（非變壓器）測量整流柜的交流輸入電壓，能夠得到晶閘管同步電壓和發(fā)電機電壓，使其具備產(chǎn)生移相脈沖和獨立AVR運行功能。正常運行時，在線控制通道向整流柜輸出控制電壓，其中一個整流柜根據(jù)同步電壓計算晶閘管脈沖角度，并帶領(lǐng)其他整流柜運行；在線通道故障，切換至備用通道運行；雙控制通道故障，其中一個整流柜帶領(lǐng)其他整流柜AVR運行；該整流柜故障，切換至其他整流柜AVR運行。IAEC-6000創(chuàng)新了2+N新冗余方式，2是兩個控制通道，N是整流柜數(shù)量，提高了勵磁控制系統(tǒng)冗余度。

未來的勵磁系統(tǒng)通信，將打破現(xiàn)有的內(nèi)外通信有別的格局，并且更加廣泛采用光纖通信技術(shù)。根據(jù)IEC61850協(xié)議技術(shù)體系，智能發(fā)電站將由智能化一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備在相同的通信協(xié)議下分層構(gòu)建，使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)建模及數(shù)據(jù)通信平臺，設(shè)備的信號輸出和控制輸入均被數(shù)字化，利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)進行傳輸，實現(xiàn)智能設(shè)備間的信息共享和互操作。勵磁系統(tǒng)作為發(fā)電機控制系統(tǒng)的一個智能設(shè)備，將參與和互享全數(shù)字通信信息。

1.3 AVR PID模型應(yīng)用技術(shù)

大型勵磁調(diào)節(jié)器AVR廣泛采用標(biāo)準(zhǔn)PID模型，且串聯(lián)PID的應(yīng)用越來越廣泛。

現(xiàn)在勵磁控制系統(tǒng)規(guī)律大多采用傳統(tǒng)經(jīng)典控制理論，即PID+PSS。AVR模型的核心是PID結(jié)構(gòu)，主要分為并聯(lián)和串聯(lián)模型。

并聯(lián)PID傳遞函數(shù)為：

式（1）中，KP為比例增益（動態(tài)增益）；Ti為積分時間常數(shù)；KD為微分增益；Tr為濾波時間常數(shù)。

水電勵磁的AVR PID，僅采用PI調(diào)節(jié)，如NES 5100采用并聯(lián)PID，其傳遞函數(shù)和典型參數(shù)如式（2）所示，動態(tài)和暫態(tài)增益均為60，靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)增益無窮大。這里，積分時間常數(shù)采用積分增益表達，二者可進行倒數(shù)變換。

受模擬式勵磁調(diào)節(jié)器采用由運算放大器組成的并聯(lián)PID影響，早期的微機勵磁調(diào)節(jié)器采用并聯(lián)PID，現(xiàn)在有逐步改用串聯(lián)PID的趨勢，如IAEC-6000。串聯(lián)PID傳遞函數(shù)為：

式（3）中，KS為串聯(lián)PID的穩(wěn)態(tài)增益（直流增益），是指發(fā)電機電壓波動頻率小于1/βT1后的AVR放大倍數(shù)；（1+T1s）/（1+βT1s）為滯后環(huán)節(jié)，β一般為 5～10 ；（1+T2s）/（1+γT2s）為超 前 環(huán) 節(jié)，γ一般為0.1～0.2；Kd為動態(tài)增益（比例增益），是指發(fā)電機電壓波動頻率在1/T1和1/T2之間的AVR放大倍數(shù)，Kd=KS/β；Kt為暫態(tài)增益（高頻增益）是指發(fā)電機電壓波動頻率大于 1/γT2后的 AVR 放大倍數(shù)，Kt=KS/（β·γ）。由此可見，串聯(lián)PID的增益是隨發(fā)電機電壓波動頻率而變化的，其幅頻特性如圖3所示。

圖3 串聯(lián)PID幅頻特性Fig.3 The series PID amplitude-frequency characteristic

UNITROL 5000和UNITROL 6000均采用串聯(lián)PID，典型參數(shù)：靜態(tài)增益Ks=350；T1=1.0s和β=5，即靜態(tài)增益在發(fā)電機電壓波動頻率達到0.2Hz后開始下降，直到1Hz后降為動態(tài)增益Kd=70。水電勵磁一般不設(shè)微分，故γ=1，T2可為0.1s或其他數(shù)，暫態(tài)增益等于動態(tài)動態(tài)，即Kt=Kd=70。

1.4 發(fā)電機轉(zhuǎn)子ω計算方法

在雙輸入PSS模型中，獲取發(fā)電機轉(zhuǎn)子角速度ω至關(guān)重要，也是應(yīng)用雙輸入PSS的最關(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)，大型勵磁調(diào)節(jié)器至少已有三種計算方法成熟應(yīng)用。

基于IEEE Std 421.5的PSS模型分類，可以分為單輸入和雙輸入PSS。PSS1A是單輸入PSS，輸入量主要采用發(fā)電機有功功率P，這是一個勵磁調(diào)節(jié)器已經(jīng)計算獲取的信號，PSS1A直接調(diào)用即可。PSS-2B是廣泛應(yīng)用的雙輸入PSS，一個輸入量是發(fā)電機有功功率P，另一個輸入量是發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n或角速度ω。還有一些其他類型的PSS，比如多頻段PSS4B，也需要ω信號。

早期的勵磁調(diào)節(jié)器和小型勵磁系統(tǒng)，采用發(fā)電機機端電壓頻率f代替PSS輸入量ω，但是，現(xiàn)在的大型勵磁系統(tǒng)絕不能再采用此方法。仿真研究表明，采用發(fā)電機機端電壓頻率作為PSS的ω輸入信號，在某些運行方式下會降低系統(tǒng)阻尼，達不到PSS提高系統(tǒng)阻尼和抑制低頻振蕩的目的。

理論和仿真證明，發(fā)電機內(nèi)電勢EQ或Eq頻率等同于發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，雙輸入PSS應(yīng)采用內(nèi)電勢頻率作為ω輸入信號。

過去采用硬件電路獲得發(fā)電機的內(nèi)電勢信號，再通過測量內(nèi)電勢信號的頻率直接獲得ω信號，由于不能在線整定參數(shù)，限制了該方法和雙輸入PSS的應(yīng)用?，F(xiàn)在主要采用軟件計算ω方法，成熟應(yīng)用的方法至少有三種：一是通過求解電勢三角形求得內(nèi)電勢的大小，再求解內(nèi)電勢與發(fā)電機機端電壓的夾角，進而求得內(nèi)電勢的角頻率[2]；二是利用αβ坐標(biāo)系中的內(nèi)電勢Eq與α軸夾角的變化率直接求信號ω[2]；三是通過求解發(fā)電機三相內(nèi)電勢瞬時值，進而計算當(dāng)前相位合成內(nèi)電勢相量當(dāng)前相位值θ1，在經(jīng)過采樣周期ΔT之后的另一采樣時刻θ2，從而得到ω[3]。

1.5 限制器的配置和配合原則

大型勵磁調(diào)節(jié)器應(yīng)配置防止勵磁過載或欠載的限制器，各限制器之間、各限制器與繼電保護之間，應(yīng)協(xié)調(diào)一致。

應(yīng)配置過勵、欠勵和伏赫限制器，可配置最小勵磁電流限制、過無功限制或定子電流限制器。各勵磁限制區(qū)域和限制器之間的配合典型特性，如圖4所示。

過勵限制應(yīng)具有強勵反時限和瞬時限制特性，應(yīng)與轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護定值相配合，典型配合特性如圖5所示。

欠勵限制應(yīng)與發(fā)電機失磁保護定值相配合。最小勵磁電流限制可作為欠勵限制失效后的后備限制器。伏赫限制應(yīng)與發(fā)電機和變壓器過激磁能力低者相匹配。定子電流限制的死區(qū)應(yīng)可調(diào)整，進相運行時的定子電流限制應(yīng)瞬時動作，滯相運行時的定子電流限制應(yīng)采用反時限特性，應(yīng)與發(fā)電機定子過負(fù)荷保護定值相配合。

工程實踐中，過無功限制器可以替代定子電流限制器，即替代滯相定子電流限制器，并取消了進相定子電流限制器。過無功限制器應(yīng)按照大于發(fā)電機額定無功值整定，其動作延時時間應(yīng)大于強勵整定時間。

國外勵磁調(diào)節(jié)器，還配置有過勵、欠勵、伏赫、定子過流限制失效保護。在我國應(yīng)用的原則應(yīng)如下：工作通道限制器失效應(yīng)切換通道，只有當(dāng)備用通道限制失效，即雙通道限制器失效才啟動保護跳閘；限制失效保護與繼電保護具有相同保護功能時，應(yīng)閉鎖勵磁限制失效保護；勵磁限制失效保護只有在繼電保護未配置時可投入，并且要按照繼電保護的技術(shù)規(guī)范進行整定和校驗。

圖4 各勵磁限制區(qū)域及典型配合Fig.4 The diagram of each excitation limitation area and typical matching

圖5 過勵限制與過負(fù)荷保護特性配合Fig.5 The matching of the over-excitation limitation and the over-load protection characteristic

1.6 監(jiān)測和保護功能可靠性技術(shù)

勵磁系統(tǒng)的監(jiān)測以及保護功能一定要可靠，應(yīng)采取各種冗余措施防止其誤動。

勵磁調(diào)節(jié)器應(yīng)配置發(fā)電機電壓互感器（TV）斷線監(jiān)測，應(yīng)能準(zhǔn)確判斷并切換通道或轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)模式，不能因此產(chǎn)生勵磁誤強勵。按照我國技術(shù)規(guī)范，TV高壓側(cè)宜配置額定電流為0.5A的高壓熔斷器，由于工藝和應(yīng)用環(huán)境等原因，有時會出現(xiàn)TV慢慢熔斷的故障，此時的勵磁TV斷線監(jiān)測不會動作，使得發(fā)電機無功大幅波動并增加。如果不及時切換通道和減磁，會造成繼電保護動作跳閘。因此，TV慢熔監(jiān)測非常重要，應(yīng)是TV斷線監(jiān)測功能的補充。TV慢熔監(jiān)測方法可以非常簡單：在保留已有的TV斷線監(jiān)測功能基礎(chǔ)上，增加一個低整定值延時報警功能即TV慢熔監(jiān)測，提醒電站人員檢查和處理。

大型勵磁調(diào)節(jié)器，宜配置發(fā)電機空載過電壓保護，其本質(zhì)是勵磁空載誤強勵保護。空載過電壓整定值應(yīng)低于繼電保護裝置的發(fā)電機過壓保護定值，宜設(shè)置1.2倍延時0.1s，可直接跳滅磁開關(guān)，也可以逆變滅磁或封閉脈沖。

勵磁裝置磁場斷路器跳閘，應(yīng)配置由繼電保護裝置驅(qū)動的外部跳閘回路（外部保護），由勵磁系統(tǒng)自我判斷并動作跳閘回路（內(nèi)部保護），首先不應(yīng)與保護裝置相沖突和重復(fù)；其次勵磁保護投入運行前必須經(jīng)過驗證和校驗。應(yīng)取消或采取措施防止單元件或單電源故障造成勵磁雙通道故障跳閘；由繼電器接點組成的勵磁保護，宜采取雙接點串聯(lián)方式，一般不能允許單個輕載繼電器單一接點連鎖跳閘或封脈沖。

1.7 晶閘管選型和結(jié)溫計算技術(shù)

晶閘管是現(xiàn)代勵磁系統(tǒng)的核心元件，其設(shè)計選型，特別是運行溫度計算，是大型勵磁系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運行的保證。

大型勵磁整流柜應(yīng)采用晶閘管全控橋電路，并N+1冗余（國外稱為N-1）配置，其含義是：整流橋的輸出電流應(yīng)在退出1柜之后仍然能夠滿足所有工況運行的要求，退出2柜之后仍然能夠滿足1.1倍額定勵磁電流的運行工況的要求。

整流橋允許的最大輸入電壓應(yīng)不小于1.5倍發(fā)電機額定機端電壓，其額定輸出電壓應(yīng)滿足額定工況和強勵工況的勵磁電壓要求。

晶閘管單管所能承受的正反向重復(fù)峰值電壓的選擇應(yīng)滿足式（4），即應(yīng)大于勵磁變壓器低壓側(cè)額定線電壓峰值的2.75倍。

式中，VRRM是晶閘管單管所能承受的正反向重復(fù)峰值電壓；U2N是勵磁變額定二次電壓；Ku稱為電壓裕度系數(shù)，Kb稱為過電壓倍數(shù)，二者之積可取2.75。

為了保證晶閘管安全運行，各種工況下晶閘管設(shè)計結(jié)溫都不應(yīng)超過110℃，即小于晶閘管最大允許的125℃，其結(jié)溫按式（5）計算（4）：

式中，TC（max）為晶閘管設(shè)計最高結(jié)溫 ；Rthha（max）為散熱器的熱阻；Rthjh為晶閘管的結(jié)-散熱器熱阻；PTOT為單個晶閘管的總損耗；TA為環(huán)境溫度；PT為通態(tài)損耗；PON為開通損耗；POFF為關(guān)斷損耗；UT0為門檻電壓；Id為整流橋輸出電流；rT為晶閘管通態(tài)電阻；Rthjc為結(jié)殼之間的熱阻；Rthch為殼-散熱器的熱阻。這些參數(shù)均可在晶閘管參數(shù)表和曲線中選取。

1.8 大型熱管整流柜的應(yīng)用技術(shù)

一種“自冷式”大型熱管整流柜，已經(jīng)在大型水電站開始應(yīng)用。由于正常運行時不需要開啟冷卻風(fēng)機，吸入的灰塵也少，因而減少了更換風(fēng)機及其濾網(wǎng)帶來的故障率和重復(fù)勞動，深受勵磁維護人員的歡迎。

熱管整流柜，是指在晶閘管散熱器中置入熱管的整流柜。所謂熱管，就是把一根被抽成負(fù)壓狀態(tài)再充入適當(dāng)液體使之成為熱傳導(dǎo)最快的空心管。熱管內(nèi)的液體根據(jù)不同的散熱對象進行選擇，晶閘管散熱器的熱管液體沸點較低，可在晶閘管運行發(fā)熱時沸騰蒸發(fā)，蒸氣在微小的壓力差下流向不受熱端（冷凝端），并且釋放出熱量，然后重新凝結(jié)成液體，受毛細力或重力的作用回流到發(fā)熱端（蒸發(fā)段），如此循環(huán)不止將晶閘管的溫度傳導(dǎo)出去。

依靠毛細力回流稱為毛細熱管，依靠重力回流稱為重力熱管，熱管整流柜主要采用重力熱管，并根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為直形重力熱管散熱器（a）和環(huán)形重力熱管散熱器（b），如圖6所示。

圖6 熱管散熱器的兩種結(jié)構(gòu)Fig.6 Two structures of heat pipe radiator

直形熱管散熱器具有體積小、熱管封裝和壓接簡單、工藝成熟和成本較低的優(yōu)點，但是水平尺寸容易突破柜體的深度限制，且6個晶閘管散熱器只能上下布置（串聯(lián)風(fēng)道），上層晶閘管運行溫度比下層高，限制了整流柜的整體輸出能力，因而單柜最大電流只能達到1500A[5]，典型結(jié)構(gòu)如圖7（a）所示。

環(huán)形熱管散熱器體積大、熱管封裝和壓接復(fù)雜、工藝復(fù)雜和成本較高。但是可以增加散熱器尺寸，且6個晶閘管散熱器布置在同一層（并聯(lián)風(fēng)道），極大提高了整流柜的整體輸出能力，單柜最大電流可到2500A[5]，典型結(jié)構(gòu)如圖7（b）所示。

圖7 兩種熱管整流柜布置Fig.7 The layout of two kinds of heat pipe rectifying cabinets

值得注意的是，熱管只是將晶閘管的溫度快速傳導(dǎo)到了整個散熱器。如何將散熱器的溫度排除整流柜，這是熱管整流柜結(jié)構(gòu)設(shè)計的另一個重大問題，工程實踐中，主要采取增大進風(fēng)口和出風(fēng)口、減少柜內(nèi)風(fēng)阻的等技術(shù)措施。為了防止熱管失效影響勵磁整流柜運行，一般配置后備冷卻風(fēng)機，只有當(dāng)晶閘管溫度達到設(shè)定值才投入運行。

1.9 整流柜過電壓抑制和吸收技術(shù)

勵磁整流柜應(yīng)配置過電壓保護，抑制和吸收過電壓。少配置和配置不合理，會大大降低勵磁系統(tǒng)的安全性和可靠性。

抑制和吸收勵磁系統(tǒng)過電壓的技術(shù)措施有：勵磁變壓器高低壓側(cè)屏蔽層應(yīng)接地；勵磁變壓器低壓側(cè)可配置三相組合式壓敏電阻、三相集中式阻容保護或三相整流式阻容保護；晶閘管兩端應(yīng)配置橋臂分散式阻容保護或/和三相整流式阻容保護，這是抑制和吸收晶閘管換相過電壓的最佳電路；轉(zhuǎn)子兩端應(yīng)配置非線性電阻等過電壓吸收電阻，如圖8所示。

圖8 整流裝置過電壓保護的配置Fig.8 The overvoltage protection configuration of rectifier

不同的勵磁系統(tǒng)可根據(jù)實際需要選用配置晶閘管整流裝置過電壓保護，首先應(yīng)明確保護對象和保護范圍，然后對參數(shù)和整定值進行協(xié)調(diào)配合，其典型配合如圖9所示。

圖9 整流裝置過電壓保護范圍的配合Fig.9 The coordination of overvoltage protection range of rectifier

阻容保護主要負(fù)責(zé)吸收晶閘管換相過電壓，也可以吸收其他過電壓，是整流柜最主要的過電壓保護，可以有效降低整流柜最大輸出電壓Vfmax。交流側(cè)三相組合式壓敏電阻主要吸收雷擊過電壓和勵磁變壓器操作過電壓，是防止過電壓入侵晶閘管整流裝置的第一道防線，自并勵可以不配置，主要適用于他勵系統(tǒng)。

勵磁繞組過電壓保護，是勵磁系統(tǒng)和勵磁繞組的最后防護，可吸收來自各方面超過整定值的過電壓?？捎煽缃悠骱瓦^電壓吸收電阻等組成，也可僅由氧化鋅非線性電阻等組成的過電壓吸收電阻等組成。過電壓吸收電阻，可單獨配置，也可與滅磁電阻合用。

在碳化硅過電壓保護回路配置過電流繼電器并動作與跳閘，可以有效防止跨接器誤動或碳化硅過載引起故障擴大，這是國外勵磁系統(tǒng)傳過來的經(jīng)驗設(shè)計，值得學(xué)習(xí)和借鑒。

1.10 磁場斷路器和滅磁電阻技術(shù)

發(fā)電機滅磁是磁場斷路器切斷轉(zhuǎn)子電流和滅磁電阻吸收轉(zhuǎn)子能量的過程，是同步發(fā)電機防止電氣事故擴大化的最后一道防線，應(yīng)采取一切技術(shù)措施提高可靠性。

巨型水輪發(fā)電機勵磁系統(tǒng)一般采用碳化硅滅磁電阻（SiC）滅磁。小機組勵磁系統(tǒng)和火電機組勵磁系統(tǒng)，一般采用高能氧化鋅閥片（ZnO）滅磁。

大型勵磁系統(tǒng)磁場斷路器可選用雙斷口（雙極）或單斷口（單極）結(jié)構(gòu)，宜帶有常閉放電觸頭（即動斷觸頭）。單斷口一般是單觸頭結(jié)構(gòu)（既是正常運行的主觸頭，又是分?jǐn)嚯娀〉幕∮|頭），雙斷口一般是雙觸頭結(jié)構(gòu)（主觸頭和弧觸頭）。一般來說，帶常閉放電觸頭的磁場斷路器專門用于滅磁回路，結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠；主觸頭和弧觸頭的分離大大減少了主觸頭的維護工作量；雙斷口磁場斷路器，在停機后可以隔離發(fā)電機轉(zhuǎn)子與勵磁裝置回路，有利于檢修試驗。

大型水電勵磁系統(tǒng)，特別是抽水蓄能勵磁系統(tǒng)，廣泛采用法國LENOIR-ELEC CEX系列磁場斷路器，典型接線如圖10所示[6]。

圖10 LENOIR-ELEC CEX應(yīng)用接線Fig.10 The application wiring diagram of LENOIR-ELEC CEX

磁場斷路器的電氣分?jǐn)嗄芰ι婕?個最關(guān)鍵的參數(shù)和技術(shù)：最大分?jǐn)嚯娏骱妥畲蠡?，其中最大分?jǐn)嚯娏鞣譃殡姼胸?fù)載下分?jǐn)嗟淖畲笾绷鞣至亢桶l(fā)電機轉(zhuǎn)子滑環(huán)短路電流。最大弧壓Ukmax是指弧觸頭在電感負(fù)載下分?jǐn)嘧畲笾绷鞣至侩娏鲿r的電弧電壓，其要求是應(yīng)大于整流裝置輸出的最大電壓Uzmax（空載誤強勵電壓）和滅磁電阻兩端的最大電壓Ummax（最大滅磁電壓，即最大直流分量電流流過滅磁電阻的電壓）之和，如式（6）所示，這是放電滅磁方式下磁場斷路器與滅磁電阻成功換流和移能的基本條件[7]。

國外進口磁場斷路器的最大弧壓，可用額定電壓的過電壓倍數(shù)給出，也可根據(jù)金屬滅弧柵片數(shù)量計算出，還可根據(jù)滅弧型式試驗得出。我國磁場斷路器一般給出保證弧壓參數(shù)，國外CEX給出的最大分?jǐn)嚯妷合喈?dāng)于保證弧壓，其值小于最大弧壓值。

為了提高氧化鋅滅磁電阻換流和移能的安全性和可靠性，必須對最大弧壓降壓使用，至少取20%的安全裕度，即最大弧壓應(yīng)大于1.2倍的整流柜輸出的最大電壓和滅磁電阻兩端的最大電壓之和。

1.11 交直流雙冗余滅磁技術(shù)

為了提高滅磁的可靠性和安全性，三峽、向家壩和溪洛渡等巨型水輪發(fā)電機組采用了交流—直流雙冗余滅磁系統(tǒng)，已經(jīng)成為一種安全和可靠的滅磁技術(shù)。

交流滅磁，狹義定義是指將一個交流磁場斷路器安裝在勵磁變壓器低壓側(cè)；廣義定義是指跳開磁場斷路器之前閉鎖晶閘管脈沖，利用封脈沖產(chǎn)生的交流負(fù)電壓間接增大交流或者直流磁場斷路器的最大弧壓，加快和保證了磁場斷路器向滅磁電阻換流和移能。

交流滅磁的核心技術(shù)是磁場斷路器跳閘前閉鎖晶閘管脈沖，此后發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)鋸齒波變?yōu)榻涣鞑ǎ氩ㄏ喈?dāng)于減少了最大弧壓，不利于換流，而負(fù)半波相當(dāng)于增加了最大弧壓，有利于換流。當(dāng)負(fù)半波大于滅磁電阻電壓Um時，就不需要磁場斷路器產(chǎn)生弧壓，也能實現(xiàn)換流和移能，如圖11所示。

交流—直流雙冗余滅磁的另一個核心技術(shù)，就是要保證交流斷路器跳閘滯后于直流磁場斷路器（宜延時100ms左右），實現(xiàn)以直流滅磁為主、交流滅磁為輔的設(shè)計要求。為實現(xiàn)這一時序要求，一般在跳直流磁場斷路器的同時，啟動一個接觸器，通過該接觸器固有動作延時再跳交流磁場斷路器。

圖11 交流滅磁等效原理圖Fig.11 The equivalent principle diagram of ac de-excitation

無論是正常停機逆變還是事故跳磁場斷路器，都要求動作時序正確。設(shè)計合理和科學(xué)的動作時序，不僅安全可靠，而且還可以實現(xiàn)發(fā)電機空載無弧跳閘，即磁場斷路器分?jǐn)鄷r幾乎看不到電弧，可極大地減少了磁場斷路器的維護工作量。

溪洛渡水電站勵磁系統(tǒng)事故跳閘滅磁時序：勵磁調(diào)節(jié)器接收到繼電保護外部跳閘命令，首先是啟動跨接器投滅磁電阻和逆變，然后跳開直流磁場斷路器，隨后跳開交流磁場斷路器，其間封閉勵磁整流柜封閉脈沖。為了確保時序正確，溪洛渡水電站嘗試進行了滅磁時序試驗，并最終得到了ABB UNITROL6800滅磁時序圖，如圖12所示[8]。

圖12 ABB UNITROL6800滅磁時序Fig.12 The time series of ABB UNITROL6800 de-excitation

1.12 晶閘管脈沖與起勵技術(shù)

晶閘管脈沖的形態(tài)按照減少功耗和增加附加功能的方向發(fā)展，單寬高頻脈沖列有助于他勵和殘壓起勵。

三相全控橋晶閘管脈沖經(jīng)歷了單寬脈沖、雙窄脈沖、雙窄高頻脈沖列、單寬高頻脈沖列等形態(tài)，如圖13所示。

圖13 三相全控橋晶閘管脈沖形態(tài)Fig.13 The pulse shape of three-phase fully controlled bridge thyristor

單寬脈沖功耗極大，已經(jīng)被雙窄脈沖所替代。因可以由勵磁調(diào)節(jié)器產(chǎn)生后直接觸發(fā)晶閘管，回路簡單可靠，應(yīng)用較為廣泛。高頻脈沖列頻率從5～50kHz不等，功耗極小，在大型勵磁系統(tǒng)應(yīng)用較為廣泛。高頻脈沖列需要在每一個整流柜配置，可實現(xiàn)強觸發(fā)和數(shù)字均流技術(shù)，是大型勵磁系統(tǒng)較為先進的技術(shù)方案。特別是單寬高頻脈沖列，因有效延長了晶閘管觸發(fā)時間，在他勵起勵中具有較強的技術(shù)優(yōu)勢。

所謂他勵起勵，是指發(fā)電機空載升壓和短路升流試驗中，解開勵磁變壓器高壓側(cè)與發(fā)電機出口的電氣連續(xù)，從廠用電引入交流電源進行起勵試驗。采用120°單寬高頻脈沖列，延長了晶閘管觸發(fā)時間，使得晶閘管導(dǎo)通電流大于晶閘管的擎住電流，可以取消整流柜輸出側(cè)并聯(lián)的起勵續(xù)流電阻。該技術(shù)在發(fā)電機殘壓起勵過程中也有相同的作用，是殘壓起勵的輔助技術(shù)之一。

殘壓起勵的另一個技術(shù)是在起勵初期給所有晶閘管發(fā)出高頻脈沖列，將三相全控橋電路變?yōu)槿嗖豢煽仉娐罚龤垑浩饎畛晒υ倩謴?fù)三相全控橋時序脈沖。

2 結(jié)束語

隨著三峽等一批巨型水輪發(fā)電機組投產(chǎn)發(fā)電，大型晶閘管靜止自并勵勵磁系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)日趨成熟，主要體現(xiàn)在三個方面：基于國外勵磁技術(shù)的引進和吸收，完善和豐富了勵磁控制功能，解決了巨型水輪發(fā)電機滅磁和轉(zhuǎn)子過電壓難題；基于RISC構(gòu)架的微處理器應(yīng)用設(shè)計，實現(xiàn)了勵磁調(diào)節(jié)器高速采樣、快速計算和光纖通信等核心技術(shù)；基于大功率晶閘管選型技術(shù)，提高了大型勵磁整流柜的可靠性。

正在建設(shè)中的金沙江烏東德水電站850MW機組，將采用基于光纖網(wǎng)絡(luò)的分布式國產(chǎn)勵磁控制系統(tǒng)，這是一套以RISC微控制器作為控制核心，以光纖作為通信載體，并搭配熱管整流柜和雙冗余滅磁系統(tǒng)，集中體現(xiàn)了我國勵磁關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展水平。