水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

劉高睿

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040)

隨著我國(guó)水利水電事業(yè)的日趨成熟，水輪發(fā)電機(jī)呈現(xiàn)出高電壓、大機(jī)組、多擾動(dòng)等特點(diǎn)。勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行、保障電網(wǎng)安全起到了至關(guān)重要的作用。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，提升供電質(zhì)量，必須優(yōu)化勵(lì)磁系統(tǒng)。從系統(tǒng)組成上來(lái)看，其主要包含勵(lì)磁變壓器、整流柜、磁場(chǎng)斷路器、晶閘管、通信單元等，可從這些設(shè)備著手，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化，使勵(lì)磁系統(tǒng)在水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中發(fā)揮更穩(wěn)定的作用。

1 晶閘管脈沖與起勵(lì)技術(shù)

勵(lì)磁系統(tǒng)中使用的三相全控橋晶閘管，其脈沖形態(tài)有3種，其中由于360°單寬脈沖功耗較大，已逐漸被雙窄脈沖代替。根據(jù)頻率不同，雙窄脈沖可分為60°的雙窄脈沖和120°的雙窄高頻脈沖兩種類型。從應(yīng)用效果上來(lái)看，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器發(fā)出雙窄脈沖后可直接作用于晶閘管，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性，成為三相全控橋晶閘管的主要脈沖形式，120°雙窄高頻脈沖陣列的高頻脈沖頻率區(qū)間為10～50 kHz，可根據(jù)勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行需要靈活調(diào)控，使其保持在較低的功耗狀態(tài)，在一些大型水輪發(fā)電機(jī)中較為常見(jiàn)。起勵(lì)技術(shù)分為有他勵(lì)起勵(lì)和殘壓起勵(lì)兩種，其原理是利用120°單寬高頻脈沖陣列來(lái)延長(zhǎng)晶閘管觸發(fā)時(shí)間，達(dá)到降低整流柜輸出側(cè)并聯(lián)起勵(lì)連續(xù)電阻的目的。

2 交直流雙冗余滅磁技術(shù)

大型水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組會(huì)產(chǎn)生大量的磁場(chǎng)儲(chǔ)能，如果不能有效消解，當(dāng)能量積累到一定程度后，將會(huì)引起發(fā)電機(jī)故障，這時(shí)就需要使用滅磁技術(shù)。常規(guī)的滅磁方法有非線性電阻滅磁、全控橋逆變滅磁，從實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，滅磁不夠徹底，磁場(chǎng)儲(chǔ)能對(duì)水輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的危害無(wú)法徹底消除。大量實(shí)踐證明，交直流雙冗余滅磁技術(shù)是一種可靠性好、安全性強(qiáng)的滅磁技術(shù)，其原理是利用磁場(chǎng)斷路器跳閘前閉鎖晶閘管脈沖，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)鋸齒波變?yōu)榻涣鞑?，?shí)現(xiàn)交流滅磁。通過(guò)人為設(shè)定延遲響應(yīng)時(shí)間，使交流斷路器滯后于直流斷路器100 ms跳閘，實(shí)現(xiàn)交流-直流雙冗余滅磁。

應(yīng)用此滅磁技術(shù)時(shí)，需要注意保證動(dòng)作時(shí)序的正確性，即控制終端發(fā)送跳閘指令，該信號(hào)到達(dá)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，啟動(dòng)跨接器投滅磁電阻，完成逆變，依次完成直流磁場(chǎng)斷路器動(dòng)作、交流磁場(chǎng)斷路器動(dòng)作，最后勵(lì)磁整流柜發(fā)出封閉脈沖，完成一個(gè)滅磁周期。此時(shí)檢測(cè)磁場(chǎng)儲(chǔ)能，如果能量超過(guò)允許范圍，繼續(xù)進(jìn)行下一周期的滅磁，直到能量降至允許范圍。

3 磁場(chǎng)斷路器和滅磁電阻技術(shù)

電阻滅磁是勵(lì)磁系統(tǒng)中常用的滅磁方法，根據(jù)電阻結(jié)構(gòu)組成不同，可以分為線性放電電阻和非線性電阻兩種類型。從材質(zhì)上來(lái)看，碳化硅(SiC)是近年來(lái)大中型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)中較為常見(jiàn)的一種材料，而小型水輪發(fā)電機(jī)出于成本方面的考慮，更多的是選擇氧化鋅(ZnO)閥片滅磁。勵(lì)磁系統(tǒng)中，滅磁電阻通常與放電觸頭串聯(lián)，可以進(jìn)一步提高換流和移能效果。磁場(chǎng)斷路器根據(jù)電極數(shù)量的不同，可以分為雙極(2斷口)和單極(1斷口)兩種形式。前者主觸頭和弧觸頭相互分離，進(jìn)一步提高了滅磁效果，無(wú)論是最大分?jǐn)嚯娏鬟€是最大弧壓，都比單極斷路器更強(qiáng)。后者只有主觸頭，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，后期維護(hù)和檢修方便。

4 整流柜過(guò)電壓抑制和吸收技術(shù)

整流柜在保證勵(lì)磁系統(tǒng)安全方面發(fā)揮了重要作用，也是整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)的重要組成部分。勵(lì)磁整流柜的過(guò)電壓保護(hù)，需要根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)的額定電壓來(lái)設(shè)置。如果配置不足，對(duì)過(guò)電壓的吸收能力不夠，就達(dá)不到預(yù)期的過(guò)電壓保護(hù)效果，反之，如果配置過(guò)剩，則會(huì)增加成本。理想狀態(tài)下，配置整流柜過(guò)電壓保護(hù)系統(tǒng)時(shí)，需要掌握被保護(hù)對(duì)象的運(yùn)行參數(shù)，包括額定電壓、額定功率等，根據(jù)具體參數(shù)設(shè)定勵(lì)磁系統(tǒng)的整定值，才能以較低的成本投入，獲得良好的勵(lì)磁保護(hù)效果。過(guò)電壓吸收電阻還可以與滅磁電阻聯(lián)合使用，進(jìn)一步豐富勵(lì)磁系統(tǒng)的保護(hù)功能。

5 大型熱管整流柜應(yīng)用技術(shù)

傳統(tǒng)的熱管整流柜每運(yùn)行一段時(shí)間，就需要維護(hù)人員進(jìn)行清潔處理，將風(fēng)機(jī)和濾網(wǎng)拆下來(lái)進(jìn)行清洗，不僅增加了工作量和人工成本，每次停機(jī)檢修還會(huì)對(duì)水電廠的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生影響。近年來(lái)，一種“自冷式”熱管整流柜在水利水電行業(yè)中得到了廣泛推廣。相比于普通設(shè)備，新型熱管整流柜在末端增加了冷凝裝置。晶閘管散熱器在運(yùn)行時(shí)散發(fā)熱量，在冷凝端重新凝結(jié)成液體，通過(guò)重力回流，重新到達(dá)蒸發(fā)端，循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)自冷。從運(yùn)行效果上來(lái)看，這種“自冷式”熱管整流柜不需要頻繁啟動(dòng)冷卻風(fēng)機(jī)，維護(hù)次數(shù)顯著降低，節(jié)約了人工成本和維護(hù)費(fèi)用。同時(shí)，也降低了設(shè)備故障率，實(shí)現(xiàn)了勵(lì)磁系統(tǒng)的不停機(jī)運(yùn)行。

6 智能監(jiān)測(cè)和自動(dòng)保護(hù)技術(shù)

大型水輪發(fā)電機(jī)組中，由于勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，完全依靠技術(shù)人員做好運(yùn)行監(jiān)管和定期維護(hù)，不僅壓力大，且潛在故障無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，會(huì)影響勵(lì)磁系統(tǒng)功能的發(fā)揮。隨著AI技術(shù)的發(fā)展，智能監(jiān)測(cè)和自動(dòng)保護(hù)技術(shù)在勵(lì)磁系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)配置發(fā)電機(jī)電壓互感器(TV)斷線監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確判斷并切換通道或轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)模式。TV慢熔監(jiān)測(cè)方法非常簡(jiǎn)單，在保留已有的TV斷線監(jiān)測(cè)功能基礎(chǔ)上，增加低整定值延時(shí)報(bào)警功能，即TV慢熔監(jiān)測(cè)，提醒電站人員檢查和處理。

7 基于光纖網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)

智能監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制逐漸成為水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的核心技術(shù)。雖然智能控制技術(shù)在勵(lì)磁系統(tǒng)中已得到廣泛運(yùn)用，但是以往使用的通信模塊主要以有線通信為主，即通過(guò)設(shè)備預(yù)留串口插入連接線，在不同設(shè)備之間完成信號(hào)傳輸。這種通信模式存在兩個(gè)弊端：一是勵(lì)磁系統(tǒng)電氣設(shè)備多，線路復(fù)雜，維護(hù)不方便，二是不同串口之間兼容性差，影響通信質(zhì)量，延時(shí)響應(yīng)情況嚴(yán)重?；诠饫w網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)，利用光纖代替金屬導(dǎo)線完成信號(hào)傳輸，保證了傳輸速率，提高了抗干擾能力，支持大容量信息傳輸，在大型水輪發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行中有著良好表現(xiàn)。

8 結(jié)語(yǔ)

勵(lì)磁系統(tǒng)性能的好壞對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性、電網(wǎng)安全性具有重要影響。研究和創(chuàng)新勵(lì)磁系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，特別是智能監(jiān)測(cè)和自動(dòng)保護(hù)技術(shù)、大型熱管整流柜應(yīng)用技術(shù)、整流柜過(guò)電壓抑制和吸收技術(shù)等，能夠從不同角度提升勵(lì)磁系統(tǒng)性能和系統(tǒng)整體功能。