任小超 劉叢洲

（1.云南華電金沙江中游水電開(kāi)發(fā)有限公司，昆明 650228； 2.國(guó)網(wǎng)鎮(zhèn)江供電公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

阿海水電廠位于云南省麗江市玉龍縣（右岸）與寧蒗縣（左岸）交界的金沙江中游河段，是金沙江中游河段一庫(kù)八級(jí)的第四級(jí)電站。電站裝機(jī)容量2000MW（5×400MW），以500kV 一級(jí)電壓接入云南電網(wǎng)運(yùn)行，在系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)基荷及調(diào)頻、調(diào)峰和事故備用任務(wù)。阿海水電廠發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)采用廣州電器科學(xué)研究院EXC9000 靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)，型號(hào)為FJL-7 GAI-PADE3B。

1 阿海水電廠勵(lì)磁系統(tǒng)

1.1 阿海勵(lì)磁系統(tǒng)的特點(diǎn)

EXC9000 系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是功能軟件化、系統(tǒng)數(shù)字化，該系統(tǒng)的數(shù)字化不僅體現(xiàn)在調(diào)節(jié)器，也體現(xiàn)在功率柜和滅磁柜上。勵(lì)磁系統(tǒng)的各個(gè)部分均能實(shí)現(xiàn)智能檢測(cè)、智能顯示、智能控制、信息智能傳輸和智能測(cè)試，極大地提高了裝置的可靠性。

1.2 勵(lì)磁系統(tǒng)的組成及功能

阿海水電廠EXC9000 靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)主要由調(diào)節(jié)器、人機(jī)界面、對(duì)外接口、功率柜、滅磁及過(guò)壓保護(hù)、勵(lì)磁變壓器等組成。

1）調(diào)節(jié)器

EXC9000 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器為雙微機(jī)三通道調(diào)節(jié)器，其中A、B 通道為微機(jī)通道，其核心控制器件是32位總線工控機(jī)，C 通道為模擬通道，這三個(gè)通道從測(cè)量回路到脈沖輸出回路完全獨(dú)立。

2）功率柜

阿海EXC9000 勵(lì)磁系統(tǒng)的功率柜為智能化功率柜，為3 臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行模式。

3）滅磁及過(guò)壓保護(hù)單元

該單元的作用是當(dāng)收到發(fā)電機(jī)保護(hù)或者來(lái)自內(nèi)部的勵(lì)磁保護(hù)跳閘命令，在斷開(kāi)磁場(chǎng)斷路器的同時(shí)切斷脈沖，勵(lì)磁電流通過(guò)反向二極管流向滅磁電阻；在反向裝有晶閘管的滅磁電路中，在斷開(kāi)磁場(chǎng)斷路器的同時(shí)除切斷脈沖外還觸發(fā)晶閘管跨接器以接通滅磁電阻。采取該措施后，勵(lì)磁變副邊交流電壓被疊加到磁場(chǎng)斷路器的電弧電壓上，可以保證能量可靠轉(zhuǎn)移及縮短滅磁時(shí)間。

4）起勵(lì)單元

勵(lì)磁系統(tǒng)采用兩種起勵(lì)方式：機(jī)組殘壓起勵(lì)和外部輔助電源起勵(lì)。殘壓起勵(lì)功能可以通過(guò)調(diào)節(jié)柜人機(jī)界面上的功能按鍵進(jìn)行投退。在10s 內(nèi)殘壓起勵(lì)失敗時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)可以自動(dòng)起動(dòng)外部輔助電源起勵(lì)回路。在機(jī)端電壓達(dá)到額定電壓的10%時(shí)，起勵(lì)回路將自動(dòng)退出，立即開(kāi)始軟起勵(lì)過(guò)程將機(jī)端電壓建立到預(yù)置的電壓值。

2 阿海勵(lì)磁系統(tǒng)幾個(gè)重要設(shè)備的選擇

2.1 勵(lì)磁變壓器的選擇

勵(lì)磁變壓器二次側(cè)額定電壓應(yīng)能滿足發(fā)電機(jī)在1.1 倍額定勵(lì)磁電流下長(zhǎng)期運(yùn)行要求，并留有足夠裕度；發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓下降到80%額定值時(shí)，二次側(cè)額定電流能提供2 倍強(qiáng)勵(lì)電流；整流橋?yàn)槿嗳貥颍钚】刂平铅? 15°。計(jì)算變壓器二次電壓u2N：

式中，ufN為發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電壓，為434.1V； ΔuT為電流回路中線路壓降，包含可控硅總壓降及電纜壓降，一般取為6V；c為傾斜系數(shù)，對(duì)于三相全控橋c=0.5；ImIn為強(qiáng)勵(lì)時(shí)的二次電流與額定二次電流之比，為2；xT為變壓器漏抗，xT=0.06；cosα為最小控制角系數(shù)，為0.966。

因變壓器容量應(yīng)留有一定裕量，發(fā)電機(jī)額定工況下，其阻抗壓降將小于額定值，故可取u2N=890V

勵(lì)磁變壓器容量Sn為保證發(fā)電機(jī)組在1.1 倍額定勵(lì)磁電流下長(zhǎng)期運(yùn)行的數(shù)值，選擇的勵(lì)磁變壓器容量應(yīng)比上述數(shù)值更大，由式（2）可計(jì)算勵(lì)磁變壓器的容量：

再考慮10%的容量裕度：

由于勵(lì)磁變壓器本身具有過(guò)載能力，其在2 倍過(guò)載情況下持續(xù)時(shí)間超過(guò)50s，故可以選取三個(gè)單相容量為1450kVA 的變壓器，即總?cè)萘繛?350kVA。

阿海水電廠勵(lì)磁變壓器采用3 個(gè)單相自然風(fēng)冷環(huán)氧澆注干式變壓器，布置在上游副廠房母線出線層內(nèi)，勵(lì)磁變壓器為廣東順特電氣DCB-1450/20/3。

2.2 可控硅及其冷卻器的選擇

可控硅采用 ABB Semiconductor 公司的5STP28L4200-3170A/4200V ，其反向峰值電壓4200V，可控硅元件額定正向平均電流3170A，單個(gè)整流橋的負(fù)荷能力3000A。功率整流器采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，采用德國(guó)EBM 公司D2E 160-AB01-06 離心式風(fēng)機(jī)，單個(gè)風(fēng)機(jī)風(fēng)量為1195m3/h，選擇兩組，每組兩臺(tái)，正常運(yùn)行時(shí)一組主用，另一組備用，滿足所需風(fēng)量要求。

2.3 滅磁電阻的選擇

受最惡劣工況下最高滅磁電壓的限制，必須選擇并聯(lián)冗余。要滿足最小冗余度的要求，方案是4并，為得到相對(duì)快的滅磁時(shí)間，取并聯(lián)的非線性電阻組數(shù)NRP=5。受最惡劣工況下最高滅磁電壓的限制，串聯(lián)的組數(shù)不宜過(guò)高，故取串聯(lián)的組數(shù)NRS=2。因此滅磁電阻采用2 串5 并的連接方式。

單組滅磁電阻容量ERS為1MJ，故工作能容：

考慮上述的冗余原則，故障時(shí)將退出一個(gè)并聯(lián)支路，滅磁電阻的使用能容極限為

滅磁電阻選擇英國(guó)M＆I Materials 公司的Spec.6361 SiC 非線性電阻，單組滅磁電阻電壓系數(shù)ARS為29W；單組滅磁電阻非線性系數(shù)β為0.4；單組滅磁電阻通流能力為6kA；單組滅磁電阻工頻耐壓為5kV、60s；最高滅磁電壓URmax為3069V；發(fā)電機(jī)空載過(guò)壓保護(hù)啟動(dòng)時(shí)的勵(lì)磁電流If為4283A；勵(lì)磁系統(tǒng)在強(qiáng)勵(lì)時(shí)，又發(fā)生發(fā)電機(jī)機(jī)端三相短路，滅磁時(shí)的初始電流IffSC為8000A。

對(duì)于同一型號(hào)電阻進(jìn)行串并聯(lián)而形成的整組SiC 非線性電阻，其整組特性可由式（3）表達(dá)：

代入串聯(lián)數(shù)NRS=2、并聯(lián)數(shù)NRP=5，ARS=29W 可得UR= 36.7× （IR）0.4。

1）發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵(lì)期間發(fā)生機(jī)端三相短路動(dòng)作滅磁計(jì)算

滅磁電壓計(jì)算，在IffSC=8000A 情況下計(jì)算滅磁開(kāi)關(guān)最小弧壓，IffSC全部流入非線性電阻產(chǎn)生的電壓URSC為

滅磁能量計(jì)算，強(qiáng)勵(lì)期間發(fā)生機(jī)端三相短路滅磁時(shí)滅磁電阻吸收能量的計(jì)算值：

2）發(fā)電機(jī)空載過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作滅磁瞬間計(jì)算

（四）及時(shí)補(bǔ)鐵 鐵是造血和防止?fàn)I養(yǎng)性貧血的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，新生仔豬體內(nèi)鐵的貯存量一般為50 mg，每日生長(zhǎng)代謝約需消耗7 mg，從100 ml的母乳中僅得到0.2 mg左右的鐵，可見(jiàn)，仔豬得不到鐵的補(bǔ)充，可于7日齡左右出現(xiàn)缺鐵性貧血，生長(zhǎng)發(fā)育受阻，食欲減退，抵抗力下降，易患白痢。廣西西江農(nóng)場(chǎng)對(duì)2日齡的仔豬注射培亞鐵針劑（主要成分為葡聚糖鐵）1 ml（含鐵100 mg），10日齡再注射2 ml，與對(duì)照組相比，成活率提高7.62個(gè)百分點(diǎn)，增重提高37個(gè)百分點(diǎn)。廣西農(nóng)墾畜牧研究所對(duì)3～5日齡的仔豬肌注牲血素每頭1 ml，增重比對(duì)照組提高10.99%，成活率提高15.78%。亦應(yīng)注意銅和鈷的補(bǔ)充。

滅磁電壓計(jì)算，在If＝4283A 情況下計(jì)算滅磁開(kāi)關(guān)的最小弧壓，If全部流入非線性電阻產(chǎn)生的電壓UR為

滅磁能量計(jì)算，發(fā)電機(jī)空載過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作滅磁時(shí)滅磁電阻吸收能量的計(jì)算值

2.4 滅磁開(kāi)關(guān)的選擇

滅磁開(kāi)關(guān)選用瑞士Secheron 公司的UR40M-64S磁場(chǎng)斷路器，開(kāi)斷電流與最高電壓為60kA/4000V。

1）滅磁開(kāi)關(guān)短路開(kāi)斷電流校驗(yàn)

滅磁開(kāi)關(guān)開(kāi)斷電流能力，是保證發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子滑環(huán)短路時(shí)滅磁開(kāi)關(guān)能可靠分?jǐn)啻硕搪冯娏鞫粨p壞。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子滑環(huán)短路時(shí)的轉(zhuǎn)子電流大小只考慮勵(lì)磁變的短路阻抗時(shí)，應(yīng)該是最大的短路電流值。其估算公式為

式中，I2N為勵(lì)磁變額定二次電流；xT為勵(lì)磁變短路阻抗。

2）滅磁開(kāi)關(guān)滅磁弧壓校驗(yàn)

滅磁開(kāi)關(guān)弧壓參數(shù)應(yīng)與滅磁電阻參數(shù)配合，并滿足下列關(guān)系：

式中，UDCarc為滅磁開(kāi)關(guān)斷口弧壓，UR和UE分別為滅磁開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的滅磁電阻上出現(xiàn)的最高滅磁電壓和電源電壓。對(duì)于非線性電阻，其最高滅磁電壓為

考慮機(jī)端三相短路和空載誤強(qiáng)勵(lì)兩種最惡劣情況。

校驗(yàn)情況一：發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵(lì)期間發(fā)生機(jī)端三相短路滅磁時(shí)滅磁開(kāi)關(guān)弧壓校驗(yàn)。

此時(shí)電源電壓為0。需要的磁場(chǎng)斷路器弧壓為

UR40M-64S 滅磁開(kāi)關(guān)的弧壓為6000V，高于1337V。

校驗(yàn)情況二：發(fā)電機(jī)空載過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作滅磁時(shí)滅磁開(kāi)關(guān)弧壓校驗(yàn)。

此時(shí)的電源電壓UEL為

UR40M-64S 滅磁開(kāi)關(guān)的弧壓為6000V，滿足要求。

3 結(jié)論

勵(lì)磁系統(tǒng)是電力系統(tǒng)控制的重要組成部分，它直接影響著發(fā)電機(jī)的運(yùn)行可靠性、經(jīng)濟(jì)性和電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析可見(jiàn)，阿海水電廠勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁變壓器、滅磁電阻和滅磁開(kāi)關(guān)的選型，足夠滿足機(jī)組在各種工況下安全滅磁，保證機(jī)組的安全運(yùn)行。靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)在阿海水電廠的成功應(yīng)用，也為類似的水電項(xiàng)目的選型實(shí)施提供了一定的參考價(jià)值。

[1] 李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京: 中國(guó)電力出版社,2002.

[2] 余軍,張勇.靜止式勵(lì)磁系統(tǒng)在丹江口水力發(fā)電廠的應(yīng)用[J].水電站機(jī)電技術(shù),2011,34(6): 21-26.