方云峰

(漳州市峰頭水庫管理局，福建 漳州 363000)

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中小型水電站自并勵勵磁系統(tǒng)的設計與選型

方云峰

(漳州市峰頭水庫管理局，福建 漳州 363000)

文章通過對中小型水電站同步發(fā)電機勵磁的自并勵接線、勵磁變壓器的型號選擇、自并勵方式的起勵、勵磁試驗電源等問題分析，結合峰頭水庫左電站5MW自并勵水輪發(fā)電機組改造的定量分析進行探討,論述自并勵勵磁系統(tǒng)在設計、選型、改造中應注意的問題。

自并勵靜止勵磁系統(tǒng)；改造；選型；問題；雙微機

發(fā)電機自并勵靜止勵磁裝置對于水電站的運行至關重要，只有確保裝置的設計、選型、調試等環(huán)節(jié)的科學合理，才能確保裝置優(yōu)勢的發(fā)揮，從而提升發(fā)電機組的運行水平。

1 發(fā)電機自并勵的結構方式

發(fā)電機自并勵靜止勵磁系統(tǒng)的結構組成：調節(jié)器、整流裝置、過壓過流保護裝置、勵磁變壓器、發(fā)電機滅磁設備、勵磁操作設備、起勵設備等部分。

自并勵勵磁方式的結構相對比較簡單，優(yōu)點是當轉子運轉至額定轉速起勵后，就可以由調節(jié)器正反饋得到正常的勵磁電源，在線路中、末端出現(xiàn)短路時，勵磁的強勵可以立即發(fā)揮作用確保機端及系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。但也存在不足方面，當機端或線路首端出現(xiàn)三相短路故障時，機端的電壓會迅速衰減，勵磁電壓也跟著下降，強勵能力迅速減弱，失去暫態(tài)穩(wěn)定，特別是負荷中心的發(fā)電機組發(fā)生此類故障時會被自動切除，機組退出，將導致系統(tǒng)的穩(wěn)定性遭到破壞。不過水電站的發(fā)電機組經(jīng)過升壓變壓器與高壓線路直接相連，出口很少會發(fā)生三相短路現(xiàn)象，因此這個缺點對機組的影響不大。若發(fā)生單相短路故障，發(fā)電機的機端電壓正常能夠達到0.7P.U，強勵作用依然可以發(fā)揮作用。若發(fā)電機的機端出現(xiàn)故障，則必須立即停機維修，所以總體來講，自并勵的缺點幾乎不會影響水電站的發(fā)電。如今的開關設備大部分具有微機保護裝置，對于發(fā)生的三相短路故障點，都可以迅速切除，故障點被切除后，發(fā)電機的電壓也會快速恢復，勵磁的強勵快速起作用。合理選用先進的繼電保護技術與快速斷路器，能夠克服勵磁系統(tǒng)本身存在的問題，從而確保機組的正常運行。此外，對于電網(wǎng)系統(tǒng)來講，及時切斷發(fā)生的故障點，確保系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定，比任何一臺機組勵磁性能重要得多，就算采用其他勵磁方式，如果不能迅速切斷故障點，發(fā)電機就無法穩(wěn)定運行，發(fā)電機及電網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定將受到影響。

需要注意的是：在自并勵方式中，發(fā)電機的勵磁電源取自于機端電壓，由于發(fā)電機剩磁殘壓較低，一般較難達到勵磁回路正反饋工作條件，需要接入直流電源起勵。在發(fā)電機組的安裝調試環(huán)節(jié)以及檢修后，首先要對電機進行試驗，此過程需要配備大容量的試驗電源。

2 自并勵系統(tǒng)的應用條件

供電網(wǎng)絡結構、網(wǎng)絡功率分配決定網(wǎng)絡節(jié)點上的發(fā)電機采用何種勵磁系統(tǒng)，由于自并勵發(fā)電機強勵受到機端電壓的制約，機端或近端三相短路時機組強勵效果不理想，系統(tǒng)電壓恢復慢，嚴重時導致系統(tǒng)崩潰，所以對于網(wǎng)絡負載中心或網(wǎng)絡首端機組一般不單獨采用自并勵系統(tǒng)，應采用多種勵磁方式并存。但對于中小型水電站機組，基本上不存在著這類問題。

3 勵磁變壓器的選擇與計算

3.1 勵磁變壓器選擇

3.1.1 以前的勵磁變壓器大多都是絕緣干式變壓器

隨著科技的發(fā)展，各種新式材料被應用到電力行業(yè)，目前應用最廣泛是環(huán)氧樹脂干式變壓器。環(huán)氧樹脂干式變壓器具有以下優(yōu)勢：

1)環(huán)保性強，在工作過程中不會產(chǎn)生有害氣體，運行過程中噪音小。

2)良好的節(jié)能性能，與其他變壓器相比，約節(jié)省5%～10%的能源。

3)對環(huán)境要求小，耐潮濕，抗雷電沖擊，受突發(fā)短路現(xiàn)象影響較小。

4)維護工作簡單，且易于回收利用。廢棄的變壓器中的銅、鐵等金屬可以回收，環(huán)氧樹脂可以用來發(fā)電，也可以直接填埋，對環(huán)境影響小。

3.1.2 勵磁變壓器通常采用的是三角形—星形接法

根據(jù)勵磁系統(tǒng)需要提供的直流功率確定勵磁變壓器的額定容量值，一次側電壓取決于發(fā)電機的端電壓，二次側電壓取決于勵磁系統(tǒng)的峰值電壓。需要注意的是，電壓的設置應當留有余量，當一次側電壓減至額定電壓80%時，勵磁系統(tǒng)還應能達到峰值電壓，從而確保發(fā)電機組的強勵能力。

3.1.3 勵磁變壓器的投入與退出瞬間

線路或機組端受雷擊，系統(tǒng)諧波與變壓器分布電容共振等等都會使變壓器產(chǎn)生過電壓。因此必須采用相對應的策略控制過電壓加以保護設備，首先變壓器的高、低壓側繞組間必須高絕緣隔離，可考慮添加隔離屏蔽層，其次在低壓側繞組設置對地壓敏電阻或對地阻容元件，做到削波削峰作用。

3.1.4 要充分考慮變壓器本身的性能

要充分考慮變壓器本身的性能(包括過載能力、阻抗能力、保護配置以及過電流保護能力)。勵磁變壓器的負載主要是勵磁系統(tǒng)的整流裝置和轉子阻抗，整流裝置短路相當于勵磁變壓器低壓側繞組短路。整流裝置短路保護一般采用快速熔斷器，還可串入扼流圈等等，常見的故障保護措施都能滿足保護需求，但其中效果最好、應用最廣的是微機保護系統(tǒng)。

3.1.5 從設計與結構的角度來談

勵磁變壓器的短路電壓與一般的配電變壓器一樣，為額定電壓的4%～8%。考慮到勵磁必須具備良好的可靠性與過載能力，且不需要備用電源，可以選擇維護簡單的干式變壓器。

3.2 三相勵磁變的計算

變壓器的變比和容量的計算必須提供如下參數(shù)：(峰頭1#機組勵磁系統(tǒng)改造為例)

發(fā)電機額定勵磁電流Ifn=420A；發(fā)電機額定勵磁電壓Ufn=146V； 強勵倍數(shù)Kc=l.6；可控硅最小控制角amin=10；變壓器漏抗Xk 饋電回路電壓降∑△U=2-4V

按照全控橋整流計算方法計算勵磁變低壓側Us，通常要求在機端電壓降低到額定值約80%時，仍可達到強勵倍數(shù)Kc=1.6，計算公式如下：

0.8 (1.35 Us COS amin)

=KcUfn+3KcIfnXk/兀+∑△U

(1)

Xk及∑△U可以根據(jù)經(jīng)驗值估算為10%。

由COSQmin—COS 00=1

則：上式可變?yōu)?1-10%)0.8×1.35Us-1.6Ufn

Us-1.646×Ufn =1.646×146V=240.32 V

可取勵磁變壓器副邊電壓Us為240V

發(fā)電機機端電壓為6kV，所以勵磁變變比為6kV/0.24kV，為了減少整流回路的三次諧波對電網(wǎng)的影響，勵磁變的二次側必須采用三角形接法?，F(xiàn)按國家標準，勵磁變采用Y/D-11接線組。

勵磁變壓器二次側電流則由直流側電流折算，裕度系數(shù)定為1.1，可得二次側電流：

Is=1.1×0.816×Ifn=1.1×0.816×420=376.9A

取勵磁變壓器副邊電流Is為377A

可得勵磁變壓器的容量：S=√3Is*Us=√3×IS*Us=l.732×377×240 =156700VA

取變壓器容量S=160kVA，留有一定的容量。

必須指出，使用微機勵磁調節(jié)器時，觸發(fā)脈沖準確度高，最小控制角Q min可取50～100，可以認為COSa min～1，誤差僅為1%左右。如果使用半導體勵磁調節(jié)器時，觸發(fā)脈沖控制角誤差很大，最小控制角amin要取25°左右， COSamin≈0.9，為了達到同樣的強勵倍數(shù)，勵磁變壓器二次電壓要增大10%，以而容量也要增大10%。這點也是使用微機勵磁調節(jié)器的好處之一。

4 自并勵方式的起勵建壓

1)由于在起勵建壓之前，機端殘壓低，勵磁變壓器提供的電源無法觸發(fā)可控硅導通，所以發(fā)電機要起勵必須有外供的電源，一般采用直流電源起勵，起勵后當勵磁變壓器二次側電壓能達到可控硅導通最小觸發(fā)維持電流，則起勵的直流電源可退出，自動切換為勵磁變壓器供電，機端電壓正反饋快速上升達到設計值。

2)在發(fā)電機大修結束后或者新機組安裝完畢后，需要進行定子短路烘干與空載建壓試驗，勵磁系統(tǒng)開環(huán)與閉環(huán)試驗。通常采用(a)直流焊機烘干，定子短路后發(fā)電機達到額定轉速，直流焊機電源接在轉子正負極對定、轉子進行烘干；(b)廠用電源-勵磁調節(jié)烘干，斷開勵磁變高壓側電源，廠用電380V交流電源接至勵磁變壓器的第三繞組作為勵磁系統(tǒng)試驗及發(fā)電機組短路烘干電源。值得一提的是即使采用直流焊機烘干，勵磁系統(tǒng)正常投入工作前還得進行開環(huán)與閉環(huán)試驗。

5 整流功率柜的選擇

1)整流方式正常為三相半控橋或全控橋。一般來講，多數(shù)會選擇全控整流橋方式。大容量、高參數(shù)的勵磁功率柜隨著電力電子技術的飛速發(fā)展越來越完美，半導體技術高速發(fā)展使得可控硅在耐壓、額定電流和穩(wěn)定性方面大幅提升，反向漏電流大幅減小，整流橋結構也就越來越簡單并且三相整流橋在均壓、均流方面得到保障。

2)整流橋正常采用RC吸收回路以達到過壓保護，快速熔斷器作為過流保護。冷卻方式通常為風冷，電流特別大的采用水冷。觸發(fā)脈沖在同步、幅值、脈寬完全相同的情況下可保證并聯(lián)整流柜均流系數(shù)達到理想狀態(tài)。

6 滅磁及過壓保護裝置的配置

全控橋的優(yōu)點是可通過全控整流橋實現(xiàn)逆變滅磁，同時在發(fā)電機轉子與勵磁整流輸出回路之間安裝滅磁開關，在滅磁回路安裝相對應的線性或非線性滅磁電阻，滅磁開關及滅磁電阻可作為事故跳閘滅磁回路。采用壓敏電阻(非線性電阻)可實現(xiàn)對發(fā)電機轉子的過壓保護。也可采用其他過壓保護方式，根據(jù)機組實際情況選擇保護方式較為科學。

7 發(fā)電機勵磁調節(jié)器的選擇

隨著數(shù)字電子技術、計算機編程控制技術的發(fā)展，新的勵磁控制基本采用數(shù)字化控制調節(jié)器，與模擬調節(jié)器相比，無論是本身性能還是可靠性，數(shù)字式勵磁調節(jié)器明顯要優(yōu)秀得多。舊機組改造及新建機組已全部選用數(shù)字化微機勵磁調節(jié)器，經(jīng)過多年的使用和試驗已取得豐富的經(jīng)驗和很好的效果。數(shù)字式勵磁調節(jié)器分為半空橋勵磁調節(jié)器、單微機全控橋勵磁調節(jié)器、雙微機全控橋勵磁調節(jié)器。單微機全控橋勵磁調節(jié)器結構簡單、性價比高，但若其中一個觸發(fā)脈沖故障很容易引起燒可控硅，半空橋調節(jié)器由于有續(xù)流二極管不存在這種現(xiàn)象，卻容易引起可控硅失控。雙微機勵磁調節(jié)器(系統(tǒng)結構圖如圖一)既解決觸發(fā)脈沖問題，又不存在失控，是最好的選擇。1985年南京自動化研究所首先研制成功的微機勵磁調節(jié)器，型號為WLF-I型，它結構比較復雜、價格昂貴，適用于10萬KW以上的大型機組。廣科所最新生產(chǎn)的EXC9000的升級版(型號為EXC9100)全數(shù)字式靜態(tài)勵磁系統(tǒng)，由兩個微機通道(含兩個手動通道和兩個自動通道)組成，這兩個通道(A、B通道)在測量回路(機端電壓互感器)和脈沖觸發(fā)回路方面各自獨立。A、B通道調節(jié)方式互為主、備，正常情況下A通道作為主通道(含手動和自動單元)，B通道(含手動和自動單元)作為備用通道。主、備調節(jié)通道各配有一套獨立的智能型的故障檢測系統(tǒng)，當B通道檢測到A通道輸入回路或輸出回路故障時，自動關閉A通道，B通道改為主通道并報警，只有在B通道檢測到A通道故障消除后才恢復A通道為主通道。該勵磁系統(tǒng)采用雙CPU協(xié)同工作具有運算速度快、功耗低、分工合理的優(yōu)點，并能在全封閉的環(huán)境下工作，因發(fā)熱量小，無需用風扇散熱，并具有抗沖擊、抗振動能力強，經(jīng)試驗調節(jié)器平均無故障時間長達17 a，得到國內許多電站的運用。雙微機勵磁系統(tǒng)圖見圖1所示。

圖1 雙微機勵磁系統(tǒng)圖

8 有關的技術條件和國家標準

為更好地應用自并勵靜止勵磁系統(tǒng)，自并勵靜止勵磁系統(tǒng)應滿足GB/T 7409.3—2007《同步電機勵磁系統(tǒng) 大、中型同步電機勵磁系統(tǒng)技術要求》、DL/1003—2006《大中型水輪發(fā)電機微機勵磁調節(jié)器試驗及調整導則》、DL/T 489.3—2006《大中型水輪發(fā)電機靜止整流勵磁系統(tǒng)及裝置試驗規(guī)則》、DL/T583—2006《大中型水輪發(fā)電機靜止整流勵磁系統(tǒng)及裝置技術條件》的相應要求，可控硅元件、勵磁變壓器等還必須達到有關相應的標準及技術條件。這些標準及技術條件為自并勵靜止勵磁系統(tǒng)的設計、選型、調試、驗收、運行及改造提供了依據(jù)。

[1]陳輝.益陽電廠自并勵勵磁系統(tǒng)設計及運行中問題淺析[J].湖南電力，2003，23(02)：34-36.

文章編號：1007-7596(2016)08-0074-03

[收稿日期]2016-07-02

[作者簡介]郭亮(1982-)，男，遼寧葫蘆島人，工程師，研究方向為水文測驗、水資源論證及調查評價、水文預報、水利水電工程、水利工程施工、水文水資源管理等。

TM622

B

1007-7596(2016)08-0134-02

2016-07-26

程偉(1961-)，男，安徽青陽人，工程師。