羅遠旺，郭文峰，羅澤文，張鐵平

(中國長江電力股份有限公司白鶴灘水力發(fā)電廠，四川 寧南 615400)

某大型水電站位于中國西南地帶金沙江下游峽谷河段，該電站的水輪發(fā)電機組均配置一套由國電南瑞公司生產(chǎn)的第四代NES6100靜止晶閘管三相全控橋式整流的發(fā)電機自并勵勵磁系統(tǒng)。

勵磁系統(tǒng)作為水輪發(fā)電機組控制系統(tǒng)不可或缺的組成之一，對保障發(fā)電機以及電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行起到了非常重要的作用[1]。而目前水輪發(fā)電機組單機額定容量在不斷突破，也導致勵磁系統(tǒng)電壓、電流的增大，所以對發(fā)電機的滅磁技術及可靠性有了更加嚴格的要求，因此滅磁系統(tǒng)控制技術顯得愈發(fā)重要[2]。目前大多數(shù)電站采用的滅磁控制技術為勵磁調(diào)節(jié)器逆變及機械跨接器投入滅磁電阻來實現(xiàn)，在電站實際運行過程中，曾多次出現(xiàn)滅磁失敗導致重大事故的發(fā)生[3]。本文探討的該大型水電站勵磁系統(tǒng)采用輔助逆變器及電子跨接器為組合的滅磁控制新技術，能極大提升滅磁的可靠性。

1 滅磁設備與滅磁回路

滅磁裝置應保證包括發(fā)電機空載滅磁、發(fā)電機甩額定負荷滅磁、發(fā)電機空載誤強勵以及機端三相短路等事故工況下快速、可靠滅磁[4]。該電站發(fā)電機采用的NES6100勵磁系統(tǒng)的滅磁方式包括逆變滅磁和事故滅磁。

該大型電站發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的滅磁設備主要包含直流滅磁開關S101、交流滅磁開關S102、滅磁電阻、過壓跨接器U103以及電子跨接器CRB，其滅磁回路原理如圖1所示。

圖1 滅磁回路構成圖

其中勵磁系統(tǒng)直流滅磁開關S101為采用法國雷諾(LENOIR)的CEX06-7500 4.2 TS2000VDC型雙斷口直流磁場斷路器。該斷路器具有兩個跳閘線圈，額定最大分斷電壓為3 000 V，額定短路分斷能力80 kA，具有良好滅弧性能，能確保發(fā)電機在各種工況下滅磁時，能獨立、成功的開斷發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組磁場電流，且不會導致發(fā)電機繞組、滅磁電阻、滅磁開關等設備產(chǎn)生損壞。

交流滅磁開關S102采用德國西門子公司3AH3(3AH3078)交流磁場斷路器，具有兩個跳閘線圈，額定電壓17.5 kV，額定電流5 000 A，額定短路分斷電流63 kA，能切斷勵磁變低壓側最大短路電流，可獨立于直流滅磁開關S101成功滅磁。

滅磁電阻使用英國M&I公司生產(chǎn)的SiC(碳化硅)非線性滅磁電阻，其最高允許電壓2 250 V，容量為22 MJ，該容量有20%的冗余度，即80%非線性電阻投入就能滿足發(fā)電機出現(xiàn)嚴重事故時的滅磁要求。

2 滅磁工作原理

發(fā)電機正常停機采用逆變滅磁[5]。當機組解列后，電站監(jiān)控系統(tǒng)或現(xiàn)地控制柜向勵磁系統(tǒng)發(fā)勵磁退出令，隨后勵磁調(diào)節(jié)器將觸發(fā)角轉(zhuǎn)為逆變角，把轉(zhuǎn)子繞組中儲存的磁場能量通過逆變橋轉(zhuǎn)移至發(fā)電機交流電源側進行吸收。當發(fā)電機的機端電壓降低至20%額定電壓并且勵磁電流降低至5%額定電流時，延時6 s閉鎖脈沖，然后斷開交流滅磁開關S102，完成逆變滅磁，逆變滅磁流程如圖2所示。

圖2 逆變滅磁流程圖

當發(fā)電機故障或電網(wǎng)異常引起機組事故導致保護裝置動作時，采用跳直流滅磁開關S101，投輔助逆變器封脈沖，接入滅磁電阻方式進行滅磁。即當發(fā)生事故時，勵磁系統(tǒng)接收保護裝置開出的跳閘令，瞬間啟動調(diào)節(jié)器逆變、跳直流滅磁開關S101、投輔助逆變器封調(diào)節(jié)器脈沖和投入電子跨接器，將滅磁電阻投入，發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組與滅磁電阻形成回路。當機端電壓降低至20%額定電壓并且勵磁電流降低至5%額定電流時，延時6 s閉鎖脈沖，若S102已斷開，事故滅磁結束，事故滅磁流程如圖3所示[6]。

圖3 事故滅磁流程圖

在機組處于正常運行或者滅磁工況時，若轉(zhuǎn)子繞組兩側出現(xiàn)過電壓，則過壓跨接器U103就會動作，接入滅磁電阻進行消除。若持續(xù)出現(xiàn)過電壓或過電壓較大，電流繼電器就會動作，跳開直流滅磁開關及向保護發(fā)跳閘信號，執(zhí)行事故滅磁流程。

3 滅磁回路及控制

3.1 輔助逆變器回路及控制

輔助逆變器作為勵磁調(diào)節(jié)器的備用脈沖發(fā)生器，在機組正常停運時，不參與控制；當發(fā)生事故時，用來切除勵磁調(diào)節(jié)器的控制脈沖，可靠地實現(xiàn)逆變滅磁功能，大大挺高了事故時發(fā)電機滅磁的安全和可靠性。

輔助逆變器的組成包含電源模塊、信號模塊、脈沖模塊及FPGA處理器模塊。電源模塊既為輔助逆變器供電，同時作為功率柜的脈沖電源，區(qū)別于勵磁調(diào)節(jié)器脈沖電源，達到脈沖回路互相獨立的目的。

輔助逆變器的投入由兩路跳直流滅磁開關S101分閘信號開入，使得K532、K542繼電器投入實現(xiàn)逆變器脈沖控制，輔助逆變器信號回路如圖4所示。與此同時繼電器K532、K542線圈勵磁后，其另一對常開節(jié)點閉合使得封脈沖繼電器K671、K672線圈勵磁，K671、K672繼電器常閉節(jié)點斷開，切除來自勵磁調(diào)節(jié)器的脈沖，常開節(jié)點閉合投入來自輔助逆變器的脈沖，此時勵磁功率柜的狀態(tài)由輔助逆變器進行控制，封脈沖控制如圖5所示。從跳閘令開出至輔助逆變器脈沖投入的時長大約是30 ms，而一般大磁場斷路器分閘動作時間有40～110 ms，也就是說輔助逆變器能夠?qū)崿F(xiàn)在磁場斷路器分閘前逆變滅磁，保障事故停機時發(fā)電機滅磁的安全。

圖4 輔助逆變器信號回路圖

圖5 輔助逆變器封脈沖控制圖

由輔助逆變器回路分析可知，輔助逆變器由滅磁開關的分閘信號控制投入，獨立的脈沖回路及冗余控制回路確保輔助逆變器的投入及封脈沖，實現(xiàn)功率柜的逆變不依賴勵磁調(diào)節(jié)器的正常與否，大大提高了逆變可靠性。

3.2 電子跨接器回路及控制

在勵磁系統(tǒng)中，電子跨接器是利用電力電子元件來實現(xiàn)滅磁電阻的投入與退出過程控制的一種裝置。當發(fā)電機正常運行時，勵磁系統(tǒng)一次回路處于導通狀態(tài)，而電子跨接器處于斷開狀態(tài)，滅磁電阻不會接入與轉(zhuǎn)子繞組形成通路[7]。當發(fā)電機出現(xiàn)事故時，需要斷開滅磁開關及接入滅磁電阻進行故障滅磁，此時電子跨接器控制可控硅導通，將滅磁電阻接入滅磁回路，滅磁開始[7]。

該電站勵磁系統(tǒng)滅磁回路采用帶冗余觸發(fā)電路的電子跨接器，電子跨接器回路原理如圖6，勵磁回路原理如圖7所示。電子跨接器的控制板包括CRB1、CRB2，觸發(fā)電路分成有源觸發(fā)和無源觸發(fā)兩種方式。

圖6 電子跨接器回路圖

圖7 勵磁回路原理圖

兩套控制板的內(nèi)部電路結構一致，第一路為經(jīng)一路直流經(jīng)電源模塊后由繼電器節(jié)點控制投入的DC24 V有源控制電源，第二路為經(jīng)另一路直流經(jīng)繼電器節(jié)點投入的DC 220 V無源自控電源。

有源觸發(fā)電路采用有源多諧振蕩器觸發(fā)方式。在發(fā)電機勵磁系統(tǒng)接收到直流滅磁開關S101分閘令時，兩路投跨接器繼電器K531、K541線圈勵磁，其中一對常開節(jié)點閉合，將電子跨接器控制板DC24 V有源控制回路通電，同時另一對常開節(jié)點閉合，電子跨接器有源控制開入，控制板產(chǎn)生脈沖信號控制外部可控硅V109、V110導通，投入滅磁電阻與轉(zhuǎn)子繞組形成回路進行滅磁。

無源觸發(fā)電路主要有隔離繼電器模塊和觸發(fā)信號模塊，當發(fā)電機勵磁系統(tǒng)接收到直流滅磁開關S101分閘令時，兩路投跨接器繼電器K531、K541線圈勵磁，其常開節(jié)點閉合直接將主回路接入觸發(fā)回路使控制板得電，且無源控制開入，控制板產(chǎn)生脈沖信號控制外部可控硅V109、V110導通，投入滅磁電阻與轉(zhuǎn)子繞組形成回路進行滅磁。

由電子跨接器的控制回路分析可知，跨接器是由滅磁開關的分合閘信號來控制導通和關斷的，與傳統(tǒng)的機械跨接器相比具有動作時間短且無機械磨損的優(yōu)點。2個外部可控硅V109/V110與2套控制板及2套觸發(fā)電路組成了滅磁電阻的多重冗余投入滅磁回路的方式及電子跨接器動作迅速的特點不僅能實現(xiàn)發(fā)電機快速滅磁，而且增加了滅磁回路的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結 語

本文簡要闡述該大型水電站勵磁系統(tǒng)的滅磁配置及滅磁流程，然后對滅磁系統(tǒng)的輔助逆變器及電子跨接器的控制流程進行說明。該水電站滅磁回路設計與其他水電站傳統(tǒng)滅磁回路相比，增加了輔助逆變器的新技術應用，同時對跨接器回路進行了改進，采用多重冗余觸發(fā)電路電子跨接器，其設計優(yōu)勢，一是輔助逆變器的應用使得勵磁系統(tǒng)進行事故滅磁時，逆變工作狀態(tài)不再依賴勵磁調(diào)節(jié)器，提升了滅磁的可靠性；二是電子跨接器回路多重冗余配置極大地提升了滅磁電阻投入的可靠性。從該大型水電站滅磁回路進行分析發(fā)現(xiàn)，其滅磁可靠性非常高，因該大型水電站目前尚未投運，其滅磁性能還需要經(jīng)過現(xiàn)場試驗及運行驗證，但可供行業(yè)內(nèi)其他大型水電站滅磁回路設計參考借鑒。