張少虹

摘要：發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)是水力發(fā)電廠兩大核心輔助設(shè)備之一，是控制發(fā)電機(jī)無功及電壓的核心設(shè)備，其可靠性還涉及電網(wǎng)安全。為提高功率單元的可靠性，一般均采用多組功率單元并聯(lián)運(yùn)行的方案，多組功率柜同時工作，在發(fā)電機(jī)額定工況時，整流橋的均流系數(shù)不應(yīng)低于0.9;在空載額定時，并聯(lián)整流橋的均流系數(shù)不應(yīng)低于0.85。隨著勵磁系統(tǒng)運(yùn)行年限的增加，各種因素的疊加影響，部分水電站勵磁系統(tǒng)均流系數(shù)出現(xiàn)降低情況，嚴(yán)重影響機(jī)組可靠運(yùn)行。本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，簡要論述影響均流系數(shù)的因素，提出一種物理均流的解決方案，在不更換可掛硅等重要部件的情況下，將勵磁系統(tǒng)均流系數(shù)恢復(fù)至規(guī)范要求范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：勵磁系統(tǒng)、均流系數(shù)、物理均流

一、影響均流系數(shù)的因素分析

一般情況下，并列運(yùn)行的功率柜受可控硅本身的特性、裝置結(jié)構(gòu)的排布、運(yùn)行環(huán)境、控制環(huán)節(jié)等方面的影響。

（一）通態(tài)壓降對均流的影響。穩(wěn)態(tài)條件下，單個晶閘管輸出特性之間的差異直接影響電流分配均衡，首先應(yīng)選擇通態(tài)電壓相同的元件并聯(lián)，保證靜態(tài)均流。

（二）元器件溫度對動態(tài)均流的影響。晶閘管正向?qū)▔航凳侵冈谝?guī)定條件下晶閘管導(dǎo)通后，通態(tài)電流在器件陽極--陰極間所產(chǎn)生的電壓降。晶閘管正向?qū)▔航涤山Y(jié)壓降，體壓降和接觸壓降組成。接觸壓降主要由工藝過程及裝配所決定，與半導(dǎo)體和金屬間的接觸質(zhì)量，材料性質(zhì)和組裝質(zhì)量等有關(guān)。

（三）元件開關(guān)時間對動態(tài)均流的影響。動態(tài)電流不均勻是由元器件的開關(guān)時間不同步引起的。并聯(lián)晶閘管開通時間不一致不緊會造成并聯(lián)支路在開通過程中的瞬態(tài)不均流，而且對各并聯(lián)支路中平均電流的均衡也有較大的影響。

（四）母線配置對靜態(tài)均流的影響。對于通態(tài)電阻相同的一組并聯(lián)元器件，母線的接入方式也會造成電流分配的不平衡。這是因?yàn)槟妇€存在電阻，自感以及互感等。另外，在工作電流較大的場合，母線的配置直接影響磁場及回路阻抗分布，導(dǎo)致連接在不同位置上晶閘管流過的電流不同。

綜上所述，影響晶閘管并聯(lián)均流的因數(shù)有較多，在設(shè)計(jì)并聯(lián)電路時，應(yīng)盡可能選用參數(shù)匹配的器件，對稱的并聯(lián)電路布局，并使各種寄生電感最小化，以利于器件并聯(lián)運(yùn)行時達(dá)到理想的均流效果。實(shí)際運(yùn)行中，由于受到各種客觀因數(shù)限制，往往需要折衷考慮各種影響因數(shù)。

二、對發(fā)電機(jī)組的危害

在多功率整流單元并聯(lián)運(yùn)行的勵磁系統(tǒng)中，由于可控硅或整流二極管特性參數(shù)差異，并聯(lián)的功率整流元件阻抗有偏差，功率橋結(jié)構(gòu)布局不同，并聯(lián)元件交、直流側(cè)銅排或電纜阻抗不一致等，導(dǎo)致并聯(lián)功率整流橋（或同一相的并聯(lián)元件）的輸出電流不相等。當(dāng)輸出電流嚴(yán)重不均衡時，可能造成輸出電流小的整流元件利用率低，輸出電流大的整流元件因過負(fù)荷而損壞，對發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行帶來重大隱患。

三、解決方案探索研究

（一）智能物理均流控制原理

采用智能物理均流控制器，原理如下示意圖。Ea、Eb、Ec、為三相勵磁電源，La、Lb、Lc、為勵磁電源各相漏抗及各相聯(lián)接電纜電抗之和，1QS、2QS 分別為三相整流橋 1、整流橋 2 的交流輸入開關(guān)。三相勵磁電源與整流橋交流輸入開關(guān)之間的虛框部分為串接的物理均流控制器。將電抗器與控制部件集中封裝成一個整體，一個進(jìn)線端 A，兩個 出線端 A1、A2，進(jìn)線端子 A 與勵磁電源 A 相進(jìn)線連接，出線端子 A1、A2 分別 接#1、#2 整流橋交流輸入開關(guān)進(jìn)線側(cè)。B、C 相與 A 相完全相同，A、B、C 三 相，每相串接一只。

以 B 相為例，L1、L2 為均流電抗器的等值電感。 由電感的定義，L1、L2 的電感量分別為：

控制電抗器副邊電流 I12、I22，改變了上式中分子的大小，副邊電流的改變，同時改變了電抗器鐵芯磁路的磁阻 Rm，最終改變了電抗器 L1、L2 的大小，達(dá)到均流的目的。設(shè)導(dǎo)通時 I1>I2，控制器根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，實(shí)時調(diào)整控制器內(nèi)部邏輯，使 I12 減小，I22 增大，則電抗器 L1 的鐵芯磁路磁阻減小，磁通量增大，電感量增大;電抗器 L2 的鐵芯磁路磁阻增大，磁通量減小，電感量減小。電感量的變化使 I1 減小，I2 增大，最終使 I1、I2 趨于相等，反之，I1<I2 時，調(diào)節(jié)過程相反。

由整流橋的換相過程進(jìn)一步分析可知，通過上述調(diào)整，I1= I2，即能保證#1、#2 整流橋+B 相橋臂電流相等，-B 相橋臂電流相等，A 相、C 相的原理與 B 相相 同。三相都接入 控制器后，即能保證兩橋各相橋臂電流都相等，達(dá)到兩橋均流目的。

（二）智能物理均流的優(yōu)點(diǎn)

1、均流系數(shù)高，實(shí)測安裝后均流系數(shù)達(dá) 99%，能有效解決功率柜輸出不平衡。

2、對整流橋交直流側(cè)銅排（或電纜）布置無嚴(yán)格要求，現(xiàn)場適應(yīng)性強(qiáng)。

3、調(diào)節(jié)過程智能化，無須人為干預(yù)。

4、智能物理均流采用純物理方式，不在可控硅的脈沖回路串接調(diào)整電路，可靠性高。

5、智能物理均流失效時，相當(dāng)于在電路中不起作用，對主回路無影響，安全性高。

6、智能物理均流方式對可控硅或二極管整流橋均適用。

（三）案例應(yīng)用

內(nèi)蒙古大唐國際海勃灣水利樞紐開發(fā)有限公司安裝四臺燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，2014年4臺機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，勵磁系統(tǒng)采用靜止可控硅自并勵方式，雙功率柜并列運(yùn)行，2021年以來勵磁系統(tǒng)均流系數(shù)降至0.85以下，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。2021年10月實(shí)施技術(shù)改造，采用智能物理均流方式，將電抗器與控制部件集中封裝成一個整體，一個進(jìn)線端，兩個出線端，進(jìn)線端子與勵磁電源進(jìn)線連接，出線端子分別接#1、#2 整流橋交流輸入開關(guān)進(jìn)線側(cè)，見以下示意圖。A、B、C 三相，每相串接一只。改造后，均流系數(shù)均達(dá)到0.95以上。

結(jié)束語：

大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵磁系統(tǒng)對均流系數(shù)有嚴(yán)格要求，采用智能物理均流具有精度高、智能化、純物理等特點(diǎn)節(jié)，無需更換可控硅及勵磁調(diào)節(jié)器等重要設(shè)備，具有較好的經(jīng)濟(jì)性，為水電站解決勵磁系統(tǒng)均流系數(shù)不合格問題提供了新方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]DLT 5038-2012 燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組安裝工藝規(guī)程、DLT 489-2018 大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵磁系統(tǒng)試驗(yàn)規(guī)程