大型水輪發電機勵磁系統關鍵器件和起勵方式選擇的研究

王海軍，陳小明

（1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京210061；2.長江電力有限股份公司，湖北宜昌443002）

1 引言

近年來，我國經濟發展迅猛，對于電力資源需求也相對嚴峻，尤其到夏季來臨，在東南沿海地區出現“拉閘限電”的現象。為了緩解日益增長的電力需求，我國加大了水利電力建設的力度。

勵磁系統作為發電機電力系統的核心控制裝置之一，對發電機和電力系統的穩定運行有著關鍵性的作用，所以勵磁系統中器件的正確選擇對電力系統非常重要，同時該系統設計的可靠性、可維護性、便于操作等性能將影響電力系統的可靠，也影響著后期日常維護和檢修過程。

2 勵磁設計主要元器件選擇

由于靜止自并勵勵磁系統形式接線簡單，維護方便，并具有固有的高起始快速響應特性，使之成為新建發電機勵磁系統的主流形式，其勵磁系統圖如圖1所示。

圖1 靜止自并勵勵磁系統接線圖

圖1中，AVR為勵磁調節器，LCB為勵磁變壓器，ZLQ為可控硅整流器，FMK為發電機滅磁開關。由圖1可知，發電機勵磁電源由勵磁調節器控制的可控硅整流裝置提供，而勵磁整流裝置的輸入交流電由并接在發電機機端的勵磁變壓器提供。因此可知發電機勵磁系統主要設備為：勵磁變壓器、可控硅整流裝置、滅磁開關。

2.1 勵磁變壓器的選擇

因為勵磁變壓器并聯在發電機機端，故勵磁變壓器的原邊額定電壓和發電機機端電壓一致。

勵磁變壓器副邊額定電壓的設計由電力系統根據發電機在電網中的位置所決定，主要通過對勵磁系統的勵磁電壓強勵倍數體現。勵磁變壓器副邊額定電流設計時要根據DL／T583-2006的要求：滿足勵磁系統應保證當發電機的勵磁電壓和勵磁電流為發電機額定負載下勵磁電流和勵磁電壓1.1倍時，能長期連續運行。

勵磁系統工作過程中，由于勵磁變壓器線圈的阻抗會分擔一部分電壓，同時可控硅整流橋在換相過程中也損失一部分電壓。大型水力發電機的勵磁系統交直流進出線一般通過電纜將勵磁變副邊和勵磁整流柜、滅磁開關柜和發電機轉子連接，且距離較長，使得電纜本身及轉子集電環也對電壓產生損耗，這些損耗將影響勵磁系統對發電機轉子施加頂值電壓。因此在分析計算勵磁變低壓側電壓時，需要考慮上述因素，否則通過計算所得到的勵磁變二次電壓將偏低，影響強勵的效果。

2.2 可控硅整流裝置的選擇

根據 GB／T7409.3-2007 和 DL／T583-2006 的要求：并聯運行的勵磁系統整流支路中有一個支路退出后，剩余支路需要滿足發電機所有的功能。為此得到勵磁系統設備的柜體總數為N＋1，其中N為滿足強勵運行的功率柜數量最小值。

對于大型水輪發電機組，一般取N＝3，此時要求整流柜單柜輸出也被確定。整流柜數量和單柜出力確定后，對于勵磁整流柜需要選擇整流柜內部使用的可控硅元件。選擇可控硅元件時部分人員存在一個誤區，即認為選擇額定電流較大的可控硅，就可以提高整流裝置的出力。根據理論研究和試驗驗證可知，通過提高可控硅的參數可以提高整流裝置的出力，但是提高程度很有限，選擇優異的散熱器、風機和結構優良的風道則更有利于增大裝置的出力。

可控硅額定電壓的選擇要依照可控硅可重復額定電壓定義進行，即在額定結溫和門極斷路情況下，允許重復加在陽極和陰極間的峰值電壓。由于可控硅陽極和勵磁變壓器的副邊直接連接，故選擇可控硅額定電壓是要以勵磁變副邊額定電壓為基礎進行選擇，同時還需考慮如下各個因素。由于可控硅整流柜在工作過程中，會持續產生換相過電壓，以及勵磁系統在發生甩負荷、誤強勵等工況時，發電機機端電壓會升高。為了滿足以上工況下勵磁整流柜仍不被擊穿，選擇的可控硅額定電壓一般不能小于2.75倍額定勵磁變副邊電壓的峰值。

2.3 滅磁開關的選擇

滅磁開關的選擇主要需要考慮的參數為額定電流、額定電壓、滅磁弧壓、分斷能力等，這些需要滿足 ANSI／IEEE C37.18 標準要求。

滅磁開關額定電流需要滿足DL／T583-2006的要求，即其額定電流應不低于負載額定勵磁電流的1.1倍；額定電壓應能滿足開關的長期工作需要，所以不應低于勵磁變低壓側電壓的峰值電壓；額定分斷能力需滿足當轉子被短路時斷開勵磁回路的工況。開關弧壓的選擇與滅磁方式及滅磁速度有關。

選擇滅磁開關時，一般先通過額定電流、額定電壓、分斷能力初步選擇開關型號，然后根據對滅磁時間的需求，結合對滅磁電阻殘壓電壓大小，選擇適當的殘壓進行弧壓的選擇。

3 勵磁系統起勵回路控制方式的設計探討

自并勵勵磁系統的起勵裝置是建立發電機初始磁場的裝置。起勵回路的合理設計有利于發電機的可靠起勵。大型水輪發電機的他勵起勵方式一般采用交流起勵、直流起勵方式進行，考慮到起勵電源容量的配置和起勵速度的要求，所選取起勵電流的大小要求在不超過轉子空載額定勵磁電流的10%時可靠起勵，而起勵電流的大小主要取決于勵磁調節器對勵磁同步電壓的檢測能力來決定。

勵磁系統采用交流起勵方式時起勵回路如圖2所示。

圖2 交流起勵回路

起勵回路由起勵變壓器QLB、三相二極管整流橋V1等構成。大型水輪發電機其空載額定勵磁電流一般為2000A左右，但是其轉子電阻較小，一般為0.1Ω左右，故直流起勵電壓一般為20V左右，而起勵變原邊電源取自AC380V的廠用電，因此大型起勵變壓器是降壓變壓器。根據變壓器的性質，將變壓器原邊阻抗電路等效到副邊后，相當于減小了起勵回路的輸出阻抗和能量的損耗，使轉子更加有效地利用了起勵電源。起勵退出時可以通過先退交流K1，后退直流K2的方式，減小對直流側接觸器的要求，增加K2的壽命。

圖3 直流起勵回路

采用直流起勵方式時起勵回路如圖3所示。

起勵回路由限流電阻R1、隔離二極管V等組成。由于直流起勵電源來自廠用直流，電壓一般為DC220V／DC110V，電壓比較高，為了限制起勵電流，必須選擇適當的電阻來限制，使大量的電源消耗在續流電阻R上，提高了起勵接觸器對分斷能力的要求，甚至對廠用直流有較高的要求都會威脅廠用直流系統的穩定，故對于大型機組不建議使用直流起勵方式。

有部分人認為直流系統可靠，設置直流起勵有利于發電機組的黑啟動，如果當電廠確實發生黑啟動時，通過直流起勵損失大量的的直流電，更會造成直流的迅速消耗，拉垮直流電造成次生災害，但是如果將直流電變成UPS交流電后，通過交流起勵的方式，將使用較少的能量完成黑啟動方式，同時發電廠一般都備有柴油發電機，很容易得到小功率的交流電。如果給每臺機組均配置直流起勵，電廠對直流的投資是非常大，經濟效益也較差，尤其對機組較多的大型電廠。考慮每臺機組同時停機情況下又需要進行黑啟動運行，這種工況發生的概率較小，即便真發生了，也不需要每臺機組同時進行黑啟動，可以首先用柴油發電機進行一臺機組的起勵，建立電廠廠用電系統，然后其他機組逐漸發電，因此對于大型水輪發電機使用直流起勵方式并不合理。

4 結論

通過對勵磁系統關鍵器件的分析，得出了工程上選用的計算依據和方法，并對大型水輪發電機自并勵勵磁系統起勵方式進行了探討，得出了大型水輪發電機組適宜采用交流起勵的結論。

［1］王海軍.提高可控硅整流裝置輸出電流能力的研究及試驗驗證［J］.電氣傳動，2011.

［2］李基成.現代同步發電機勵磁系統設計及應用［M］.中國電力出版社，2002.

［3］GB／T7409.3-2007同步電機勵磁系統大中型同步發電機勵磁系統技術要求.

［4］DL／T583 2006大中型水輪發電機靜止整流勵磁系統及裝置技術條件.

［5］劉立平，.電力電子技術［M］.機械工業出版社，2000.