阿海水電廠靜態勵磁系統的應用與設備選型分析

任小超 劉叢洲

（1.云南華電金沙江中游水電開發有限公司，昆明 650228； 2.國網鎮江供電公司，江蘇 鎮江 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八級的第四級電站。電站裝機容量2000MW（5×400MW），以500kV 一級電壓接入云南電網運行，在系統中擔負基荷及調頻、調峰和事故備用任務。阿海水電廠發電機勵磁系統采用廣州電器科學研究院EXC9000 靜態勵磁系統，型號為FJL-7 GAI-PADE3B。

1 阿海水電廠勵磁系統

1.1 阿海勵磁系統的特點

EXC9000 系統的主要特點是功能軟件化、系統數字化，該系統的數字化不僅體現在調節器，也體現在功率柜和滅磁柜上。勵磁系統的各個部分均能實現智能檢測、智能顯示、智能控制、信息智能傳輸和智能測試，極大地提高了裝置的可靠性。

1.2 勵磁系統的組成及功能

阿海水電廠EXC9000 靜態勵磁系統主要由調節器、人機界面、對外接口、功率柜、滅磁及過壓保護、勵磁變壓器等組成。

1）調節器

EXC9000 勵磁調節器為雙微機三通道調節器，其中A、B 通道為微機通道，其核心控制器件是32位總線工控機，C 通道為模擬通道，這三個通道從測量回路到脈沖輸出回路完全獨立。

2）功率柜

阿海EXC9000 勵磁系統的功率柜為智能化功率柜，為3 臺并聯運行模式。

3）滅磁及過壓保護單元

該單元的作用是當收到發電機保護或者來自內部的勵磁保護跳閘命令，在斷開磁場斷路器的同時切斷脈沖，勵磁電流通過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，在斷開磁場斷路器的同時除切斷脈沖外還觸發晶閘管跨接器以接通滅磁電阻。采取該措施后，勵磁變副邊交流電壓被疊加到磁場斷路器的電弧電壓上，可以保證能量可靠轉移及縮短滅磁時間。

4）起勵單元

勵磁系統采用兩種起勵方式：機組殘壓起勵和外部輔助電源起勵。殘壓起勵功能可以通過調節柜人機界面上的功能按鍵進行投退。在10s 內殘壓起勵失敗時，勵磁系統可以自動起動外部輔助電源起勵回路。在機端電壓達到額定電壓的10%時，起勵回路將自動退出，立即開始軟起勵過程將機端電壓建立到預置的電壓值。

2 阿海勵磁系統幾個重要設備的選擇

2.1 勵磁變壓器的選擇

勵磁變壓器二次側額定電壓應能滿足發電機在1.1 倍額定勵磁電流下長期運行要求，并留有足夠裕度；發電機機端電壓下降到80%額定值時，二次側額定電流能提供2 倍強勵電流；整流橋為三相全控橋，最小控制角α= 15°。計算變壓器二次電壓u2N：

式中，ufN為發電機額定勵磁電壓，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，對于三相全控橋c=0.5；ImIn為強勵時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，為0.966。

因變壓器容量應留有一定裕量，發電機額定工況下，其阻抗壓降將小于額定值，故可取u2N=890V

勵磁變壓器容量Sn為保證發電機組在1.1 倍額定勵磁電流下長期運行的數值，選擇的勵磁變壓器容量應比上述數值更大，由式（2）可計算勵磁變壓器的容量：

再考慮10%的容量裕度：

由于勵磁變壓器本身具有過載能力，其在2 倍過載情況下持續時間超過50s，故可以選取三個單相容量為1450kVA 的變壓器，即總容量為4350kVA。

阿海水電廠勵磁變壓器采用3 個單相自然風冷環氧澆注干式變壓器，布置在上游副廠房母線出線層內，勵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，單個整流橋的負荷能力3000A。功率整流器采用強迫風冷，采用德國EBM 公司D2E 160-AB01-06 離心式風機，單個風機風量為1195m3/h，選擇兩組，每組兩臺，正常運行時一組主用，另一組備用，滿足所需風量要求。

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，必須選擇并聯冗余。要滿足最小冗余度的要求，方案是4并，為得到相對快的滅磁時間，取并聯的非線性電阻組數NRP=5。受最惡劣工況下最高滅磁電壓的限制，串聯的組數不宜過高，故取串聯的組數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，故障時將退出一個并聯支路，滅磁電阻的使用能容極限為

滅磁電阻選擇英國M＆I Materials 公司的Spec.6361 SiC 非線性電阻，單組滅磁電阻電壓系數ARS為29W；單組滅磁電阻非線性系數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；發電機空載過壓保護啟動時的勵磁電流If為4283A；勵磁系統在強勵時，又發生發電機機端三相短路，滅磁時的初始電流IffSC為8000A。

對于同一型號電阻進行串并聯而形成的整組SiC 非線性電阻，其整組特性可由式（3）表達：

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

1）發電機強勵期間發生機端三相短路動作滅磁計算

滅磁電壓計算，在IffSC=8000A 情況下計算滅磁開關最小弧壓，IffSC全部流入非線性電阻產生的電壓URSC為

滅磁能量計算，強勵期間發生機端三相短路滅磁時滅磁電阻吸收能量的計算值：

2）發電機空載過壓保護動作滅磁瞬間計算

（四）及時補鐵 鐵是造血和防止營養性貧血的營養物質，新生仔豬體內鐵的貯存量一般為50 mg，每日生長代謝約需消耗7 mg，從100 ml的母乳中僅得到0.2 mg左右的鐵，可見，仔豬得不到鐵的補充，可于7日齡左右出現缺鐵性貧血，生長發育受阻，食欲減退，抵抗力下降，易患白痢。廣西西江農場對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，與對照組相比，成活率提高7.62個百分點，增重提高37個百分點。廣西農墾畜牧研究所對3～5日齡的仔豬肌注牲血素每頭1 ml，增重比對照組提高10.99%，成活率提高15.78%。亦應注意銅和鈷的補充。

滅磁電壓計算，在If＝4283A 情況下計算滅磁開關的最小弧壓，If全部流入非線性電阻產生的電壓UR為

滅磁能量計算，發電機空載過壓保護動作滅磁時滅磁電阻吸收能量的計算值

2.4 滅磁開關的選擇

滅磁開關選用瑞士Secheron 公司的UR40M-64S磁場斷路器，開斷電流與最高電壓為60kA/4000V。

1）滅磁開關短路開斷電流校驗

滅磁開關開斷電流能力，是保證發電機轉子滑環短路時滅磁開關能可靠分斷此短路電流而不損壞。發電機轉子滑環短路時的轉子電流大小只考慮勵磁變的短路阻抗時，應該是最大的短路電流值。其估算公式為

式中，I2N為勵磁變額定二次電流；xT為勵磁變短路阻抗。

2）滅磁開關滅磁弧壓校驗

滅磁開關弧壓參數應與滅磁電阻參數配合，并滿足下列關系：

式中，UDCarc為滅磁開關斷口弧壓，UR和UE分別為滅磁開關斷開時的滅磁電阻上出現的最高滅磁電壓和電源電壓。對于非線性電阻，其最高滅磁電壓為

考慮機端三相短路和空載誤強勵兩種最惡劣情況。

校驗情況一：發電機強勵期間發生機端三相短路滅磁時滅磁開關弧壓校驗。

此時電源電壓為0。需要的磁場斷路器弧壓為

UR40M-64S 滅磁開關的弧壓為6000V，高于1337V。

校驗情況二：發電機空載過壓保護動作滅磁時滅磁開關弧壓校驗。

此時的電源電壓UEL為

UR40M-64S 滅磁開關的弧壓為6000V，滿足要求。

3 結論

勵磁系統是電力系統控制的重要組成部分，它直接影響著發電機的運行可靠性、經濟性和電力系統運行的穩定性。經過計算分析可見，阿海水電廠勵磁系統的勵磁變壓器、滅磁電阻和滅磁開關的選型，足夠滿足機組在各種工況下安全滅磁，保證機組的安全運行。靜態勵磁系統在阿海水電廠的成功應用，也為類似的水電項目的選型實施提供了一定的參考價值。

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

[2] 余軍,張勇.靜止式勵磁系統在丹江口水力發電廠的應用[J].水電站機電技術,2011,34(6): 21-26.