水輪發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)關鍵技術研究

劉高睿

(哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040)

隨著我國水利水電事業(yè)的日趨成熟，水輪發(fā)電機呈現出高電壓、大機組、多擾動等特點。勵磁系統(tǒng)對水輪發(fā)電機穩(wěn)定運行、保障電網安全起到了至關重要的作用。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，提升供電質量，必須優(yōu)化勵磁系統(tǒng)。從系統(tǒng)組成上來看，其主要包含勵磁變壓器、整流柜、磁場斷路器、晶閘管、通信單元等，可從這些設備著手，對關鍵技術進行創(chuàng)新和優(yōu)化，使勵磁系統(tǒng)在水輪發(fā)電機組運行過程中發(fā)揮更穩(wěn)定的作用。

1 晶閘管脈沖與起勵技術

勵磁系統(tǒng)中使用的三相全控橋晶閘管，其脈沖形態(tài)有3種，其中由于360°單寬脈沖功耗較大，已逐漸被雙窄脈沖代替。根據頻率不同，雙窄脈沖可分為60°的雙窄脈沖和120°的雙窄高頻脈沖兩種類型。從應用效果上來看，勵磁調節(jié)器發(fā)出雙窄脈沖后可直接作用于晶閘管，系統(tǒng)結構更加簡單，提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性，成為三相全控橋晶閘管的主要脈沖形式，120°雙窄高頻脈沖陣列的高頻脈沖頻率區(qū)間為10～50 kHz，可根據勵磁系統(tǒng)運行需要靈活調控，使其保持在較低的功耗狀態(tài)，在一些大型水輪發(fā)電機中較為常見。起勵技術分為有他勵起勵和殘壓起勵兩種，其原理是利用120°單寬高頻脈沖陣列來延長晶閘管觸發(fā)時間，達到降低整流柜輸出側并聯起勵連續(xù)電阻的目的。

2 交直流雙冗余滅磁技術

大型水輪發(fā)電機組運行過程中，轉子勵磁繞組會產生大量的磁場儲能，如果不能有效消解，當能量積累到一定程度后，將會引起發(fā)電機故障，這時就需要使用滅磁技術。常規(guī)的滅磁方法有非線性電阻滅磁、全控橋逆變滅磁，從實際應用效果來看，滅磁不夠徹底，磁場儲能對水輪發(fā)電機產生的危害無法徹底消除。大量實踐證明，交直流雙冗余滅磁技術是一種可靠性好、安全性強的滅磁技術，其原理是利用磁場斷路器跳閘前閉鎖晶閘管脈沖，使發(fā)電機轉子側鋸齒波變?yōu)榻涣鞑ǎ瑢崿F交流滅磁。通過人為設定延遲響應時間，使交流斷路器滯后于直流斷路器100 ms跳閘，實現交流-直流雙冗余滅磁。

應用此滅磁技術時，需要注意保證動作時序的正確性，即控制終端發(fā)送跳閘指令，該信號到達勵磁調節(jié)器，啟動跨接器投滅磁電阻，完成逆變，依次完成直流磁場斷路器動作、交流磁場斷路器動作，最后勵磁整流柜發(fā)出封閉脈沖，完成一個滅磁周期。此時檢測磁場儲能，如果能量超過允許范圍，繼續(xù)進行下一周期的滅磁，直到能量降至允許范圍。

3 磁場斷路器和滅磁電阻技術

電阻滅磁是勵磁系統(tǒng)中常用的滅磁方法，根據電阻結構組成不同，可以分為線性放電電阻和非線性電阻兩種類型。從材質上來看，碳化硅(SiC)是近年來大中型水輪發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)中較為常見的一種材料，而小型水輪發(fā)電機出于成本方面的考慮，更多的是選擇氧化鋅(ZnO)閥片滅磁。勵磁系統(tǒng)中，滅磁電阻通常與放電觸頭串聯，可以進一步提高換流和移能效果。磁場斷路器根據電極數量的不同，可以分為雙極(2斷口)和單極(1斷口)兩種形式。前者主觸頭和弧觸頭相互分離，進一步提高了滅磁效果，無論是最大分斷電流還是最大弧壓，都比單極斷路器更強。后者只有主觸頭，結構簡單，運行穩(wěn)定，后期維護和檢修方便。

4 整流柜過電壓抑制和吸收技術

整流柜在保證勵磁系統(tǒng)安全方面發(fā)揮了重要作用，也是整個勵磁系統(tǒng)的重要組成部分。勵磁整流柜的過電壓保護，需要根據水輪發(fā)電機的額定電壓來設置。如果配置不足，對過電壓的吸收能力不夠，就達不到預期的過電壓保護效果，反之，如果配置過剩，則會增加成本。理想狀態(tài)下，配置整流柜過電壓保護系統(tǒng)時，需要掌握被保護對象的運行參數，包括額定電壓、額定功率等，根據具體參數設定勵磁系統(tǒng)的整定值，才能以較低的成本投入，獲得良好的勵磁保護效果。過電壓吸收電阻還可以與滅磁電阻聯合使用，進一步豐富勵磁系統(tǒng)的保護功能。

5 大型熱管整流柜應用技術

傳統(tǒng)的熱管整流柜每運行一段時間，就需要維護人員進行清潔處理，將風機和濾網拆下來進行清洗，不僅增加了工作量和人工成本，每次停機檢修還會對水電廠的經濟效益產生影響。近年來，一種“自冷式”熱管整流柜在水利水電行業(yè)中得到了廣泛推廣。相比于普通設備，新型熱管整流柜在末端增加了冷凝裝置。晶閘管散熱器在運行時散發(fā)熱量，在冷凝端重新凝結成液體，通過重力回流，重新到達蒸發(fā)端，循環(huán)往復，實現自冷。從運行效果上來看，這種“自冷式”熱管整流柜不需要頻繁啟動冷卻風機，維護次數顯著降低，節(jié)約了人工成本和維護費用。同時，也降低了設備故障率，實現了勵磁系統(tǒng)的不停機運行。

6 智能監(jiān)測和自動保護技術

大型水輪發(fā)電機組中，由于勵磁系統(tǒng)結構較為復雜，完全依靠技術人員做好運行監(jiān)管和定期維護，不僅壓力大，且潛在故障無法及時發(fā)現，會影響勵磁系統(tǒng)功能的發(fā)揮。隨著AI技術的發(fā)展，智能監(jiān)測和自動保護技術在勵磁系統(tǒng)中得到廣泛應用。勵磁調節(jié)器應配置發(fā)電機電壓互感器(TV)斷線監(jiān)測，準確判斷并切換通道或轉換調節(jié)模式。TV慢熔監(jiān)測方法非常簡單，在保留已有的TV斷線監(jiān)測功能基礎上，增加低整定值延時報警功能，即TV慢熔監(jiān)測，提醒電站人員檢查和處理。

7 基于光纖網絡的通信技術

智能監(jiān)測和自動控制逐漸成為水輪發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)的核心技術。雖然智能控制技術在勵磁系統(tǒng)中已得到廣泛運用，但是以往使用的通信模塊主要以有線通信為主，即通過設備預留串口插入連接線，在不同設備之間完成信號傳輸。這種通信模式存在兩個弊端：一是勵磁系統(tǒng)電氣設備多，線路復雜，維護不方便，二是不同串口之間兼容性差，影響通信質量，延時響應情況嚴重。基于光纖網絡的通信技術，利用光纖代替金屬導線完成信號傳輸，保證了傳輸速率，提高了抗干擾能力，支持大容量信息傳輸，在大型水輪發(fā)電機組的勵磁系統(tǒng)運行中有著良好表現。

8 結語

勵磁系統(tǒng)性能的好壞對水輪發(fā)電機組運行穩(wěn)定性、電網安全性具有重要影響。研究和創(chuàng)新勵磁系統(tǒng)關鍵技術，特別是智能監(jiān)測和自動保護技術、大型熱管整流柜應用技術、整流柜過電壓抑制和吸收技術等，能夠從不同角度提升勵磁系統(tǒng)性能和系統(tǒng)整體功能。