特大型機組勵磁系統關鍵技術研究與應用

鄒來勇 桂遠乾 王成明

摘要：特大型機組勵磁電流大、電壓高，在勵磁變壓器和滅磁系統的選型、滅磁過程計算以及整流柜冷卻設計等方面給勵磁系統設計帶來巨大挑戰。為解決這些問題，開展了國內外調研，并進行了相關基礎研究。聯合中國制造單位研制出3 000 kVA大容量單相勵磁變壓器樣機，首次提出了交直流冗余滅磁方案；研究出滅磁過程的工程計算方法，以及封閉環境下整流柜冷卻系統。研究結果表明，基于以上關鍵技術所提出的勵磁系統設計方案，滿足特大型發電機安全可靠運行要求。該方案成功應用于三峽電站和國內其他特大型發電機組，并取得了一系列創新成果。

關鍵詞：特大型機組； 勵磁系統； 環氧澆注干式勵磁變壓器； 冗余滅磁系統； 功率柜冷卻方式

中圖法分類號：TM312

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.013

文章編號：1006-0081（2023）07-0076-07

0 引 言

勵磁系統是發電機的重要組成部分，關系到電站及電力系統的安全可靠與穩定運行。發電機特別是大型發電機勵磁系統早期故障幾率相對較高［1-3］，至今仍時有發生，尤其以滅磁、功率柜事故為甚，損壞發電機設備，嚴重影響電站及電力系統的安全穩定運行［4］。以三峽電站為代表的單機容量為700 MW及以上特大型水電站發電機勵磁電流更大、電壓更高，給勵磁變壓器、滅磁系統、整流柜冷卻等各方面帶來新的挑戰。因此，迫切需要研究及解決特大型發電機勵磁系統技術。

在國家“九五”（第九個五年計劃）計劃期間，長江勘測規劃設計研究有限責任公司（以下簡稱“設計院”）提出了特大型發電機勵磁系統需要進一步研究和解決的關鍵技術，并列入“九五”國家重大科技項目（攻關）計劃的研究課題，包括特大型發電機勵磁系統控制方式、勵磁系統工藝及可靠性、滅磁及過壓保護、環氧澆注干式勵磁變壓器等研究。該研究課題以設計院為主，聯合國內高等院校、科研機構、制造單位共同攻關，取得了一系列成果。

在三峽電站的設計過程中，設計院在“九五”攻關研究成果的基礎上，結合工程實際，針對特大型發電機勵磁系統的幾個關鍵技術繼續開展了設計研究工作，凝練并提出了特大型機組勵磁系統需要進一步研究和解決的若干關鍵技術問題，包括：環氧澆注干式勵磁變壓器研究、交直流冗余滅磁系統方案、發電機誤強勵滅磁過程參數的實用計算方法研究、封閉環境下大型發電機勵磁功率柜冷卻技術研究等。其研究成果首次成功應用于三峽電站發電機勵磁系統。

1 環氧澆注干式勵磁變壓器

針對三峽電站勵磁整流變壓器，設計院與順德特種變壓器廠先后開展了基礎研究、設計、樣機制造、試驗驗證等工作［5-6］，主要解決了以下幾個關鍵技術問題。

1.1 主要參數確定

根據三峽左岸電站發電機技術交流中機組勵磁參數，確定勵磁變壓器樣機參數為頻率50 Hz，高壓側20/3 kV，低壓側1.25 kV，容量3 000 kVA，溫升為80 K。

1.2 電磁及結構設計分析

（1） 型式。為便于與分相封閉母線連接，利于運輸安裝，勵磁變壓器采用了單相變壓器組成三相變壓器組的結構形式。

（2） 磁密的選取及鐵芯設計。由于勵磁變壓器二次電流的非正弦性，在鐵芯中將會產生各高次諧波磁通，鐵芯會加快進入飽和狀態。另外，勵磁系統起動瞬間的頻率較低，磁密相應較高。因此，必須選取合適磁密，在設計時把磁密定為1.52 T以下。

鐵芯為雙面絕緣晶粒優質冷軋取向硅鋼片，全斜接縫，鐵軛拉帶拉緊，拉板結構，芯柱玻璃絲帶綁扎。采用先進的五階梯步疊鐵芯工藝，降低空載損耗和空載電流及噪音。

（3） 線圈。高、低壓線圈均為分段圓筒式，電磁線為H級的雙玻璃絲包銅扁線，絕緣材料為Nomex紙和CY225環氧樹脂，結構為玻璃纖維纏繞真空澆注。兩柱線圈采用并聯聯結，線圈絕緣材料耐溫等級采用H級，進一步加強線圈的過載能力。

（4） 屏蔽。為減少高、低壓之間的高次諧波影響，高、低壓線圈之間加繞了靜電屏蔽網，屏蔽繞組繞制在低壓線圈外側，與低壓線圈整體澆注，并且通過銅帶引出接地。

（5） 結構。為了三相聯結方便，低壓采用左右出線方式，各相按d接引線分別錯位引出，便于相與相之間的三角形連接，以降低三相連接的電阻不平衡率。低壓出線為分相電纜出線。高壓出線與分相封閉母線相接，帶有封閉母線連接法蘭。器身采用雙壓釘軸向壓緊，墊塊采用防震橡膠，提高抗短路沖擊能力。

1.3 諧波分析及溫升試驗

基于勵磁變壓器二次電流的非正弦性，對全控整流回路進行了諧波分析以及計算，得出各特征諧波的電流值見表1。

根據IEC61378《工業用整流變壓器》，對電阻損耗、渦流損耗、雜散損耗等進行了計算，算得在額定非正弦電流下總負載損耗為23 113 W，額定基波電流下總負載損耗為17 535 W，從而得到等效的負載損耗基波工頻試驗電流系數為23 113/17 535=1.15。

為了更準確驗證諧波電流對變壓器附加損耗和繞組溫升的影響，按1.15倍的基波電流值進行了溫升試驗，其部分測試結果見表2。

試驗結果表明其性能指標滿足任務書要求，勵磁變壓器附加損耗計算是準確的。

1.4 應 用

采用該項科技成果研制的產品SUNTEN勵磁變壓器已成為目前中國勵磁變著名品牌，除在三峽左、右岸電站26臺特大型發電機使用外，已廣泛應用于其他特大型水電機組，如廣西龍灘（6×700 MW）、貴州構皮灘（5×600 MW）、溪洛渡（14×700 MW）、向家壩（8×700 MW）以及烏東德（12×850 MW）水電站工程等。該技術填補了國內大型勵磁變壓器空白，改變了當時300 MW以上水輪發電機勵磁變壓器基本采用進口設備狀況。

2 交直流冗余滅磁系統

2.1 冗余滅磁系統配置方案及適用范圍

由于特大型發電機勵磁電流大、電壓高，要求直流磁場斷路器分斷電壓高、電流大，可供選擇的直流磁場斷路器滅磁分斷能力已接近極限，裕度很少。利用一種新型滅磁系統——交直流冗余滅磁系統較好地解決了這個問題，即在特大型發電機傳統直流滅磁系統中增加交流磁場斷路器，以較少的硬件費用完成了冗余滅磁系統的構建，大幅提高了滅磁可靠性。

交直流冗余滅磁系統方案見圖1，在勵磁功率整流器的直流側及交流側分別設置直流磁場斷路器（S101）和交流磁場斷路器（S102），滅磁電阻可采用碳化硅（SiC）或氧化鋅（ZnO）。

由于交流磁場斷路器無投入滅磁電阻的常閉觸頭，故必須另外單獨設置1套滅磁電阻投入開關S107，S107可采用電子開關或接觸器，這樣滅磁電阻就能在直流磁場斷路器拒動時，不依賴于直流磁場斷路器常閉觸頭而投入，實現獨立的交流滅磁。

此外，交直流冗余滅磁系統還應配置切脈沖裝置，以便在滅磁尤其是在誤強勵滅磁時能可靠地切除勵磁整流器的觸發脈沖。切脈沖應采用獨立簡單的硬布線接線，由繼電保護動作信號及斷路器輔助接點啟動。該接線不應依賴勵磁調節器，以便在勵磁系統調節器故障時，滅磁系統也能進行滅磁。

交直流冗余滅磁系統滅磁分斷除依靠磁場斷路器的分斷能力外，尚可利用勵磁變壓器副邊負半周的負電壓實現交流滅磁分斷，兼具直流滅磁系統及交流滅磁系統的優點，通過選擇不同分斷能力的交直流磁場斷路器，構成3種冗余度不同的滅磁系統，可根據電站規模和可靠性的要求進行選擇。

2.1.1 方案1：安全冗余的滅磁系統

該方案的直流磁場斷路器及交流磁場斷路器在發電機各種滅磁工況下，均可單獨承擔發電機滅磁任務。發電機在交流磁場斷路器或直流磁場斷路器任一故障拒動情況下，或切脈沖失敗時，滅磁系統在包括誤強勵在內的各種滅磁工況下均能可靠滅磁。該方案對發電機的各種滅磁工況均為冗余滅磁。

該方案的直流及交流磁場斷路器的滅磁分斷能力均按滿足發電機誤強勵滅磁分斷要求進行計算選擇，交流磁場斷路器尚需有足夠高的滅磁分斷弧壓，以滿足機端三相短路滅磁分斷的要求。

該方案適用于對發電機滅磁可靠性要求特別高的特大型電站，或對發電機滅磁可靠性要求極高且機端三相短路、交流磁場斷路器拒動幾率相對較大的大型電站。

2.1.2 方案2：除機端短路滅磁工況外為冗余的滅磁系統

該方案的直流磁場斷路器可單獨承擔發電機各種滅磁工況（包括誤強勵）的滅磁。交流磁場斷路器可單獨承擔除機端或勵磁變壓器至交流磁場斷路器間三相短路外的其他滅磁工況的滅磁。在發電機各種內部故障時，交流或直流磁場斷路器均可單獨承擔滅磁。

故該方案的直流磁場斷路器須按獨立承擔發電機各種滅磁工況（包括空載誤強勵和機端三相短路等）滅磁進行計算選擇，交流磁場斷路器只按誤強勵滅磁進行計算選擇，不單獨承擔機端三相短路或勵磁變壓器至交流磁場斷路器間三相短路的滅磁，這樣交流磁場斷路器可選擇分斷弧壓較低的一般交流斷路器（如真空斷路器）。

該方案適用于發電機引出采用分相封閉母線的電站發電機，此時發電機端及勵磁變壓器至交流磁場斷路器間三相短路的幾率極低，一般認為可以不予考慮，該方案也可認為是完全冗余的滅磁系統。

2.1.3 方案3：除誤強勵及機端短路滅磁工況外為冗余的滅磁系統

該方案是在發電機誤強勵或內部故障滅磁時，如切脈沖成功則由交流磁場斷路器完成誤強勵滅磁分斷，若切脈沖不成功，則在交流斷路器分斷勵磁整流器交流回路后，由直流磁場斷路器最終分斷直流磁場電流，不考慮交流磁場斷路器拒動工況。

由于機端短路或勵磁變壓器至交流磁場斷路器間三相短路工況下的滅磁由直流磁場斷路器單獨承擔，交流磁場斷路器不單獨承擔該工況下的滅磁，所以對交流磁場斷路器無弧壓要求。交流磁場斷路器分閘但切脈沖不成功時，發電機處于續流滅磁狀態，直流磁場斷路器只需按誤強勵續流滅磁及機端三相短路滅磁進行計算選擇，此時直流磁場斷路器整流器側無電壓，分斷能力要求遠低于單獨承擔誤強勵滅磁工況。對于發電機各種內部故障，交流或直流磁場斷路器均可單獨承擔滅磁任務。

該方案適用于發電機引出采用分相封閉母線，從而機端短路幾率極低，但對可靠性要求較高的發電機，如不考慮交流磁場斷路器拒動的極小概率，該方案也可認為是發電機的完全冗余滅磁方案。

2.1.4 小 結

3個方案中，從磁場斷路器分斷能力的要求來分析滅磁系統的冗余度。方案1冗余度最高，對直流磁場斷路器及交流磁場斷路器均有最高要求，特別是對交流磁場斷路器有較高的分斷弧壓要求，使得交流磁場斷路器的選擇十分困難；方案2冗余度較好，對交流磁場斷路器無分斷弧壓要求，交流磁場斷路器可用通用交流斷路器而易于選擇，目前在大型發電機中已有實際使用；方案3的冗余度在3個方案中相對較低，但對直流磁場斷路器的分斷能力要求在3個方案中最低，對交流磁場斷路器分斷弧壓也無要求。

2.2 交直流冗余滅磁系統操作與控制

交直流冗余滅磁系統還需對交、直流磁場斷路器的操作、滅磁電阻的投入、逆變及切脈沖等進行合適的協調控制，保證科學正確的動作時序，設備代號參考圖1。

機組事故后，繼電保護動作，啟動事故滅磁，先發出合閘S107令，同時進行逆變。經S107合閘時間，滅磁電阻投入后，發出跳閘S101及S102令，并經延時Δt，切除勵磁功率整流器的觸發脈沖。

滅磁電阻需在磁場斷路器分閘前投入，實現斷路器的移能分斷，并避免滅磁過程轉子開路。

滅磁啟動后應立即投入逆變，并維持逆變一個短時延，其最小值應保證在逆變電壓的作用下，轉子電流向滅磁電阻回路轉移所需的時間。

在交流斷路器首相分閘前應切除功率整流器晶閘管的觸發脈沖，切脈沖的投入時間應考慮到對逆變的利用。

2.3 應用及效果

交直流冗余滅磁系統是在國內外第一次提出并在三峽電站700 MW特大型機組實際應用成功的發電機滅磁系統。2003年隨三峽電站機組投入運行，多年來的實際運行表明，冗余滅磁系統各項參數符合設計要求，發電機勵磁系統運行穩定，并能經受發電機事故滅磁的考驗。

目前，一般機組多采用直流滅磁或交流滅磁方式，對于大型及特大型機組則采用交直流冗余滅磁系統，提高滅磁可靠性，減輕直流磁場斷路器負擔。因此交直流冗余滅磁系統依然是大型及特大型機組勵磁系統滅磁方式的首選。除在三峽電站［7-8］外，目前這種交直流冗余滅磁系統在溪洛渡［9］、向家壩［10］、烏東德以及白鶴灘［11］等特大型機組上都得以運用，對推動行業技術進步和國家重大工程建設有重大意義。文獻［12-13］總結了最新的勵磁系統設計理念和關鍵技術，就包括了三峽電站首次采用的這項交直流冗余滅磁技術。

3 誤強勵滅磁過程參數的實用計算方法

誤強勵是勵磁系統失控引起的事故，此時勵磁系統與發電機由負反饋變為正反饋系統，機端電壓不斷升高，直到機端電壓升至1.3倍額定電壓后，定子過電壓保護延時0.3 s動作跳閘，啟動滅磁，所以該工況為發電機最嚴重的滅磁工況，勵磁設備乃至發電機燒毀事故多由誤強勵事故引起。所以勵磁系統工程設計中，必須明確誤強勵滅磁過程中的參數，包括誤強勵滅磁開始的發電機轉子電流和電壓值，磁場斷路器分斷后誤強勵滅磁過程中發電機轉子電流和電壓值，才能正確選擇滅磁設備。

發電機誤強勵滅磁過程參數的實用計算方法，采用了誤強勵滅磁非線性動態過程分段線性化計算的技術，對誤強勵滅磁開始的發電機轉子電流、電壓值，以及發電機滅磁衰減過程中的特性參數進行計算。

3.1 誤強勵滅磁開始及過程轉子電流和電壓計算

發電機誤強勵時，發電機與勵磁系統構成正反饋閉環，由該閉環可得到發電機轉子電流If隨時間變化的非線性微分方程［14-15］。對非線性微分方程進行分段線性化處理，可得到發電機誤強勵開始后轉子電流If（i）的計算公式（忽略發電機阻尼繞組）：

由滅磁開始時轉子的電流、電壓及閉合回路的參數，采用上述分段線性化計算法，可對滅磁過程轉子電流與轉子電壓值進行進一步計算。再由滅磁過程轉子電流與轉子電壓，計算滅磁時間以及滅磁過程滅磁電阻的耗能。

水輪發電機的阻尼繞組時間常數通常較小，計算發電機滅磁過程時可忽略阻尼繞組的影響。

采用這種計算方法（忽略發電機阻尼繞組）對三峽左岸電站發電機空載滅磁的滅磁過程參數進行計算，計算結果與發電機實際滅磁錄波數據過程十分接近，特別是在轉子電流衰減至約10％前，計算結果和錄波過程數據見表3。

3.2 應用及效果

在三峽左岸電站，采用該計算方法對發電機空載滅磁過程參數進行了計算，并根據該計算結果進行交直流磁場斷路器的選擇，設計的滅磁系統隨2003年三峽首臺機組投入運行至今，運行穩定，期間經受2次實際事故滅磁的考驗。

國外一般不考慮空載誤強勵滅磁工況，只考慮機端三相短路滅磁工況，所以不計算空載誤強勵過程參數。而DL/T 583-2018 《大中型水輪發電機靜止整流勵磁系統技術條件》明確規定勵磁系統必須滿足誤強勵滅磁要求，但也沒有實用的工程計算方法，設計時多采用估算方法。

該計算方法提供了一種簡單實用的準確的計算方法，除三峽電站［16］外，在向家壩、溪洛渡、以及烏東德等大型及特大型電站均獲得應用，該技術2011年獲得國家知識產權局頒發的國家發明專利［17］。

4 封閉環境下整流柜冷卻技術

4.1 封閉環境下整流柜冷卻方案

出于對設備安全和環境的考慮，大型及特大型水電站的發電機勵磁功率柜與保護、控制盤往往一起布置在環境封閉的機組單元控制室內。由于大容量勵磁功率整流器排放的熱量很大，若將整流器產生的熱空氣直接排至室內，將使空間相對較小的單元控制室溫度升高，且易形成熱風短路，難以保證勵磁功率柜內可控硅整流器的冷卻進風溫度及單元控制室內其他盤柜對環境溫度的要求，如果將勵磁功率柜排風口排出的熱風排出單元控制室外，由于室外仍是一個布置有其他電氣設備的封閉環境，勢必導致這些部位的環境溫度升高，噪音增大，影響其他電氣設備的正常運行。同時，為維持單元控制室內的風量平衡，需要設進風口從周圍部位取風，這將使機組單元控制室變相地開敞運行，勵磁功率柜的冷卻空氣容易帶塵，影響勵磁系統的安全運行。

根據大型、特大型水電站單元控制室封閉環境的技術特點，提出了封閉環境下的新型冷卻方式。利用布置勵磁功率柜的機組單元控制室已有的封閉式建筑吊頂作為循環風道的一部分（熱風區），在室內設置2臺冗余的空調系統的冷風機作為冷卻循環熱風的冷源，該冷源的制冷能力能滿足勵磁功率柜及單元控制室內其他盤柜的冷卻需求，勵磁功率柜頂部排熱風管及冷風機頂部的吸風管均與單獨封閉式建筑吊頂相聯通，吊頂上遠離勵磁功率柜的地方開設平衡風口。運行時，勵磁功率柜柜頂的抽風機通過勵磁功率柜下部的進風口抽取單元控制室內的冷風對勵磁功率柜進行強制冷卻，冷卻后產生的熱風通過柜頂的排熱風管直接排至單元控制室的封閉式吊頂內，封閉式吊頂內的熱空氣在空調系統冷風機的抽吸作用下，通過冷風機與吊頂之間的風管被吸入到冷機內進行過濾、冷卻，清潔、降溫后通過冷風機下部的送風口送入單元控制室內，對單元控制室內環境進行降溫，此時勵磁功率柜下部的進風口獲得的是經清潔、降溫后的室內冷空氣，可以保證勵磁功率柜冷卻所需的進風溫度和潔凈度要求，在單元控制室這種封閉環境中形成了閉環的空氣過濾、冷卻系統，系統方案如圖3所示。

式中：L0為勵磁功率柜冷卻風機的循環風量，m3/h；L1為空調冷風機的循環風量，m3/h；L2為通過單元控制室封閉式吊頂上平衡風口的平衡風量，m3/h。

為確保整個冷卻系統的安全運行，空調冷源采用一年四季制冷工況運行，冷風機按2臺配備，制冷量按單元控制室全部最大發熱量的150%考慮。單元控制室設置溫度測控元件，可以根據室內環境溫度自動控制冷風機的開啟臺數及制冷容量，保證單元控制室的室內環境溫度全年控制在一定范圍內。

4.2 應用及效果

這種新型功率柜冷卻系統在三峽電站的實際運行證明其對勵磁功率柜冷卻效果顯著，單元控制室設備運行環境良好，可保持單元控制室內常年溫度在22～27 ℃之間。

該系統解決了封閉環境下大型發電機勵磁功率柜的熱風排放及冷卻問題，保證勵磁柜及單元控制室其他盤柜對運行環境的要求。

目前對于不設單元控制室的電站，勵磁設備一般布置在發電機旁的敞開空間，強迫風冷或熱管冷卻方式可滿足要求，如烏東德電站就只采用熱管自然冷卻方式［18］，但對于設置了單元控制室的巨型機組，該項技術仍是較為理想的功率柜冷卻方式，該技術2010年獲得國家知識產權局頒發的實用新型專利［19］。

5 結 論

特大型水輪發電機勵磁系統關鍵技術，來源于三峽電站勵磁系統的設計實踐，成功應用于三峽電站，分別獲得2002年和2011年湖北省科技進步二等獎。

由于三峽電站的巨大影響力和示范作用，在國內其他特大型發電機組中獲得了廣泛應用，取得了若干創新成果。

（1） 研制的勵磁變壓器是當時國內外容量最大的單相環氧澆注干式勵磁變壓器，在設計理論、工藝結構等方面都取得了創新成果。

（2） 首次提出了交直流冗余滅磁系統的創新理念，解決了特大型發電機組勵磁系統由于勵磁參數高、直流磁場斷路器分斷能力不夠帶來的滅磁可靠性問題。

（3） 發電機誤強勵滅磁動態過程參數計算方法，首次為滅磁系統提供了一種工程實用計算方法，計算結果為發電機滅磁系統參數設計及滅磁設備選擇提供了理論依據。

（4） 密閉環境下整流柜冷卻技術因地制宜，利用現有的環境和設施，創新地解決了密閉環境下特大型發電機組勵磁系統發熱量大、冷卻困難的難題。

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（編輯：唐湘茜）