中小型水電站自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選型

方云峰

(漳州市峰頭水庫(kù)管理局，福建 漳州 363000)

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中小型水電站自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選型

方云峰

(漳州市峰頭水庫(kù)管理局，福建 漳州 363000)

文章通過(guò)對(duì)中小型水電站同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的自并勵(lì)接線、勵(lì)磁變壓器的型號(hào)選擇、自并勵(lì)方式的起勵(lì)、勵(lì)磁試驗(yàn)電源等問(wèn)題分析，結(jié)合峰頭水庫(kù)左電站5MW自并勵(lì)水輪發(fā)電機(jī)組改造的定量分析進(jìn)行探討,論述自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、選型、改造中應(yīng)注意的問(wèn)題。

自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)；改造；選型；問(wèn)題；雙微機(jī)

發(fā)電機(jī)自并勵(lì)靜止勵(lì)磁裝置對(duì)于水電站的運(yùn)行至關(guān)重要，只有確保裝置的設(shè)計(jì)、選型、調(diào)試等環(huán)節(jié)的科學(xué)合理，才能確保裝置優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮，從而提升發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行水平。

1 發(fā)電機(jī)自并勵(lì)的結(jié)構(gòu)方式

發(fā)電機(jī)自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成：調(diào)節(jié)器、整流裝置、過(guò)壓過(guò)流保護(hù)裝置、勵(lì)磁變壓器、發(fā)電機(jī)滅磁設(shè)備、勵(lì)磁操作設(shè)備、起勵(lì)設(shè)備等部分。

自并勵(lì)勵(lì)磁方式的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速起勵(lì)后，就可以由調(diào)節(jié)器正反饋得到正常的勵(lì)磁電源，在線路中、末端出現(xiàn)短路時(shí)，勵(lì)磁的強(qiáng)勵(lì)可以立即發(fā)揮作用確保機(jī)端及系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。但也存在不足方面，當(dāng)機(jī)端或線路首端出現(xiàn)三相短路故障時(shí)，機(jī)端的電壓會(huì)迅速衰減，勵(lì)磁電壓也跟著下降，強(qiáng)勵(lì)能力迅速減弱，失去暫態(tài)穩(wěn)定，特別是負(fù)荷中心的發(fā)電機(jī)組發(fā)生此類(lèi)故障時(shí)會(huì)被自動(dòng)切除，機(jī)組退出，將導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性遭到破壞。不過(guò)水電站的發(fā)電機(jī)組經(jīng)過(guò)升壓變壓器與高壓線路直接相連，出口很少會(huì)發(fā)生三相短路現(xiàn)象，因此這個(gè)缺點(diǎn)對(duì)機(jī)組的影響不大。若發(fā)生單相短路故障，發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓正常能夠達(dá)到0.7P.U，強(qiáng)勵(lì)作用依然可以發(fā)揮作用。若發(fā)電機(jī)的機(jī)端出現(xiàn)故障，則必須立即停機(jī)維修，所以總體來(lái)講，自并勵(lì)的缺點(diǎn)幾乎不會(huì)影響水電站的發(fā)電。如今的開(kāi)關(guān)設(shè)備大部分具有微機(jī)保護(hù)裝置，對(duì)于發(fā)生的三相短路故障點(diǎn)，都可以迅速切除，故障點(diǎn)被切除后，發(fā)電機(jī)的電壓也會(huì)快速恢復(fù)，勵(lì)磁的強(qiáng)勵(lì)快速起作用。合理選用先進(jìn)的繼電保護(hù)技術(shù)與快速斷路器，能夠克服勵(lì)磁系統(tǒng)本身存在的問(wèn)題，從而確保機(jī)組的正常運(yùn)行。此外，對(duì)于電網(wǎng)系統(tǒng)來(lái)講，及時(shí)切斷發(fā)生的故障點(diǎn)，確保系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定，比任何一臺(tái)機(jī)組勵(lì)磁性能重要得多，就算采用其他勵(lì)磁方式，如果不能迅速切斷故障點(diǎn)，發(fā)電機(jī)就無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行，發(fā)電機(jī)及電網(wǎng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定將受到影響。

需要注意的是：在自并勵(lì)方式中，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源取自于機(jī)端電壓，由于發(fā)電機(jī)剩磁殘壓較低，一般較難達(dá)到勵(lì)磁回路正反饋工作條件，需要接入直流電源起勵(lì)。在發(fā)電機(jī)組的安裝調(diào)試環(huán)節(jié)以及檢修后，首先要對(duì)電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，此過(guò)程需要配備大容量的試驗(yàn)電源。

2 自并勵(lì)系統(tǒng)的應(yīng)用條件

供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)功率分配決定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的發(fā)電機(jī)采用何種勵(lì)磁系統(tǒng)，由于自并勵(lì)發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵(lì)受到機(jī)端電壓的制約，機(jī)端或近端三相短路時(shí)機(jī)組強(qiáng)勵(lì)效果不理想，系統(tǒng)電壓恢復(fù)慢，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，所以對(duì)于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載中心或網(wǎng)絡(luò)首端機(jī)組一般不單獨(dú)采用自并勵(lì)系統(tǒng)，應(yīng)采用多種勵(lì)磁方式并存。但對(duì)于中小型水電站機(jī)組，基本上不存在著這類(lèi)問(wèn)題。

3 勵(lì)磁變壓器的選擇與計(jì)算

3.1 勵(lì)磁變壓器選擇

3.1.1 以前的勵(lì)磁變壓器大多都是絕緣干式變壓器

隨著科技的發(fā)展，各種新式材料被應(yīng)用到電力行業(yè)，目前應(yīng)用最廣泛是環(huán)氧樹(shù)脂干式變壓器。環(huán)氧樹(shù)脂干式變壓器具有以下優(yōu)勢(shì)：

1)環(huán)保性強(qiáng)，在工作過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生有害氣體，運(yùn)行過(guò)程中噪音小。

2)良好的節(jié)能性能，與其他變壓器相比，約節(jié)省5%～10%的能源。

3)對(duì)環(huán)境要求小，耐潮濕，抗雷電沖擊，受突發(fā)短路現(xiàn)象影響較小。

4)維護(hù)工作簡(jiǎn)單，且易于回收利用。廢棄的變壓器中的銅、鐵等金屬可以回收，環(huán)氧樹(shù)脂可以用來(lái)發(fā)電，也可以直接填埋，對(duì)環(huán)境影響小。

3.1.2 勵(lì)磁變壓器通常采用的是三角形—星形接法

根據(jù)勵(lì)磁系統(tǒng)需要提供的直流功率確定勵(lì)磁變壓器的額定容量值，一次側(cè)電壓取決于發(fā)電機(jī)的端電壓，二次側(cè)電壓取決于勵(lì)磁系統(tǒng)的峰值電壓。需要注意的是，電壓的設(shè)置應(yīng)當(dāng)留有余量，當(dāng)一次側(cè)電壓減至額定電壓80%時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)還應(yīng)能達(dá)到峰值電壓，從而確保發(fā)電機(jī)組的強(qiáng)勵(lì)能力。

3.1.3 勵(lì)磁變壓器的投入與退出瞬間

線路或機(jī)組端受雷擊，系統(tǒng)諧波與變壓器分布電容共振等等都會(huì)使變壓器產(chǎn)生過(guò)電壓。因此必須采用相對(duì)應(yīng)的策略控制過(guò)電壓加以保護(hù)設(shè)備，首先變壓器的高、低壓側(cè)繞組間必須高絕緣隔離，可考慮添加隔離屏蔽層，其次在低壓側(cè)繞組設(shè)置對(duì)地壓敏電阻或?qū)Φ刈枞菰?，做到削波削峰作用?/p>

3.1.4 要充分考慮變壓器本身的性能

要充分考慮變壓器本身的性能(包括過(guò)載能力、阻抗能力、保護(hù)配置以及過(guò)電流保護(hù)能力)。勵(lì)磁變壓器的負(fù)載主要是勵(lì)磁系統(tǒng)的整流裝置和轉(zhuǎn)子阻抗，整流裝置短路相當(dāng)于勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)繞組短路。整流裝置短路保護(hù)一般采用快速熔斷器，還可串入扼流圈等等，常見(jiàn)的故障保護(hù)措施都能滿足保護(hù)需求，但其中效果最好、應(yīng)用最廣的是微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)。

3.1.5 從設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)的角度來(lái)談

勵(lì)磁變壓器的短路電壓與一般的配電變壓器一樣，為額定電壓的4%～8%。考慮到勵(lì)磁必須具備良好的可靠性與過(guò)載能力，且不需要備用電源，可以選擇維護(hù)簡(jiǎn)單的干式變壓器。

3.2 三相勵(lì)磁變的計(jì)算

變壓器的變比和容量的計(jì)算必須提供如下參數(shù)：(峰頭1#機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)改造為例)

發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電流Ifn=420A；發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電壓Ufn=146V； 強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)Kc=l.6；可控硅最小控制角amin=10；變壓器漏抗Xk 饋電回路電壓降∑△U=2-4V

按照全控橋整流計(jì)算方法計(jì)算勵(lì)磁變低壓側(cè)Us，通常要求在機(jī)端電壓降低到額定值約80%時(shí)，仍可達(dá)到強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)Kc=1.6，計(jì)算公式如下：

0.8 (1.35 Us COS amin)

=KcUfn+3KcIfnXk/兀+∑△U

(1)

Xk及∑△U可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值估算為10%。

由COSQmin—COS 00=1

則：上式可變?yōu)?1-10%)0.8×1.35Us-1.6Ufn

Us-1.646×Ufn =1.646×146V=240.32 V

可取勵(lì)磁變壓器副邊電壓Us為240V

發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓為6kV，所以勵(lì)磁變變比為6kV/0.24kV，為了減少整流回路的三次諧波對(duì)電網(wǎng)的影響，勵(lì)磁變的二次側(cè)必須采用三角形接法?，F(xiàn)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，勵(lì)磁變采用Y/D-11接線組。

勵(lì)磁變壓器二次側(cè)電流則由直流側(cè)電流折算，裕度系數(shù)定為1.1，可得二次側(cè)電流：

Is=1.1×0.816×Ifn=1.1×0.816×420=376.9A

取勵(lì)磁變壓器副邊電流Is為377A

可得勵(lì)磁變壓器的容量：S=√3Is*Us=√3×IS*Us=l.732×377×240 =156700VA

取變壓器容量S=160kVA，留有一定的容量。

必須指出，使用微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器時(shí)，觸發(fā)脈沖準(zhǔn)確度高，最小控制角Q min可取50～100，可以認(rèn)為COSa min～1，誤差僅為1%左右。如果使用半導(dǎo)體勵(lì)磁調(diào)節(jié)器時(shí)，觸發(fā)脈沖控制角誤差很大，最小控制角amin要取25°左右， COSamin≈0.9，為了達(dá)到同樣的強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)，勵(lì)磁變壓器二次電壓要增大10%，以而容量也要增大10%。這點(diǎn)也是使用微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的好處之一。

4 自并勵(lì)方式的起勵(lì)建壓

1)由于在起勵(lì)建壓之前，機(jī)端殘壓低，勵(lì)磁變壓器提供的電源無(wú)法觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，所以發(fā)電機(jī)要起勵(lì)必須有外供的電源，一般采用直流電源起勵(lì)，起勵(lì)后當(dāng)勵(lì)磁變壓器二次側(cè)電壓能達(dá)到可控硅導(dǎo)通最小觸發(fā)維持電流，則起勵(lì)的直流電源可退出，自動(dòng)切換為勵(lì)磁變壓器供電，機(jī)端電壓正反饋快速上升達(dá)到設(shè)計(jì)值。

2)在發(fā)電機(jī)大修結(jié)束后或者新機(jī)組安裝完畢后，需要進(jìn)行定子短路烘干與空載建壓試驗(yàn)，勵(lì)磁系統(tǒng)開(kāi)環(huán)與閉環(huán)試驗(yàn)。通常采用(a)直流焊機(jī)烘干，定子短路后發(fā)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，直流焊機(jī)電源接在轉(zhuǎn)子正負(fù)極對(duì)定、轉(zhuǎn)子進(jìn)行烘干；(b)廠用電源-勵(lì)磁調(diào)節(jié)烘干，斷開(kāi)勵(lì)磁變高壓側(cè)電源，廠用電380V交流電源接至勵(lì)磁變壓器的第三繞組作為勵(lì)磁系統(tǒng)試驗(yàn)及發(fā)電機(jī)組短路烘干電源。值得一提的是即使采用直流焊機(jī)烘干，勵(lì)磁系統(tǒng)正常投入工作前還得進(jìn)行開(kāi)環(huán)與閉環(huán)試驗(yàn)。

5 整流功率柜的選擇

1)整流方式正常為三相半控橋或全控橋。一般來(lái)講，多數(shù)會(huì)選擇全控整流橋方式。大容量、高參數(shù)的勵(lì)磁功率柜隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展越來(lái)越完美，半導(dǎo)體技術(shù)高速發(fā)展使得可控硅在耐壓、額定電流和穩(wěn)定性方面大幅提升，反向漏電流大幅減小，整流橋結(jié)構(gòu)也就越來(lái)越簡(jiǎn)單并且三相整流橋在均壓、均流方面得到保障。

2)整流橋正常采用RC吸收回路以達(dá)到過(guò)壓保護(hù)，快速熔斷器作為過(guò)流保護(hù)。冷卻方式通常為風(fēng)冷，電流特別大的采用水冷。觸發(fā)脈沖在同步、幅值、脈寬完全相同的情況下可保證并聯(lián)整流柜均流系數(shù)達(dá)到理想狀態(tài)。

6 滅磁及過(guò)壓保護(hù)裝置的配置

全控橋的優(yōu)點(diǎn)是可通過(guò)全控整流橋?qū)崿F(xiàn)逆變滅磁，同時(shí)在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與勵(lì)磁整流輸出回路之間安裝滅磁開(kāi)關(guān)，在滅磁回路安裝相對(duì)應(yīng)的線性或非線性滅磁電阻，滅磁開(kāi)關(guān)及滅磁電阻可作為事故跳閘滅磁回路。采用壓敏電阻(非線性電阻)可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的過(guò)壓保護(hù)。也可采用其他過(guò)壓保護(hù)方式，根據(jù)機(jī)組實(shí)際情況選擇保護(hù)方式較為科學(xué)。

7 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的選擇

隨著數(shù)字電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)編程控制技術(shù)的發(fā)展，新的勵(lì)磁控制基本采用數(shù)字化控制調(diào)節(jié)器，與模擬調(diào)節(jié)器相比，無(wú)論是本身性能還是可靠性，數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器明顯要優(yōu)秀得多。舊機(jī)組改造及新建機(jī)組已全部選用數(shù)字化微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，經(jīng)過(guò)多年的使用和試驗(yàn)已取得豐富的經(jīng)驗(yàn)和很好的效果。數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器分為半空橋勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、單微機(jī)全控橋勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、雙微機(jī)全控橋勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。單微機(jī)全控橋勵(lì)磁調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高，但若其中一個(gè)觸發(fā)脈沖故障很容易引起燒可控硅，半空橋調(diào)節(jié)器由于有續(xù)流二極管不存在這種現(xiàn)象，卻容易引起可控硅失控。雙微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器(系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖一)既解決觸發(fā)脈沖問(wèn)題，又不存在失控，是最好的選擇。1985年南京自動(dòng)化研究所首先研制成功的微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，型號(hào)為WLF-I型，它結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、價(jià)格昂貴，適用于10萬(wàn)KW以上的大型機(jī)組。廣科所最新生產(chǎn)的EXC9000的升級(jí)版(型號(hào)為EXC9100)全數(shù)字式靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)，由兩個(gè)微機(jī)通道(含兩個(gè)手動(dòng)通道和兩個(gè)自動(dòng)通道)組成，這兩個(gè)通道(A、B通道)在測(cè)量回路(機(jī)端電壓互感器)和脈沖觸發(fā)回路方面各自獨(dú)立。A、B通道調(diào)節(jié)方式互為主、備，正常情況下A通道作為主通道(含手動(dòng)和自動(dòng)單元)，B通道(含手動(dòng)和自動(dòng)單元)作為備用通道。主、備調(diào)節(jié)通道各配有一套獨(dú)立的智能型的故障檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)B通道檢測(cè)到A通道輸入回路或輸出回路故障時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉A通道，B通道改為主通道并報(bào)警，只有在B通道檢測(cè)到A通道故障消除后才恢復(fù)A通道為主通道。該勵(lì)磁系統(tǒng)采用雙CPU協(xié)同工作具有運(yùn)算速度快、功耗低、分工合理的優(yōu)點(diǎn)，并能在全封閉的環(huán)境下工作，因發(fā)熱量小，無(wú)需用風(fēng)扇散熱，并具有抗沖擊、抗振動(dòng)能力強(qiáng)，經(jīng)試驗(yàn)調(diào)節(jié)器平均無(wú)故障時(shí)間長(zhǎng)達(dá)17 a，得到國(guó)內(nèi)許多電站的運(yùn)用。雙微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)圖見(jiàn)圖1所示。

圖1 雙微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)圖

8 有關(guān)的技術(shù)條件和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

為更好地應(yīng)用自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)，自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)滿足GB/T 7409.3—2007《同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng) 大、中型同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)要求》、DL/1003—2006《大中型水輪發(fā)電機(jī)微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器試驗(yàn)及調(diào)整導(dǎo)則》、DL/T 489.3—2006《大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)及裝置試驗(yàn)規(guī)則》、DL/T583—2006《大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)及裝置技術(shù)條件》的相應(yīng)要求，可控硅元件、勵(lì)磁變壓器等還必須達(dá)到有關(guān)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)條件。這些標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)條件為自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、選型、調(diào)試、驗(yàn)收、運(yùn)行及改造提供了依據(jù)。

[1]陳輝.益陽(yáng)電廠自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行中問(wèn)題淺析[J].湖南電力，2003，23(02)：34-36.

文章編號(hào)：1007-7596(2016)08-0074-03

[收稿日期]2016-07-02

[作者簡(jiǎn)介]郭亮(1982-)，男，遼寧葫蘆島人，工程師，研究方向?yàn)樗臏y(cè)驗(yàn)、水資源論證及調(diào)查評(píng)價(jià)、水文預(yù)報(bào)、水利水電工程、水利工程施工、水文水資源管理等。

TM622

B

1007-7596(2016)08-0134-02

2016-07-26

程偉(1961-)，男，安徽青陽(yáng)人，工程師。