鳳凰水電站壩后電站立軸混流水輪發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)的組成及功能分析

鄒錫聰

摘要：鳳凰水電廠由水庫、壩后一級電站和下游二級電站組成。壩后一級電站安裝2臺立軸混流水輪發(fā)電機組，總裝機容量3.4MW，機端電壓6.3kV。經(jīng)過變電站升壓為35kV后并入電網(wǎng)。機組勵磁方式為自并勵勵磁。

一、概述

鳳凰水電廠壩后一級電站位于廣東省潮州市鳳凰鎮(zhèn)，是韓江支流鳳凰流域中鳳凰水庫的壩后式電站，裝有二臺1.7WM的立式混流水輪發(fā)電機組，設(shè)計發(fā)電水頭23.5m，最大發(fā)電流量17.14 m? /s，機端電壓6.3kv，通過變壓站升壓35kv后并入下游二級電站，機組勵磁方式為自并勵磁。

二、系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)主要由1臺調(diào)節(jié)器、1臺勵磁變壓器、1臺功率整流柜、1 臺滅磁柜組成。

1）調(diào)節(jié)器。主要由3個調(diào)節(jié)通道，適配器STD總線、人機界面、接口電路等組成。其硬件包括：1套人機界面、1塊模擬量適配器、1塊現(xiàn)地操作單元板、1個獨立的手動控制通道，2個微機調(diào)節(jié)通道（每個調(diào)節(jié)通道包括：1塊A/D轉(zhuǎn)換，2塊I/O板）、1塊智能 板及相應(yīng)的繼電路輸出板。

三個調(diào)節(jié)通道由兩個數(shù)字式自動通道和模擬式手動通道組成，采用微機/微機/模擬三通道型。三個通道通過兩條外部總線聯(lián)結(jié)。這三個通道從測量回路到脈沖輸出回路完全獨立，以主從方式工作，其中1個數(shù)字式為主通道，另一個數(shù)字通道和模擬式手動通道作為第一備用，第二備用通道。

2）勵磁變壓器戶內(nèi)干式，三相，環(huán)氧樹脂澆注絕緣，2.12MVA，Y/△-11接線，6300/170 V/V。

3）功率柜。每個功率柜的主要部件包括：6個可控硅組件（含可控硅、散熱器、脈沖變壓器、6個帶接點指示的快速溶斷器、可控硅阻容保護裝置、冷卻風(fēng)機及其控制單元、脈沖功放單元、交流側(cè)進壓保護單元。4）滅磁柜。滅磁柜主要元件有滅磁開關(guān)，耗能電阻、快速熔斷器、可控觸發(fā)器、二極管可控硅、過電壓動作檢測器。

三、工作原理

勵磁電源接于發(fā)電機出口端的勵磁變壓器供給，勵磁變壓器提供的交流電源在調(diào)節(jié)器根據(jù)輸入信號和調(diào)節(jié)準(zhǔn)則的控制下，經(jīng)過功率柜整流為直流電源，再經(jīng)滅磁柜送到發(fā)電機轉(zhuǎn)子的滑環(huán)上，為同步發(fā)電機提供激磁電流，為發(fā)電機提供可靠性高的勵磁電源，接線較為簡單。（見圖1）

3、系統(tǒng)功能

3.1調(diào)節(jié)器。

調(diào)節(jié)器是勵磁系統(tǒng)的核心部分，為保護勵磁系統(tǒng)的可靠性，采用了三通道主從方式運行，二個數(shù)字自動通道和1個人工通道，正常方式為第一自動通道工作，第二自動通道及人工通道做為第一備用，第二備用。調(diào)節(jié)器按發(fā)電機電壓偏差或勵磁電流偏差進行調(diào)節(jié)，以保持發(fā)電機端電壓或勵磁電流恒定。

調(diào)節(jié)器主要包括數(shù)據(jù)條件、脈沖形成，起勵控制、滅磁控制、監(jiān)測保護等功能。

1）數(shù)據(jù)采樣。采用D/A模數(shù)轉(zhuǎn)換處理器，通過采集裝在機端的電壓、電流互感器的交流量，用傅氏算法算出調(diào)節(jié)所需的有功功率、無功功率、相角等交流信號量，為調(diào)節(jié)器提供自動調(diào)節(jié)、保護的有關(guān)數(shù)據(jù)。

2）脈沖形成。由電壓互感器采集系統(tǒng)的電壓波形，用觸發(fā)電器產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，并經(jīng)過脈沖放大器放大后來觸發(fā)整流裝置的晶用管，通過改變觸發(fā)控制角來調(diào)整整流裝置輸出的勵磁電流。

3）起勵控制。勵磁系統(tǒng)的起勵主要是利用機組剩磁所產(chǎn)生的殘壓來實現(xiàn)殘壓起勵，當(dāng)機組的殘壓值太低時，則由助起勵電源和起勵回路來提供初始勵磁，當(dāng)機組電壓達到勵磁裝置工作的電壓值時，則斷開起勵回路，通過自勵建立發(fā)電機的電壓。

4）滅磁控制。正常停機時，調(diào)節(jié)器自動逆變滅磁，當(dāng)發(fā)電機保護或勵磁系統(tǒng)保護動作時，在跳開機端斷路器的同時，給滅磁柜的滅磁裝置發(fā)出跳開滅磁開關(guān)的信號。

5）監(jiān)測保護。若監(jiān)測到是調(diào)節(jié)器本身出現(xiàn)故障，通過硬件“看門狗”和單片機的故障檢測自動切換至備用通道運行。如果是監(jiān)測到勵磁系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)故障，如：電源故障、軟硬件故障、PT斷線、整流橋故障、脈沖故障、轉(zhuǎn)子過熱、通信故障等，并傳給發(fā)電機監(jiān)控系統(tǒng)。由發(fā)電機監(jiān)控系統(tǒng)作出故障式事故保護的快速反應(yīng)。

3.2功率柜。功率柜的整流裝置是一個執(zhí)行元件，在調(diào)節(jié)器的觸發(fā)脈沖控制下，調(diào)整整流電路晶匣管的導(dǎo)通角，輸出滿足系統(tǒng)需要的勵磁電流值。根據(jù)機組勵磁容量的要求，選用了2個三相全控式整流橋。均流系數(shù)85%以上。退出一個整流橋時，剩余整流橋仍能滿足機組額定運行的要求。

3.3滅磁柜。滅磁柜的滅磁裝置主要職能是防止非正常停機時，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生過高的感應(yīng)電壓損壞晶閘管。滅磁裝置原理（見圖2）

勵磁系統(tǒng)正常停機時，調(diào)節(jié)器自動逆變滅磁；事故停機時，跳滅磁開關(guān)將磁場能量轉(zhuǎn)移到耗能電阻滅磁。工作原理如下：當(dāng)發(fā)電機處于滑極等非正常運行狀態(tài)時，在轉(zhuǎn)子回路中產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，此時安裝在轉(zhuǎn)子回路的轉(zhuǎn)子過電壓檢測單元A1模塊檢測到轉(zhuǎn)子正向過電壓信號，馬上觸發(fā)V2可控硅元件，將耗能電阻并入轉(zhuǎn)子回路，通過耗能電阻的吸能作用，將產(chǎn)生的過電壓能量消除；而轉(zhuǎn)子回路的反向過電壓信號則直接經(jīng)過V1二極管接于耗能電阻吸能，以確保發(fā)電機轉(zhuǎn)子始終不會出現(xiàn)開路，從而可靠地保護轉(zhuǎn)子絕緣不會遭受破壞。而且這種保護的存在，轉(zhuǎn)子繞組會產(chǎn)生相反的磁場，抵消定子負(fù)序電流產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)磁場，保護轉(zhuǎn)子表面及轉(zhuǎn)子護壞不至于燒壞。

3.4勵磁變壓器。勵磁變壓器一次側(cè)接于發(fā)電機端，二次側(cè)接至整流裝置，為勵磁系統(tǒng)提供交流勵磁電源。

四、結(jié)束語

鳳凰水電廠壩后電站2臺機組自投入運行以來，發(fā)電機自并勵磁系統(tǒng)運行穩(wěn)定，調(diào)節(jié)響應(yīng)時間短，起勵速度快，并且因接線簡單，沒有主輔勵磁機，軸向尺寸短而節(jié)省了投資成本。但是勵磁電源取于發(fā)電機端，當(dāng)發(fā)電廠側(cè)的線路端發(fā)生三相短路時，對于保持系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定是衡量其性能的重要指標(biāo)，相信通過先進的繼保技術(shù)和斷路器技術(shù)能彌補自身的弱點。

（作者單位：潮州市鳳凰水電廠）