特大型機(jī)組勵磁系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

鄒來勇 桂遠(yuǎn)乾 王成明

摘要：特大型機(jī)組勵磁電流大、電壓高，在勵磁變壓器和滅磁系統(tǒng)的選型、滅磁過程計算以及整流柜冷卻設(shè)計等方面給勵磁系統(tǒng)設(shè)計帶來巨大挑戰(zhàn)。為解決這些問題，開展了國內(nèi)外調(diào)研，并進(jìn)行了相關(guān)基礎(chǔ)研究。聯(lián)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(jī)，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(huán)境下整流柜冷卻系統(tǒng)。研究結(jié)果表明，基于以上關(guān)鍵技術(shù)所提出的勵磁系統(tǒng)設(shè)計方案，滿足特大型發(fā)電機(jī)安全可靠運(yùn)行要求。該方案成功應(yīng)用于三峽電站和國內(nèi)其他特大型發(fā)電機(jī)組，并取得了一系列創(chuàng)新成果。

關(guān)鍵詞：特大型機(jī)組； 勵磁系統(tǒng)； 環(huán)氧澆注干式勵磁變壓器； 冗余滅磁系統(tǒng)； 功率柜冷卻方式

中圖法分類號：TM312

文獻(xiàn)標(biāo)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(tǒng)是發(fā)電機(jī)的重要組成部分，關(guān)系到電站及電力系統(tǒng)的安全可靠與穩(wěn)定運(yùn)行。發(fā)電機(jī)特別是大型發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)早期故障幾率相對較高［1-3］，至今仍時有發(fā)生，尤其以滅磁、功率柜事故為甚，損壞發(fā)電機(jī)設(shè)備，嚴(yán)重影響電站及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行［4］。以三峽電站為代表的單機(jī)容量為700 MW及以上特大型水電站發(fā)電機(jī)勵磁電流更大、電壓更高，給勵磁變壓器、滅磁系統(tǒng)、整流柜冷卻等各方面帶來新的挑戰(zhàn)。因此，迫切需要研究及解決特大型發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)技術(shù)。

在國家“九五”（第九個五年計劃）計劃期間，長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司（以下簡稱“設(shè)計院”）提出了特大型發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)需要進(jìn)一步研究和解決的關(guān)鍵技術(shù)，并列入“九五”國家重大科技項目（攻關(guān)）計劃的研究課題，包括特大型發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)控制方式、勵磁系統(tǒng)工藝及可靠性、滅磁及過壓保護(hù)、環(huán)氧澆注干式勵磁變壓器等研究。該研究課題以設(shè)計院為主，聯(lián)合國內(nèi)高等院校、科研機(jī)構(gòu)、制造單位共同攻關(guān)，取得了一系列成果。

在三峽電站的設(shè)計過程中，設(shè)計院在“九五”攻關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)際，針對特大型發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的幾個關(guān)鍵技術(shù)繼續(xù)開展了設(shè)計研究工作，凝練并提出了特大型機(jī)組勵磁系統(tǒng)需要進(jìn)一步研究和解決的若干關(guān)鍵技術(shù)問題，包括：環(huán)氧澆注干式勵磁變壓器研究、交直流冗余滅磁系統(tǒng)方案、發(fā)電機(jī)誤強(qiáng)勵滅磁過程參數(shù)的實(shí)用計算方法研究、封閉環(huán)境下大型發(fā)電機(jī)勵磁功率柜冷卻技術(shù)研究等。其研究成果首次成功應(yīng)用于三峽電站發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)。

1 環(huán)氧澆注干式勵磁變壓器

針對三峽電站勵磁整流變壓器，設(shè)計院與順德特種變壓器廠先后開展了基礎(chǔ)研究、設(shè)計、樣機(jī)制造、試驗(yàn)驗(yàn)證等工作［5-6］，主要解決了以下幾個關(guān)鍵技術(shù)問題。

1.1 主要參數(shù)確定

根據(jù)三峽左岸電站發(fā)電機(jī)技術(shù)交流中機(jī)組勵磁參數(shù)，確定勵磁變壓器樣機(jī)參數(shù)為頻率50 Hz，高壓側(cè)20/3 kV，低壓側(cè)1.25 kV，容量3 000 kVA，溫升為80 K。

1.2 電磁及結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

（1） 型式。為便于與分相封閉母線連接，利于運(yùn)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(jié)構(gòu)形式。

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

鐵芯為雙面絕緣晶粒優(yōu)質(zhì)冷軋取向硅鋼片，全斜接縫，鐵軛拉帶拉緊，拉板結(jié)構(gòu)，芯柱玻璃絲帶綁扎。采用先進(jìn)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(huán)氧樹脂，結(jié)構(gòu)為玻璃纖維纏繞真空澆注。兩柱線圈采用并聯(lián)聯(lián)結(jié)，線圈絕緣材料耐溫等級采用H級，進(jìn)一步加強(qiáng)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(wǎng)，屏蔽繞組繞制在低壓線圈外側(cè)，與低壓線圈整體澆注，并且通過銅帶引出接地。

（5） 結(jié)構(gòu)。為了三相聯(lián)結(jié)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(yàn)

基于勵磁變壓器二次電流的非正弦性，對全控整流回路進(jìn)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(jù)IEC61378《工業(yè)用整流變壓器》，對電阻損耗、渦流損耗、雜散損耗等進(jìn)行了計算，算得在額定非正弦電流下總負(fù)載損耗為23 113 W，額定基波電流下總負(fù)載損耗為17 535 W，從而得到等效的負(fù)載損耗基波工頻試驗(yàn)電流系數(shù)為23 113/17 535=1.15。

為了更準(zhǔn)確驗(yàn)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(jìn)行了溫升試驗(yàn)，其部分測試結(jié)果見表2。

試驗(yàn)結(jié)果表明其性能指標(biāo)滿足任務(wù)書要求，勵磁變壓器附加損耗計算是準(zhǔn)確的。

1.4 應(yīng) 用

采用該項科技成果研制的產(chǎn)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(fā)電機(jī)使用外，已廣泛應(yīng)用于其他特大型水電機(jī)組，如廣西龍灘（6×700 MW）、貴州構(gòu)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(shù)填補(bǔ)了國內(nèi)大型勵磁變壓器空白，改變了當(dāng)時300 MW以上水輪發(fā)電機(jī)勵磁變壓器基本采用進(jìn)口設(shè)備狀況。

2 交直流冗余滅磁系統(tǒng)

2.1 冗余滅磁系統(tǒng)配置方案及適用范圍

由于特大型發(fā)電機(jī)勵磁電流大、電壓高，要求直流磁場斷路器分?jǐn)嚯妷焊摺㈦娏鞔?，可供選擇的直流磁場斷路器滅磁分?jǐn)嗄芰σ呀咏鼧O限，裕度很少。利用一種新型滅磁系統(tǒng)——交直流冗余滅磁系統(tǒng)較好地解決了這個問題，即在特大型發(fā)電機(jī)傳統(tǒng)直流滅磁系統(tǒng)中增加交流磁場斷路器，以較少的硬件費(fèi)用完成了冗余滅磁系統(tǒng)的構(gòu)建，大幅提高了滅磁可靠性。

交直流冗余滅磁系統(tǒng)方案見圖1，在勵磁功率整流器的直流側(cè)及交流側(cè)分別設(shè)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(dú)設(shè)置1套滅磁電阻投入開關(guān)S107，S107可采用電子開關(guān)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(shí)現(xiàn)獨(dú)立的交流滅磁。

此外，交直流冗余滅磁系統(tǒng)還應(yīng)配置切脈沖裝置，以便在滅磁尤其是在誤強(qiáng)勵滅磁時能可靠地切除勵磁整流器的觸發(fā)脈沖。切脈沖應(yīng)采用獨(dú)立簡單的硬布線接線，由繼電保護(hù)動作信號及斷路器輔助接點(diǎn)啟動。該接線不應(yīng)依賴勵磁調(diào)節(jié)器，以便在勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)器故障時，滅磁系統(tǒng)也能進(jìn)行滅磁。

交直流冗余滅磁系統(tǒng)滅磁分?jǐn)喑揽看艌鰯嗦菲鞯姆謹(jǐn)嗄芰ν?，尚可利用勵磁變壓器副邊?fù)半周的負(fù)電壓實(shí)現(xiàn)交流滅磁分?jǐn)啵婢咧绷鳒绱畔到y(tǒng)及交流滅磁系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，通過選擇不同分?jǐn)嗄芰Φ慕恢绷鞔艌鰯嗦菲?，?gòu)成3種冗余度不同的滅磁系統(tǒng)，可根據(jù)電站規(guī)模和可靠性的要求進(jìn)行選擇。

2.1.1 方案1：安全冗余的滅磁系統(tǒng)

該方案的直流磁場斷路器及交流磁場斷路器在發(fā)電機(jī)各種滅磁工況下，均可單獨(dú)承擔(dān)發(fā)電機(jī)滅磁任務(wù)。發(fā)電機(jī)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(tǒng)在包括誤強(qiáng)勵在內(nèi)的各種滅磁工況下均能可靠滅磁。該方案對發(fā)電機(jī)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?jǐn)嗄芰礉M足發(fā)電機(jī)誤強(qiáng)勵滅磁分?jǐn)嘁筮M(jìn)行計算選擇，交流磁場斷路器尚需有足夠高的滅磁分?jǐn)嗷海詽M足機(jī)端三相短路滅磁分?jǐn)嗟囊蟆?/p>

該方案適用于對發(fā)電機(jī)滅磁可靠性要求特別高的特大型電站，或?qū)Πl(fā)電機(jī)滅磁可靠性要求極高且機(jī)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(jī)端短路滅磁工況外為冗余的滅磁系統(tǒng)

該方案的直流磁場斷路器可單獨(dú)承擔(dān)發(fā)電機(jī)各種滅磁工況（包括誤強(qiáng)勵）的滅磁。交流磁場斷路器可單獨(dú)承擔(dān)除機(jī)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(fā)電機(jī)各種內(nèi)部故障時，交流或直流磁場斷路器均可單獨(dú)承擔(dān)滅磁。

故該方案的直流磁場斷路器須按獨(dú)立承擔(dān)發(fā)電機(jī)各種滅磁工況（包括空載誤強(qiáng)勵和機(jī)端三相短路等）滅磁進(jìn)行計算選擇，交流磁場斷路器只按誤強(qiáng)勵滅磁進(jìn)行計算選擇，不單獨(dú)承擔(dān)機(jī)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?jǐn)嗷狠^低的一般交流斷路器（如真空斷路器）。

該方案適用于發(fā)電機(jī)引出采用分相封閉母線的電站發(fā)電機(jī)，此時發(fā)電機(jī)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(rèn)為可以不予考慮，該方案也可認(rèn)為是完全冗余的滅磁系統(tǒng)。

2.1.3 方案3：除誤強(qiáng)勵及機(jī)端短路滅磁工況外為冗余的滅磁系統(tǒng)

該方案是在發(fā)電機(jī)誤強(qiáng)勵或內(nèi)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(qiáng)勵滅磁分?jǐn)啵羟忻}沖不成功，則在交流斷路器分?jǐn)鄤畲耪髌鹘涣骰芈泛螅芍绷鞔艌鰯嗦菲髯罱K分?jǐn)嘀绷鞔艌鲭娏?，不考慮交流磁場斷路器拒動工況。

由于機(jī)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(dú)承擔(dān)，交流磁場斷路器不單獨(dú)承擔(dān)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(fā)電機(jī)處于續(xù)流滅磁狀態(tài)，直流磁場斷路器只需按誤強(qiáng)勵續(xù)流滅磁及機(jī)端三相短路滅磁進(jìn)行計算選擇，此時直流磁場斷路器整流器側(cè)無電壓，分?jǐn)嗄芰σ筮h(yuǎn)低于單獨(dú)承擔(dān)誤強(qiáng)勵滅磁工況。對于發(fā)電機(jī)各種內(nèi)部故障，交流或直流磁場斷路器均可單獨(dú)承擔(dān)滅磁任務(wù)。

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

2.1.4 小 結(jié)

3個方案中，從磁場斷路器分?jǐn)嗄芰Φ囊髞矸治鰷绱畔到y(tǒng)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?jǐn)嗷阂?，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?jǐn)嗷阂?，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(fā)電機(jī)中已有實(shí)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?jǐn)嗄芰σ笤?個方案中最低，對交流磁場斷路器分?jǐn)嗷阂矡o要求。

2.2 交直流冗余滅磁系統(tǒng)操作與控制

交直流冗余滅磁系統(tǒng)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(jìn)行合適的協(xié)調(diào)控制，保證科學(xué)正確的動作時序，設(shè)備代號參考圖1。

機(jī)組事故后，繼電保護(hù)動作，啟動事故滅磁，先發(fā)出合閘S107令，同時進(jìn)行逆變。經(jīng)S107合閘時間，滅磁電阻投入后，發(fā)出跳閘S101及S102令，并經(jīng)延時Δt，切除勵磁功率整流器的觸發(fā)脈沖。

滅磁電阻需在磁場斷路器分閘前投入，實(shí)現(xiàn)斷路器的移能分?jǐn)?，并避免滅磁過程轉(zhuǎn)子開路。

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

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

2.3 應(yīng)用及效果

交直流冗余滅磁系統(tǒng)是在國內(nèi)外第一次提出并在三峽電站700 MW特大型機(jī)組實(shí)際應(yīng)用成功的發(fā)電機(jī)滅磁系統(tǒng)。2003年隨三峽電站機(jī)組投入運(yùn)行，多年來的實(shí)際運(yùn)行表明，冗余滅磁系統(tǒng)各項參數(shù)符合設(shè)計要求，發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，并能經(jīng)受發(fā)電機(jī)事故滅磁的考驗(yàn)。

目前，一般機(jī)組多采用直流滅磁或交流滅磁方式，對于大型及特大型機(jī)組則采用交直流冗余滅磁系統(tǒng)，提高滅磁可靠性，減輕直流磁場斷路器負(fù)擔(dān)。因此交直流冗余滅磁系統(tǒng)依然是大型及特大型機(jī)組勵磁系統(tǒng)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(tǒng)在溪洛渡［9］、向家壩［10］、烏東德以及白鶴灘［11］等特大型機(jī)組上都得以運(yùn)用，對推動行業(yè)技術(shù)進(jìn)步和國家重大工程建設(shè)有重大意義。文獻(xiàn)［12-13］總結(jié)了最新的勵磁系統(tǒng)設(shè)計理念和關(guān)鍵技術(shù)，就包括了三峽電站首次采用的這項交直流冗余滅磁技術(shù)。

3 誤強(qiáng)勵滅磁過程參數(shù)的實(shí)用計算方法

誤強(qiáng)勵是勵磁系統(tǒng)失控引起的事故，此時勵磁系統(tǒng)與發(fā)電機(jī)由負(fù)反饋?zhàn)優(yōu)檎答佅到y(tǒng)，機(jī)端電壓不斷升高，直到機(jī)端電壓升至1.3倍額定電壓后，定子過電壓保護(hù)延時0.3 s動作跳閘，啟動滅磁，所以該工況為發(fā)電機(jī)最嚴(yán)重的滅磁工況，勵磁設(shè)備乃至發(fā)電機(jī)燒毀事故多由誤強(qiáng)勵事故引起。所以勵磁系統(tǒng)工程設(shè)計中，必須明確誤強(qiáng)勵滅磁過程中的參數(shù)，包括誤強(qiáng)勵滅磁開始的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流和電壓值，磁場斷路器分?jǐn)嗪笳`強(qiáng)勵滅磁過程中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流和電壓值，才能正確選擇滅磁設(shè)備。

發(fā)電機(jī)誤強(qiáng)勵滅磁過程參數(shù)的實(shí)用計算方法，采用了誤強(qiáng)勵滅磁非線性動態(tài)過程分段線性化計算的技術(shù)，對誤強(qiáng)勵滅磁開始的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流、電壓值，以及發(fā)電機(jī)滅磁衰減過程中的特性參數(shù)進(jìn)行計算。

3.1 誤強(qiáng)勵滅磁開始及過程轉(zhuǎn)子電流和電壓計算

發(fā)電機(jī)誤強(qiáng)勵時，發(fā)電機(jī)與勵磁系統(tǒng)構(gòu)成正反饋閉環(huán)，由該閉環(huán)可得到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)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(jìn)行分段線性化處理，可得到發(fā)電機(jī)誤強(qiáng)勵開始后轉(zhuǎn)子電流If（i）的計算公式（忽略發(fā)電機(jī)阻尼繞組）：

由滅磁開始時轉(zhuǎn)子的電流、電壓及閉合回路的參數(shù)，采用上述分段線性化計算法，可對滅磁過程轉(zhuǎn)子電流與轉(zhuǎn)子電壓值進(jìn)行進(jìn)一步計算。再由滅磁過程轉(zhuǎn)子電流與轉(zhuǎn)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(fā)電機(jī)的阻尼繞組時間常數(shù)通常較小，計算發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)阻尼繞組）對三峽左岸電站發(fā)電機(jī)空載滅磁的滅磁過程參數(shù)進(jìn)行計算，計算結(jié)果與發(fā)電機(jī)實(shí)際滅磁錄波數(shù)據(jù)過程十分接近，特別是在轉(zhuǎn)子電流衰減至約10％前，計算結(jié)果和錄波過程數(shù)據(jù)見表3。

3.2 應(yīng)用及效果

在三峽左岸電站，采用該計算方法對發(fā)電機(jī)空載滅磁過程參數(shù)進(jìn)行了計算，并根據(jù)該計算結(jié)果進(jìn)行交直流磁場斷路器的選擇，設(shè)計的滅磁系統(tǒng)隨2003年三峽首臺機(jī)組投入運(yùn)行至今，運(yùn)行穩(wěn)定，期間經(jīng)受2次實(shí)際事故滅磁的考驗(yàn)。

國外一般不考慮空載誤強(qiáng)勵滅磁工況，只考慮機(jī)端三相短路滅磁工況，所以不計算空載誤強(qiáng)勵過程參數(shù)。而DL/T 583-2018 《大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵磁系統(tǒng)技術(shù)條件》明確規(guī)定勵磁系統(tǒng)必須滿足誤強(qiáng)勵滅磁要求，但也沒有實(shí)用的工程計算方法，設(shè)計時多采用估算方法。

該計算方法提供了一種簡單實(shí)用的準(zhǔn)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(yīng)用，該技術(shù)2011年獲得國家知識產(chǎn)權(quán)局頒發(fā)的國家發(fā)明專利［17］。

4 封閉環(huán)境下整流柜冷卻技術(shù)

4.1 封閉環(huán)境下整流柜冷卻方案

出于對設(shè)備安全和環(huán)境的考慮，大型及特大型水電站的發(fā)電機(jī)勵磁功率柜與保護(hù)、控制盤往往一起布置在環(huán)境封閉的機(jī)組單元控制室內(nèi)。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(chǎn)生的熱空氣直接排至室內(nèi)，將使空間相對較小的單元控制室溫度升高，且易形成熱風(fēng)短路，難以保證勵磁功率柜內(nèi)可控硅整流器的冷卻進(jìn)風(fēng)溫度及單元控制室內(nèi)其他盤柜對環(huán)境溫度的要求，如果將勵磁功率柜排風(fēng)口排出的熱風(fēng)排出單元控制室外，由于室外仍是一個布置有其他電氣設(shè)備的封閉環(huán)境，勢必導(dǎo)致這些部位的環(huán)境溫度升高，噪音增大，影響其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。同時，為維持單元控制室內(nèi)的風(fēng)量平衡，需要設(shè)進(jìn)風(fēng)口從周圍部位取風(fēng)，這將使機(jī)組單元控制室變相地開敞運(yùn)行，勵磁功率柜的冷卻空氣容易帶塵，影響勵磁系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

根據(jù)大型、特大型水電站單元控制室封閉環(huán)境的技術(shù)特點(diǎn)，提出了封閉環(huán)境下的新型冷卻方式。利用布置勵磁功率柜的機(jī)組單元控制室已有的封閉式建筑吊頂作為循環(huán)風(fēng)道的一部分（熱風(fēng)區(qū)），在室內(nèi)設(shè)置2臺冗余的空調(diào)系統(tǒng)的冷風(fēng)機(jī)作為冷卻循環(huán)熱風(fēng)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(nèi)其他盤柜的冷卻需求，勵磁功率柜頂部排熱風(fēng)管及冷風(fēng)機(jī)頂部的吸風(fēng)管均與單獨(dú)封閉式建筑吊頂相聯(lián)通，吊頂上遠(yuǎn)離勵磁功率柜的地方開設(shè)平衡風(fēng)口。運(yùn)行時，勵磁功率柜柜頂?shù)某轱L(fēng)機(jī)通過勵磁功率柜下部的進(jìn)風(fēng)口抽取單元控制室內(nèi)的冷風(fēng)對勵磁功率柜進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，冷卻后產(chǎn)生的熱風(fēng)通過柜頂?shù)呐艧犸L(fēng)管直接排至單元控制室的封閉式吊頂內(nèi)，封閉式吊頂內(nèi)的熱空氣在空調(diào)系統(tǒng)冷風(fēng)機(jī)的抽吸作用下，通過冷風(fēng)機(jī)與吊頂之間的風(fēng)管被吸入到冷機(jī)內(nèi)進(jìn)行過濾、冷卻，清潔、降溫后通過冷風(fēng)機(jī)下部的送風(fēng)口送入單元控制室內(nèi)，對單元控制室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行降溫，此時勵磁功率柜下部的進(jìn)風(fēng)口獲得的是經(jīng)清潔、降溫后的室內(nèi)冷空氣，可以保證勵磁功率柜冷卻所需的進(jìn)風(fēng)溫度和潔凈度要求，在單元控制室這種封閉環(huán)境中形成了閉環(huán)的空氣過濾、冷卻系統(tǒng)，系統(tǒng)方案如圖3所示。

式中：L0為勵磁功率柜冷卻風(fēng)機(jī)的循環(huán)風(fēng)量，m3/h；L1為空調(diào)冷風(fēng)機(jī)的循環(huán)風(fēng)量，m3/h；L2為通過單元控制室封閉式吊頂上平衡風(fēng)口的平衡風(fēng)量，m3/h。

為確保整個冷卻系統(tǒng)的安全運(yùn)行，空調(diào)冷源采用一年四季制冷工況運(yùn)行，冷風(fēng)機(jī)按2臺配備，制冷量按單元控制室全部最大發(fā)熱量的150%考慮。單元控制室設(shè)置溫度測控元件，可以根據(jù)室內(nèi)環(huán)境溫度自動控制冷風(fēng)機(jī)的開啟臺數(shù)及制冷容量，保證單元控制室的室內(nèi)環(huán)境溫度全年控制在一定范圍內(nèi)。

4.2 應(yīng)用及效果

這種新型功率柜冷卻系統(tǒng)在三峽電站的實(shí)際運(yùn)行證明其對勵磁功率柜冷卻效果顯著，單元控制室設(shè)備運(yùn)行環(huán)境良好，可保持單元控制室內(nèi)常年溫度在22～27 ℃之間。

該系統(tǒng)解決了封閉環(huán)境下大型發(fā)電機(jī)勵磁功率柜的熱風(fēng)排放及冷卻問題，保證勵磁柜及單元控制室其他盤柜對運(yùn)行環(huán)境的要求。

目前對于不設(shè)單元控制室的電站，勵磁設(shè)備一般布置在發(fā)電機(jī)旁的敞開空間，強(qiáng)迫風(fēng)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(shè)置了單元控制室的巨型機(jī)組，該項技術(shù)仍是較為理想的功率柜冷卻方式，該技術(shù)2010年獲得國家知識產(chǎn)權(quán)局頒發(fā)的實(shí)用新型專利［19］。

5 結(jié) 論

特大型水輪發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，來源于三峽電站勵磁系統(tǒng)的設(shè)計實(shí)踐，成功應(yīng)用于三峽電站，分別獲得2002年和2011年湖北省科技進(jìn)步二等獎。

由于三峽電站的巨大影響力和示范作用，在國內(nèi)其他特大型發(fā)電機(jī)組中獲得了廣泛應(yīng)用，取得了若干創(chuàng)新成果。

（1） 研制的勵磁變壓器是當(dāng)時國內(nèi)外容量最大的單相環(huán)氧澆注干式勵磁變壓器，在設(shè)計理論、工藝結(jié)構(gòu)等方面都取得了創(chuàng)新成果。

（2） 首次提出了交直流冗余滅磁系統(tǒng)的創(chuàng)新理念，解決了特大型發(fā)電機(jī)組勵磁系統(tǒng)由于勵磁參數(shù)高、直流磁場斷路器分?jǐn)嗄芰Σ粔驇淼臏绱趴煽啃詥栴}。

（3） 發(fā)電機(jī)誤強(qiáng)勵滅磁動態(tài)過程參數(shù)計算方法，首次為滅磁系統(tǒng)提供了一種工程實(shí)用計算方法，計算結(jié)果為發(fā)電機(jī)滅磁系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計及滅磁設(shè)備選擇提供了理論依據(jù)。

（4） 密閉環(huán)境下整流柜冷卻技術(shù)因地制宜，利用現(xiàn)有的環(huán)境和設(shè)施，創(chuàng)新地解決了密閉環(huán)境下特大型發(fā)電機(jī)組勵磁系統(tǒng)發(fā)熱量大、冷卻困難的難題。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 陳小明.發(fā)電機(jī)滅磁失敗原因分析及改進(jìn)措施［J］.電力系統(tǒng)自動化，1999，23（22）：54-55.

［2］ 何長平，趙遠(yuǎn)，周亮.勵磁系統(tǒng)誤強(qiáng)勵及滅磁風(fēng)險分析［J］.水力發(fā)電，2014，40（10）：54-57.

［3］ 李鑫琪.660 MW機(jī)組電氣整套勵磁系統(tǒng)事故分析［J］.技術(shù)與市場，2015，22（12）：64-65.

［4］ 陳沖.水輪發(fā)電機(jī)組勵磁誤強(qiáng)勵故障的分析與處理［J］.水電與新能源，2021，35（2）：65-68.

［5］ 趙鑫，易先舉，曾慶贛.三峽電站大容量干式勵磁變壓器研究與應(yīng)用［J］.人民長江，2002，33（5）：1-2，7.

［6］ 何智江.三峽工程左岸電站水輪發(fā)電機(jī)勵磁整流變壓器的幾個技術(shù)問題［J］.變壓器，2004，41（6）：25-28.

［7］ 陳小明，胡先洪.三峽勵磁系統(tǒng)交直流滅磁原理分析［C］∥中國水力發(fā)電工程學(xué)會.第一屆水力發(fā)電技術(shù)國際會議論文集.北京：中國水力發(fā)電工程學(xué)會，2006：959-963.

［8］ 王波，張敬，胡先洪，等.三峽地下電站國產(chǎn)化勵磁系統(tǒng)［J］.大電機(jī)技術(shù)，2011，（6）：63-66.

［9］ 張敬，胡曉，周宇，等.溪洛渡右岸電站UNITROL 6800勵磁系統(tǒng)［J］.水電與新能源，2014，（8）：16-20，24.

［10］ 孔麗君，何長平，王波，等.800 MW水輪發(fā)電機(jī)滅磁裝置選型計算［J］.水電站機(jī)電技術(shù)，2012，35（5）：59-64.

［11］ 羅遠(yuǎn)旺，郭文峰，羅澤文.某大型水電站滅磁回路及控制技術(shù)分析［J］.水電與新能源，2021，35（6）：26-30.

［12］ 陳小明，王德寬，朱必良，等.巨型水輪發(fā)電機(jī)組勵磁系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)［J］.水電與抽水蓄能，2018，4（4）：13-21.

［13］ 劉高睿.水輪發(fā)電機(jī)組勵磁系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.黑龍江科學(xué)，2021，12（12）：94-95.

［14］ 梁建行.發(fā)電機(jī)滅磁系統(tǒng)的分析與計算［M］.北京：中國電力工業(yè)出版社，2009.

［15］ 梁建行，梁波，陳紅君，等.水電廠發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京：中國水利水電出版社，2015.

［16］ 梁建行，易先舉，鄒來勇，等.三峽電站發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)計計算［J］.人民長江，2005，36（1）：1-3.

［17］ 梁建行，易先舉，邵建雄，等.發(fā)電機(jī)誤強(qiáng)勵滅磁過程參數(shù)的確定方法：2011 1 0005571.0［P］.2013-07-31.

［18］ 王波，余翔，胡先洪，等.烏東德水電站機(jī)組勵磁系統(tǒng)熱管整流柜設(shè)計及試驗(yàn)［J］.人民長江，2021，52（5）：120-123，132.

［19］ 易先舉，李光華，邵建雄，等.封閉環(huán)境下大型發(fā)電機(jī)勵磁功率柜冷卻系統(tǒng)：2010 2 0208249.9［P］.2010-05-25.

（編輯：唐湘茜）