水轮发电机励磁系统更新改造与应用

李 霞

（国电电力发展股份有限公司和禹水电开发公司，辽宁 本溪 117200）

目前，仍有部分水轮发电机还采用直流励磁机励磁方式，存在励磁装置结构复杂，存在滞后环节，响应时间长，动态性能差等缺点，无法满足现行行业标准中励磁系统模型参数指标要求，也不满足流域水电站智能化集控控制要求。本文以桓仁电站2 号发电机直流励磁机励磁系统改造为目前运用成熟的自并励励磁系统为例，分析解决向自并励励磁系统过渡的技术难题，实现励磁系统单一控制方式向数字化、智能化进行过渡。

1 励磁系统改造问题解析

1.1 对机组动力稳定性的影响

机组轴系的临界转速直接影响机组的安全运行，为保证机组导轴承载荷，机组的动力稳定特性，采用不拆除直流励磁机，只拆除励磁机碳刷及直流引线，避免励磁系统改造对机组轴系动力稳定的影响。

1.2 对继电保护的影响

机组继电保护增加了励磁变过流、速断、温度保护，作用于跳发电机出口断路器、灭磁开关、停机，温度保护告警等，并采用记忆过电流及阻抗保护等方法保证继电保护动作可靠。

1.3 对电力系统稳定性的影响

自并励励磁系统调节速度快，励磁电压在几个周波内就能达到顶值，故障切除后的发电机电势能够迅速提高。励磁系统改造后较好地改善了电力系统暂态稳定及功角稳定，提高了电压稳定水平。

1.4 对电气设备的调整及布置影响

利用原励磁装置盘柜位置安装新盘柜，额外增加箱式励磁变压器位置。励磁变高压侧动力电缆从发电机出口内侧母排接引，灭磁柜连接转子侧的直流动力电缆接引方式不变，电缆布置于桥架槽盒中，电气设备调整及布局优化、合理。

2 励磁系统改造硬件配置

根据励磁系统改造需要解决的问题及整体规划进行硬件配置，该系统由起励回路、励磁变压器、励磁调节器、功率整流柜、灭磁回路及测量用电压互感器、电流互感器、数字化通信网络等组成。

2.1 智能快速起励方式

采用高频脉冲列的智能低残压快速起励技术，实现残压起励，设计起励回路及相应设备。

2.2 励磁变压器

以励磁回路容量、二次侧电压、发电机定额励磁电压、额定励磁电流为设计计算依据，根据国家和电力行业的相关标准及规程规范，并结合机组运行工况对励磁变压器进行选择。励磁变压器为户内、无励磁调压、环氧树脂浇注全密封的三相组合式干式变压器，励磁变的容量选择考虑与励磁系统强励能力相配合，保护定值与励磁系统强励能力相协调，防止机组强励过程保护误动作，水轮发电机励磁系统顶值电压倍数一般为1.5～2，本次励磁改造，励磁系统顶值电压、电流倍数选择2 倍，允许强励时间应不小于10 s。

为改善可控硅整流桥电压波形，变压器宜采用星形-三角形接线。

2.3 智能一体化自动励磁调节系统装置

自动励磁调节系统通常由励磁调节器、励磁功率单元两部分构成。

2.3.1 励磁调节器

本次改造对励磁调节器进行了硬件配置、组件软件、控制逻辑及参数设置等综合改造。选用高性能的EXC9200 型定制化生产设计的调节器，电压等调节精度优越。同时具有多通道冗余能力，通道间切换基于优先级方式，最大限度降低励磁装置强迫退出运行的概率，采用分布式控制架构，实现励磁系统的操作、显示、状态和故障监测等智能一体化，利用电站现场总线技术实现数据实时远传，便于电站动态监控励磁系统运行工况。

2.3.2 励磁功率单元

智能化功率柜配置了智能控制单元，具有风温、三相励磁电流检测和风机检测等附加功能，实现控制、显示和故障报警等功能，并通过 CAN 总线或光纤通信与励磁调节器通信，形成智能一体化的系统。在智能化功率柜中更实现了功率柜间的桥臂均流系统电磁兼容技术，电磁兼容能力均优于标准要求的3 级水平。整流功率柜中采用双套冗余三相桥式全控整流电路，两个并联全控支路互为热备用，保证发电机在强励所有运行工况下均能持续运行。功率柜中配备智能化风机控制系统，根据开机令或电流输出值启停风机，风机互为备用，故障时，发出报警信号。

2.4 数字化 CAN 总线及光纤数字通信系统

励磁调节器内部具备双CAN 总线，脉冲传输采用光纤传输方式，脉冲传输回路经过专门的电路处理，具有较强的抗干扰能力。对外通信接口根据机组监控、国网传输要求等特点，采用千兆自适应以太网、光纤通信、IEC0870-5-104 等通信协议，采用双机四网冗余配置。现地人机接口使用工业级触摸屏、PLC 配置串口通信管理模块，实现现地LCU 与外围设备的串口通信；本体LCU 柜设现地交换机，通过光纤环网接入主干网交换机，可以将模件和端配板分开布置在两个盘柜内，通过使用加长的专用电缆连接，保证改造前后外部线可以正常接入新的屏柜。

2.5 智能化灭磁柜

发电机正常停机时采用逆变灭磁，事故停机采用磁场断路器加非线性电阻灭磁方式。

2.5.1 智能灭磁柜

灭磁柜智能控制板的核心控制芯片为 ARM，智能化灭磁柜取消了常规表计和指示灯，灭磁柜的操作、控制、状态监视、信息传递、信息显示等均实现了智能化，灭磁柜故障、状态信号，可通过 CAN 总线或光纤通信传送到调节柜进行处理。

2.5.2 磁场断路器

在发电机励磁绕组主回路中设置一台双断口磁场断路器，其分断电流的最大值不低于3 倍额定工作电流，最小值不高于6%额定工作电流，确保磁场断路器在正常强励和各种异常故障等工况下跳闸时，保证足够的断口弧压，形成足够的转子反向电压。

2.5.3 灭磁电阻

励磁绕组的灭磁过电压保护装置采用氧化锌非线性电阻，是目前所知的最理想的灭磁及过电压保护材料，它具有单位体积能容量大，保护性能好，漏电流小，老化寿命长等优点。

2.5.4 智能化转子温度告警

灭磁柜智能控制板通过计算转子绕组的电阻来估算转子温度，实度转子温度的监控。

2.6 互感器

因励磁方式改造前后发电机额定参数不变，因此电压互感器、电流互感器可不必更新。

3 励磁系统主要设备参数与型号选择

3.1 励磁变压器

3.1.1 发电机参数

额定容量：106 MVA；额定功率：90 MW；额定机端电压：13.8 kV；额定电流：3 690 A；额定功率因数：85%；转子额定电流：1 350 A；转子额定电压：316 V；额定空载励磁电压：120 V；额定空载励磁电流：608 A。

3.1.2 励磁变参数计算（按发电机待增容参数计算）

（1）额定二次电流计算

（2）额定二次电压计算

自并励静止励磁系统顶值电压在发电机额定电压时不低于2.25 倍额定励磁电压，因此按如下公式计算变压器二次电压：

Utn=（2.25Ufn+ΔUT）/[1.35×（cosa-c×Ucc×lp/Ifn）]

式中，ΔUT为电流回路中线路压降，包含可控硅总压降及电缆压降，一般取6 V，c 为倾斜系数，三相全控整流桥取0.5。

Utn=（2.25×335+6）/[1.35×（cos10°-0.5×0.08×2）]=622 V

实际选择Utn=630 V。

（3）额定视在功率计算

励磁变压器容量选择考虑高海拔参数修正与校验，并留有14% 的裕度，电站所在地海拔高度＜1 000 m，无需进行修正。

3.2 起励回路计算

3.2.1 最小起励电流

Iff=2%lfo=0.02×690 A=13.8 A

起励电阻的电压降

Ur=Uff-Ud-Ub-Iff（R75℃+Rc），Rc 是起励回路的电缆电阻，电缆规格是 4 mm，共3 m 长。

Rc=1.6×10～2×（1+0.004 3×100）×3/4=0.017 Ω，Ur=220 V-2 V-2 V-13.8 A×（0.205 3 Ω +0.017 Ω）=212.9 V，起励电阻Rp=Ur/Iff=212.9 V /13.8 A=15.4 Ω，电阻功率Pf=Iff×Rp=13.8 A×15.4 Ω =2 932.8 W。

起励电阻的额定功率可以选择Pr=10%Pf=0.1×2 932.8 W=293.3 W。

3.2.2 起励回路参数确定

起励电源：直流220 V；起励电阻：10 Ω；起励电阻的额定功率：1 000 W；起励接触器额定电流：100 A；续流二极管额定电压、电流：1 800 V、120 A。

3.3 晶闸管及快熔计算

（1）晶闸管反向重复峰值电压

（2）晶闸管通态平均电流计算

In≥Ksa×Kji×Id×[K4/（K2×K5×K6）]，其 中，Ksa-电流储备系数，取2；Kji-电路系数，对三相全控桥取0.367；K4-海拔高度系数，取1.1；K6-风速降低，温度上升系数，取0.9；K2-风速系数，6 m/s，取1.0；K5-环境温度系数，40℃时取1.0；Id-单桥标称输出电流，2 000 A。

根据上式，In≥2×0.367×2 000×[1.1/（1×1×0.9）]=1 794.2 A，实际选取的晶闸管元件通态平均电流In=2 060 A。

整流桥并联数np=lp/（K7×In），式中K7为均流系数，按最严重情况取0.85；lp 为强励顶值电流，计算得np=（2×1 350）/（0.85×2 060）=1.54。两个整流桥可满足强励工况运行要求，若只考虑1.1 倍额定励磁电流长期运行，np 为0.85，即单桥就可满足长期运行需求。

3.4 灭磁电阻计算

3.4.1 灭磁残压计算

灭磁电阻是非线性的，材料是ZnO，它与跨接器的配合，既用于灭磁，又用于转子过电压保护。根据标准IEC60034-1，在额定磁场电压高于500 V 时，其转子绕组耐压水平应至少为额定值的10 倍，即：Ufn×10=335 V×10=3 350 V

另外，灭磁电阻应能有效抑制转子电压并使其不超过转子绕组对地耐压值的50%，但不得低于30%，因此灭磁电阻的残压值可在1 421.1～2 368.5 V间选取。

同时，灭磁电阻残压值还不得高于灭磁开关的最大断弧电压，对于选定的灭磁开关E2N/EMS-1 600 A/1 000 V，该值为1 200 V，为保证灭磁时磁场能量能够顺利转移至灭磁电阻，灭磁残压的选择也是宜低不宜高，因此最终选择灭磁残压值为1 100 V。

3.4.2 灭磁能量计算空载误强励工况下转子绕组储存的能量可由以下公式计算得出；

Wf=0.5×R75℃×T'do×Ifo×2Ifn=0.5×0.22×75 s×690 A×2×1 350 A=1 536 975 J=1.54 MJ灭磁电阻的额定能容应按上式计算结果的70%选取并留有20%的裕度，即

Wf×0.7×1.2=1.54 MJ×0.7×1.2=1.29 MJ，实际选取 1.44 MJ。

3.4.3 转子过电压保护设定值选取

整流桥的换相过电压可以达到励磁变压器二次侧电压的峰值的 2.5 倍，即×630 V=2 227.1 V

转子过电压保护的设定值应该不低于上述值，且不得高于转子绕组对地耐压水平的70%，即，实际选取2 400 V。

3.5 灭磁开关计算

3.5.1 额定电压

额定电压应不低于转子回路长期运行电压的最大值，也就是励磁变压器二次电压的峰值电压，即

Ue≥×630 V=890.8 V，所选开关的额定电压值为1 000 V。

3.5.2 额定电流计算Iu≥1.1×Ifn=1 485 A，所选开关的额定电流值1 600 A。

4 励磁系统软件设计及效果

4.1 励磁调节功能

励磁调节器的调节通道具有两种运行方式，自动方式和手动方式，自动方式是主要运行方式，手动方式是辅助运行方式，不允许长时间投入运行。自动方式为恒机端电压调节，手动方式为恒励磁电流调节。发电机起励建压后，两种运行方式相互跟踪，两种运行方式之间可以人工切换，机端PT 故障时由自动方式自动切换为手动方式。

4.2 软启励控制

为了防止在发电机起励建压过程机端电压出现较大的超调，设置软起励控制功能。励磁调节器接收到开机令后，首先置自动方式的电压给定值为30%，起励升压后，当机端电压大于 30%额定值后，调节器再以一个可调整的速度逐步增加电压给定值到预置值，使发电机电压逐渐上升。

4.3 通道跟踪

通道间实现了精度更高的脉冲跟踪，实现通道切换前与通道切换后，系统状态一致。切换过程中，系统无波动，两套调节器的采样系统一致性好，在全范围内的采集结果基本相同。同步移相环节一致性好，可以保证两套调节器控制信号相同时，输出脉冲一致。

4.4 励磁保护功能

励磁电流顶值和强励反时限限制、欠励、V/F、过无功限制、定子电流限制的作用在励磁调节器中通过励磁保护限制器来实现，按照励磁要求计算整定。

5 励磁系统改造前后性能对比

发电机励磁系统改造符合国家、行业相关技术标准、性能和技术指标，满足国网公司PSS、建模、进相等涉网试验标准要求，直流励磁机励磁系统改造为自并励静止励磁系统性能对比见表1。

表1 改造前后励磁系统性能对比表

6 结论

通过励磁系统创新改造，将终端智能设备和物联网技术融合，实现了励磁系统设备智能化管理，提高了水轮发电机组运行的安全性、稳定性，为水电站励磁系统智能化改造提供了定制化解决方案，此项技术在东北其他水电站得到推广应用。