1、1水电站励磁系统改造探讨摘要：励磁系统是同步发电机的重要配套装置,其对于改善电力系统运行的安全性和稳定性,保证电源质量具有重要意义。旧设备的励磁系统运行效率低，容易发生停机故障。本文主要对水电站的励磁系统的改造进行探讨，以供借鉴参考。 关键词：水电站；励磁系统；技术改造 中图分类号：TV74 文献标识码：A 文章编号： 水电站发电机励磁系统作为水电站中水轮发电机的一个重要组成部分，它承担着向发电机转子提供励磁电流的重要功能，因此励磁系统的性能好坏直接影响整个水电站的运行状况。随着电力系统的发展，对电力系统运行稳定性和机组运行可靠性提出了更高要求，迫切需要性能优、功能多和可靠性高的励磁系统，以满
2、足电力系统稳定及综合自动化的要求。同时，近年来计算机监控技术在水电站中得到了广泛的应用，使得微机励磁装置也迅速在水电站中得到了推广。 励磁调节器是发电机中极其重要的一部分。性能优的励磁控制器可以保证同步发电机运行的可靠性与稳定性。在正常运行时，励磁调节器供给发电机励磁电流，并根据发电机负载的变化作相应调整，以维持发电机机端电压或电网中某一点电压在给定水平上。当发电机突然甩负荷时，它实行强行减磁以限制机端电压，使其不会过度升高。此外，当几台发电机并列运行时，通过励磁控制器的作用可使无功功率在机组间得2到稳定和合理的分配。为了实现上述功能，微机励磁调节器必须具备以下相应的硬件结构和软件设置。一般微
3、机励磁调节器的工作原理如下图1 所示。 图 1 励磁系统框图 某水电站建成较早，生产设备相对落后，尤其是水电站核心部件之一的励磁系统比较落后。因此，对励磁系统进行技术改造，使老电站焕发新生很有必要。下文对水电站的技术改造进行回顾总结与展望思考。 1、水电站励磁系统技术改造的必要性 水电站 l#、2#机组装机容量 23750kW，设计水头为 12.5m，设计流量为 237.32 m3/s。发电机出口电压为 6.3 kV，采用一机一变的单元接线方式，lx, 2#发电机组各与一台 5000 kVA 双绕组电力变压器接成单元接线，3#发电机组与一台 1 250 kVA 双绕组电力变压器接成单元接线。设
4、置一个 35kV 户外升压站，35 kV 母线为单母线接线，电站以一回 35 kV 出线连接至 35 kV 变电站后并人城市新县电网。 该水电站励磁系统的技术设计(即励磁方式电路)为三相半控可控硅整流。额定励磁电压为 35V,额定励磁电流为 135A。由于运行近 10 几年，水电站许多设备日渐老化，故障渐增。尤其是电气设备的励磁系统，由于励磁控制部分电路复杂，经常发生励磁故障，造成水电站多次被迫停产修理，严重影响了水电站运行的安全性和经济效益。 水电站励磁装置采用 ZLT-30 自动励磁调节器。由于受当时技术条件限制，励磁系统内部采用模拟线路，可靠性比较低，经过 10 几年运行元3件已老化，运
5、行时往往出现故障，维修率较高，而且励磁系统采用可控自复励控制方式，一旦机组带负荷跳闸往往造成整流元件、熔断器损坏，造成停机时间长，维修量大。基于这种情况，对励磁系统进行技术改造已成为水电站发展的必然要求。 2、水电站励磁系统技术改造的方案选择 由于水电站是县电网的重要电源，许多人认为应该在保证水电站正常运行情况下进行改造。然而，要保证水电站正常运行生产，还得继续使用故障事后检修的做法，不能从根本上解决问题。因此，应该从根本上改善励磁系统的性能和可靠性。励磁系统技术改造总体上有 3 个方案可供选择。 方案一:采用常规状态检修模式。对症下药地进行电路修理和调整，力求恢复励磁的正常运行参数。这方案看
6、起来最简单，实施起来却不容易。因为时隔多年，原来的电路板和元配件已很难寻觅。晶闸管励磁电路是比较复杂的技术，在电站进行现场改装和调试电路，需要经验丰富的资深技术人员和完备的仪器，否则检修效果难以保证，甚至有可能扩大故障。方案二:改进性检修模式。即保留原来的一次电路，只更换励磁控制的电路。方案三:彻底改造，定做全新的励磁装置。经过公司管理人员、生产技术部和电站技术人员的反复讨论，最终确定选择方案三，该方案得到了集团董事会的大力支持，并最终将其列人技术改造项目。 3、对水电站励磁系统的技术改造 基于励磁系统技术改造的彻底改造方案，水电站技术人员和管理人员对全新励磁系统性能及配置作出以下选择:在励磁
7、方式上，选择静止式4可控硅全控桥自并激励磁系统，即励磁装置型号为 SEC500;在励磁系统形式上，采用自并激静止可控硅整流微机励磁系统，其主要组成包括微机励磁调节装置、三相全控桥整流装置、灭磁过电压保护装置。 之所以选择静止式可控硅全控桥自并激励磁系统，主要是其系统原理科学而简单，容易让电站普通技术人员和管理人员掌握，满足水电站等中小水电站的基本要求，能够进一步拓展水电站发电空间，具有科学性、针对性和操作性。静止式可控硅全控桥自并激励磁系统原理如图 2所示。 图 2 静止式可控硅全控桥自并激励磁系统原理图 4、励磁系统技术改造的基本技术性能要求 (1)励磁系统能满足机组在发电、同期并网、电力系
8、统扰动或故障、强励减励、发电机零起升压、进相运行以及向空载线路充电等各种工况下运行的技术要求。本励磁方案完全满足发电机组在电网突甩负荷、发电机突甩负荷、电网突加大无功负载(如大型感性电机启动等)导致电网电压突降等各种恶劣工况使发电机平稳运行。发电机突甩负荷时，励磁调节器能在 1s 内将发电机电压稳定在额定值附近。 (2)在机端正序电压下降到额定值的 80%时，励磁系统仍能提供不小于 2.0 倍额定励磁电压和 2.0 倍额定励磁电流的强行励磁要求，持续时间不小于 60s。可保证在发电机电压突降时通过自动强行励磁维持机端电压，使发电机不解列脱网。 (3)在发电机励磁电流和励磁电压为发电机额定负载下
9、的励磁电流和5励磁电压的 1.1 倍时，励磁系统能保证长期运行的要求。 (4)励磁调节的电压精度优于 0.5%；励磁系统可保证发电机的电压静差率小于 0.5%。 (5)励磁系统的电压响应时间:上升(强行励磁)不大于 0.08s,下降(顶值电压减小到零的时间)不大于 0.15 s。系统具有励磁电流快速降低能力，即具有逆变灭磁功能。 (6)自动励磁调节器保证能在发电机空载额定电压的 5%130%范围内进行稳定平滑地调节，电压分辨率不大于额定电压的 0.2%0.5%，手动励磁控制单元能保证发电机励磁电压在空载零起升压到额定励磁电压的130%稳定平滑地调节。 (7) AVR 可对发电机电压进行无功补偿
10、，调差率的整定范围为土15%，整定值连续可调。 (8)在发电机空载运行状态下，AVR 调压速度每秒不大于 1%额定电压;每秒不小于 0.3%额定电压。 (9)当发电机 100%全压起励时，发电机电压超调量不大于 5%,振荡次数不超过 1 次，调节时间不大于 1s。 (10)在额定功率因素下，当发电机突然甩掉额定有功负荷和额定无功负荷后，发电机电压超调量不大于 10%。振荡次数不超过 2 次，调节时间不大于 2s。 (11)在规定的发电机进相运行范围内和突然减少励磁时，励磁系统可以稳定、平滑地进行调节。 (12)在发电机空朝重行状态下，频率值每变化 1%，自动励磁调节器6系统保证发电机电压的变化
11、值不大于额定值的士 025%，励磁系统在机端电压频率为 45 一 77.5 Hz 范围内，能维持正常工作，并能保证强励和快速减磁动作。 (13)励磁调节器在其交流工作电源电压短时间内幅值波动范围在55%120%额定值、频率波动范围在 4577.5 Hz 内，能维持正常工作。直流 110V 供电系统，允许电压短时偏差为-20%+10%。 (14)励磁系统具有快速灭磁功能。发电机的灭磁保护按最严重事故工况设计，可确保发电机在空载失控误强励、机端三相短路情况下安全可靠地灭磁，灭磁时间小于 0.8 s。 (15)励磁系统具备发电机转子过电压保护功能。采用高能氧化锌非线性电阻跨接器，可确保发电机在各种异
12、常工况下转子绕组的绝缘安全和功率柜半导体元件的安全。动作的分散性小于 1%，非线性电阻容量按最严重灭磁工况设计，并留有 30%裕量。 (16)励磁系统具有很高的免维护运行特性。 (17)当励磁电流在小于 1.1 倍的额定电流下长期运行时，能保证励磁绕组两端电压的最大瞬时值不超过出厂耐压试验时该绕组对地耐压试验电压幅值的 30%;在任何情况下，励磁系统均能保证励磁绕组两端过电压的瞬时值不超过出厂耐压试验时绕组对地耐压试验电压幅值的 70%。 (18)励磁系统各部件设备及屏柜都具有防尘、防震设计，环境适应能力强。励磁系统可承受 10 倍额定励磁电压的工频耐压试验电压值，无绝缘损坏或闪烁现象。 (1
13、9)励磁控制系统在受到现场任何电气操作、雷电、静电及无线电7收发讯机等电磁干扰时不发生误调、失调、误动、拒动等情况。 (20)励磁系统的年强迫停运次数不大于 0.2s 次/年，年强行退出率不大于 0.1%。 (21)励磁系统操作电源、合闸电源等均按 220V 直流电设计。 (22)励磁调节器微机通过 RS485 串行接口、RS232 串行接口和输人/输出方式与机组 RTU(LCU)连接，实现计算机监控系统的自动控制。 5、励磁系统技术改造的效果与推广应用思考 水电站励磁系统技术改造采用武汉武水电气技术有限责任公司生产的 WSWLT-2000 发电机微机励磁调节器 WSWLT-2000 发电机微
14、机励磁调节器是根据现代控制理论和数字信号处理技术研制的新一代微机励磁调节器。该励磁调 节器采用数字 PID 控制规律，各种励磁控制保护功能齐全，控制精度高，调节速度快，带 10.4 英寸彩色触摸屏显示，易操作、易维护，通讯接口齐全，运行稳定可靠，调节方式和保护功能齐全，采用模块化设计，微机调节控制，硬件电路少、维护量小、可靠性高、操作简单。目前 2 台励磁调节器均已投人运行，各项运行指标均符合技术要求，运行正常稳定。 我国是个水电大国，许多水电站位于农村地区，水电站的发展不仅是我国电力事业发展的需要，也是促进我国城乡区域均衡发展的需要。据水利部统计，2006 年我国农村水电站总装机已达到 5 000 万 kW，约占全国水电总装机的 37%，年发电量达 1500 多亿 kW/h，可以说，我国水电建设取得了巨大成就。但在我国的中小水电站中，有 70%左右是 20 世纪90 年代以前建成的，受当时的设计理念和设备制造工艺水平的限制，中8小水电站普遍存在技术含量低、制造质量差、安全生产隐患多等问题，这些存在问题的水电站都需要进行技术改造。励磁系统是水电站的核心系统，技术改造后可以发挥重要经济效益，因此在中小水电站密集的地区，应加快励磁系统技术改造的推广应用步伐。
