1、1水电站励磁系统的技术改造探讨摘要：某改造工程选用 Exc9000 型励磁装置，该装置具有起动平稳、操作方便、运行可靠等优点。文章介绍了该水电站改造前的现状及改造后励磁装置的组成、技术特性等。 关键词：水电站; 励磁系统; 改造 中图分类号： TV731 文献标识码： A 文章编号： 水电站工程中，励磁系统是整个电站的重要组成部分，它对电力系统及发电机本身的安全稳定运行有很大的影响。因而，在工作实践中，不断加强对站内电机励磁系统的应用研究，对全网无功功率分布及有功功率损耗的管理和控制均有非常重要的意义。 一、励磁系统的发展现状与趋势 从制造厂家来看，首先是有多家外国制造商，如广州抽水蓄能电站引
2、进阿尔斯通的励磁装置，隔河岩电站引进加拿大通用电气公司的励磁装置，马迹塘、五强溪电站引进奥地利依林公司励磁装置，三峡水电站采用西门子的励磁装置等；也有引进技术的合作生产企业，如李家峡电站部分机组由东方电机厂与 ABB 合作完成；还有拥有自主知识产权的国有和民营科技企业，如国家电网公司南京自动化研究院、国家电力公司电力科学院、河北工业大学电工厂、华中理工大学等十多家单位都开发了数字式调节器。从水电站励磁装置的技术状况来分析，具有以下基本特点： 2(1)随着微电子技术、计算机技术、电力电子器件的进步，数字化技术不同程度地应用于各类励磁装置中。采用数字化励磁装置已经成为各类老机组技术改造和新机组设计
3、选型的一种趋势。 (2)水电站自动化系统的应用，无人值班、少人值守逐渐成为水电站运行管理的基本模式，水电站运行计算机监控系统、水电站经济运行计算机管理系统以及电网稳定运行计算机自动化调度系统都对励磁装置提出了新的要求。 (3)励磁机采用静止励磁方式已经成为主流。许多相关技术如干式励磁变压器、非线性电阻、热管散热技术等被大量采用。 (4)大型水电机组因可靠性、控制特性的高标准而要求励磁装置的进步明显加快，采用的都是高端产品。该类产品选择上侧重于性能和可靠性，对产品价格不做重点考虑。 (5)抽水蓄能电站对励磁有其特殊要求，目前 100000kw 以上机组其成套设备包括励磁系统在内，主要引进外国产品
4、。从励磁技术看，国内有实力的厂家也能制造，主要是缺乏经验和机会。 (6)中小型水电站包括微型水电站其总量占绝大多数，从现在的市场情况看，这一领域主要是国产励磁装置的天下。老机组改造任务与新建项目各占一半。这部分产品要求的特点是具备基本功能、运行可靠、调试容易、价格低廉、维护方便。 因此，结合国内水电机组励磁调节装置研究开发情况及国外励磁技术的发展情况看，励磁装置开发的重点是调节器，例如设计了双微机励磁调节器等。双微机励磁调节器的双通道完全相同，无主从之分，可双3向切换。从理论上讲，双通道同时出故障的概率很小，但在工程上因为双微机励磁调节器故障而引起机组被迫停机的事故也常有发生，其主要原因是切换
5、不可靠。双微机励磁调节器目前已经是一种比较成熟的方案，主要用于大中型发电机。由于采用双微机励磁调节器会提高励磁系统的投入成本，考虑到励磁调节器在中小型发电机中所占的费用及在电网中承担的任务，要求励磁调节器在设计上简单、可靠、性价比高。因此，工程上把提高单微机励磁调节器的可靠性视为提高中小型发电机励磁调节器整体可靠性的最重要措施。 二、水电站励磁系统改造 1.原励磁调节器的缺陷 某水电站采用的原励磁系统是数字式双通道微机励磁调节器（SJ-800） ，采用三相干式变励磁变，两桥并联式整流桥，灭磁系统由 ZnO 非线性电阻和快速直流断路器组成，用强迫风冷作冷却系统。可以满足机组及系统的运行要求，然而
6、因为当时技术条件有限，仍然存在影响运行的安全隐患，如： （1）励磁调节器的抗干扰能力较弱，多次发出错误信号，如发转子温度过高、整流桥故障等信号使机组误跳。同时因为当时技术水平低，励磁调节器软硬件的档次低，软件功能不完整，人机界面差，没有事件记录不方便进行运行维护，另外励磁调节器还存在着电压和无功调节波动较大，不能投运 PSS 调节等问题，对发电的质量造成影响。 （2）功率柜的设计复杂，加大了主回路的复杂程度以及检修维护的工作量；另外，两柜并联运行时，如果没有均流措施，就会造成两柜输4出电流越差增多，威胁机组的安全运行。 （3）灭磁通流容量和电阻能容量偏小，在发电机短路和强励等严重事故灭磁中将有
7、可能被烧毁。 （4）经过 10 年运行，励磁调节装置的运行时间过长，元件的磨损、老化现象严重，目前的调节器元器件厂家己经不生产，也就是励磁调节装置一旦出现问题没有备件能更换，不能保证机组长时间安全的运行。 （5）很多调节器参数特别是新添加的参数无法在线整定或修改，人机对话窗口不能直接显示出来，不直观，给调试检修、维护等工作带来不便。 改造后励磁系统的特点及组成 EXC9000 励磁系统的主要特点是功能软件化、系统数字化。系统的各个部分均能实现智能检测、智能显示、智能控制、信息智能传输和智能测试,提高了装置的可靠性和工艺水平。 该水电站励磁系统每套由 3 个控制柜组成,分别为调节柜、功率柜和灭磁
8、柜。励磁系统的电源取自发电机机端, 经过励磁变压器降压、全控整流桥整流成直流后供给发电机转子绕组。该系统利用可控硅整流器, 通过控制励磁电流来调节发电机的机端电压和无功功率。当发生过励、欠励、V/ f 超值时, 也起相应的限制作用。整个励磁装置分为 3 个主要功能单元: 励磁调节器单元、功率整流器单元、起励和灭磁单元。以下就各单元功能及特点进行具体阐述。 2.1 励磁调节器单元 2.1.1 励磁调节器 5EXC9000 励磁调节器采用比例、积分、微分( PID) +电力系统稳定器( PSS) 控制模式。有电压给定和电流给定这 2 个给定单元, 分别用于恒机端电压调节( AVR) 方式和恒励磁电
9、流调节( FCR) 方式。励磁调节器采用微机/ 微机/ 模拟 3 通道双模冗余结构。其中 A、B 通道为微机自动通道, C 通道为模拟手动通道, 这 3 个通道从测量回路至脉冲输出回路完全独立。3 个通道以主从方式工作, 正常方式为 A 通道运行、B 通道备用, B 通道及 C 通道自动 跟踪 A 通道。 A/ B 通道调节器采用多 CPU 模式的硬件结构, 几个 CPU 协同工作, 各有分工: 主 CPU 采用 Intel 公司 486DX5-133 工控专用系列, 利用其通用处理能力强、对外接口资源多、周边支撑软硬件多的特点, 作为核心处理器, 完成励磁调节控制; 数字信号处理器( DSP
10、) 芯片具有实时处理大量数据的能力, 非常适合于数据采样及处理, 主要用于实现 34 路模拟量输入的同步采集和高速转换, 16 位数字分辨率。对每个自动通道设置由单片机实现独立的故障检测, 避免自动通道本身故障时不能自检的情况, 提高了运行的安全性。C 通道是基于集成电路的模拟式调节器, 它以励磁电流作为反馈量, 其数字给定电位器由单片机控制一个 12 位精度的串行数模转换器得以实现。用线性集成的 PID 调节电路进行调节, 输出控制信号给移相触发模块进行移相触发。C 通道的励磁调节方式从实现的原理及途径与微机调节器相比是完全不同的, 因而能起到很好的后备作用。调节器硬件方框图如图 1 所示。
11、 6图 1 调节器硬件方框图 2.1.2 人机界面 励磁系统人机界面包含现地操作控制触摸屏和调试软件。通过人机界面可以完成信号及运行数据的显示、参数的显示和调整、应用软件的修改。 全中文的智能化液晶触摸屏功能齐全, 不仅用于运行操作, 也可用于试验和维护, 同时具有数字量、模拟量、通信状态和系统运行状态显示, 可对整个励磁系统的运行工况及各种数据实现完备的监测和记录, 可详细记录多达 150 个的故障及异常工况的产生和复归时间, 并可在整个系统失电的情况下自动对发生故障进行保存。通过智能化触摸按键轻松地实现系统各种功能的投入或切换( 如残压起励投切和通道跟踪投切、PSS 投切等) 。各种操作还
12、配 有详细的操作及闭锁条件说明, 以防止误操作。 EXC9000Debug 调试软件为用户提供一个与调节器交互的可视化接口, 方便用户对调节器进行参数整定。将调试软件安装于便携式计算机中就可以上载或下载励磁调节器的参数表, 保证调节参数的最优化设置。可以在线控制调节器进行相关的操作及功能试验, 如模式切换、零起升压、阶跃试验等。可以利用调试软件修改更新调节器的程序。同时,还具备完善的示波器功能, 在试验运行过程中同时显示 11 路模拟信号。通过调试软件, 技术人员可以 更深入、更直接地与励磁系统进行交互。 72.2 功率整流器单元 该水电站选用了常规功率柜, 每套励磁装置只有 1 个功率柜,
13、结构和功能比较简洁。相对于智能化功率柜系统, 没有控制单元和相应的检测器件,可供采集、监测的信号和参数较少, 与励磁系统其他单元间的信号传输采用了继电器硬接点模式。 2.2.1 整流单元 功率柜中装设了 2 个三相晶闸管全控整流桥,采取并联运行模式。2个整流桥的均流主要通过晶闸管元件参数选配或长线均流等措施予以保证。单桥额定输出电流为 800A, 强励电流为 1600A 持续 50s;整流桥退出1 个支路仍能保证机组在所有运行工况下正常运行( 包括强励) 。晶闸管元件采用英国 DYNEX 公司的 DCR960G28 型, 通态平均电流为 865A,反向峰值电压为 2800V, 允许结温 125
14、e, 即使风机停转,整流桥仍能在额定负荷下运行 30min。 晶闸管整流器每一个支臂上都配置了限流快速熔断器, 防止 1 个支臂故障影响其他回路的工作。还设置了暂态过电压保护, 防止整流器受交流或直流系统的暂态过电压损害。晶闸管元件及熔断器为组件形式并具有互换性, 便于测试、检修或更换。 2.2.2 风机运行方式 晶闸管在整流过程中将产生大量热量, 因此, 功率柜的冷却系统十分重要。改造前的励磁系统多次发生功率柜风机故障, 进而影响了机组的正常运行。该功率柜中设有风道结构和冷却系统, 采用强迫风冷方式, 风机电源由厂用电 AC380V 供电。为保护冷却风机, 还要求设有电动机保8护器, 一旦发
15、生故障, 风机停转并通过励磁系统将报警信号送至上位机。风机启动分为手动、自动 2 种控制方式。自动状态下风机控制实现智能化, 当检测到功率柜处于 运行状态时, 自动启动风机; 当功率柜处于停机或备用状态时, 风机自动停转( 延时 5min) 。 2.3 起励单元 EXC9000 励磁系统采用机组残压起励和外部辅助电源起励( 即直流起励) 这 2 种起励方式。残压起励功能可通过调节柜的触摸屏功能按键进行投退。整个起励过程和顺序控制是通过调节器的单片机系统 LOU 板实现的。 正常情况下, 系统采取机组残压起励方式。采用快速脉冲列技术连续地触发晶闸管整流桥, 使整流桥的输入电压达到励磁装置的正常工
16、作电压。起励过程中, 在晶闸管整流桥的输入端仅需约 10V20V 的电压即可正常工作。但起励时机组残压值也不能太小, 否则将不能维持晶闸管的持续导通, 这样就必须采用外部辅助电源起励。 若在 10s 内残压起励失败, 励磁系统可以自动启动外部辅助电源起励回路。在机端电压达到额定电压的 10%时, 起励回路将自动退出, 立即开始软起励过程将机端电压建立到预置的电压值。外部辅助电源取自厂用直流系统, 起励时仅需一个较小的电流, 不大于 20A, 对直流系统不会造成冲击。辅助电源起励回路为模块化结构, 包括起励接触器、导向二极管、限流电阻等, 其结构原理如图 2 所示。 9图 2 励磁系统主回路原理
17、 若残压起励和辅助电源起励均失败, 即接收起励命令 15s 内建压不成功, 则发起励失败信号。 2.4 灭磁单元 励磁系统灭磁方式分为正常灭磁与事故灭磁。正常情况下灭磁通过改变整流桥导通角的大小实现, 整流桥由整流工作状态过渡到逆变工作状态。灭磁开关始终处于合闸位置, 灭磁电阻不投入。在事故灭磁情况下, 励磁系统在接收到故障信号后立即跳开灭磁开关, 同时接通跨接器, 使发电机转子磁场回路与外接晶闸管断开, 而与灭磁电阻短接成回路, 保证能量可靠转移及缩短灭磁时间。图 2 中压敏电阻器 RV 在正常运行状态下, 阻值很大, 相当于 断路。当两侧电压超过某一定值时, 阻值很小, 近似短路, 从而将
18、灭磁电阻器 RFS 与转子绕组并联。因此, 可有效防止转子绕组过电压。 系统采用能量转移型 DMX-800A 直流灭磁开关, 额定电流为 800A, 额定电压为 600V, 控制电压为 DC110V, 合闸功率为 1. 5kW。灭磁开关最大分断电流和电压大于强行励磁时发电机转子的顶值电流和电压并有一定裕量。灭磁时, 励磁绕组两端的电压瞬时值不大于该绕组对地交接验收试验电压幅值的 50%。采用线性电阻器灭磁, 保证安全可靠灭磁。还设有励磁绕组及功率整流过电压保护装置, 回路过电压时能可靠动作并能自动恢复。 三、励磁日常出现的缺陷分析 101、 励磁调节器电源 励磁调节器电源的稳定直接关系到励磁系
19、统的正常工作。Exc9000 型微机励磁调节器电源如图 3 所示。 图 3 Exc9000 型微机励磁调节器电源 Exc9000 型励磁在设计上采用两套独立电源模块，一套电源模块的输入采用直流和厂用交流电两路电源，另一套电源模块采用直流和自用交流电（机 端励磁变低压侧经自用变降压至 380V）两路输入，电源模块输出并列对两套微机通道供电。显然由于自用交流电的接入，只要机组在运行，即使直流和厂 用交流电均故障，调节器仍然可以正常工作。 2 、实时故障诊断 采用的检测方式有 CPU 检测方式、硬件检测方式和软件检测方式。目前， Exc9000 厂家都注重软件检测方式，及时检测各种异常运行工况，并做相应的报警或切换处理，确保发电机机组运行稳定。 Exc9000 实时故障检测项目有：同步故障检测：判断条件为（Utb+15 %20 %)；Ug 为机端电压，Utb 为同步电压，R63240%机端电压；低励磁电流检测（判断条件为：本通道运行情况下，定子电流大于励磁电流的 10 % 且小于空载励磁电流的 20%） ；以及励磁变副边 CT 故障检测；PT 故障检测；调节器故障检测。
