仙人岩水电站发电机励磁系统的技术改造

朱朝晓

（瑞安市水利电力开发公司，浙江 瑞安 325200）

仙人岩水电站位于浙江省瑞安市巾仙溪上游，装有两台分别为500kW和400kW的混流式水轮发电机组，总装机容量900kW，最大年发电量达320万kWh，年平均发电量200万kWh，是巾仙溪流域内最大的水电站，具有发电、防洪、灌溉等功能。电站建成投运于20世纪80年代，受当时技术与资金等条件限制，发电机组控制技术水平较低，尤其是发电机组的励磁系统，经过20多年运行故障问题日益增多，需要对励磁系统进行技术改造。

1 问题分析

仙人岩水电站发电机额定电压400V， 频率50Hz，采用双绕组电抗分流励磁系统，额定励磁电压40V，励磁电流192A。该励磁系统属于上世纪70年代相复励中的一类，技术落后，并网或单机运行时对网压变化的跟踪性能差，复励系统难以调整和适应网压波动。

双绕组电抗分流发电机电压整定范围由电抗器的气隙大小决定。由于受气隙调节限制，发电机电压调整范围狭窄，难于适应电压幅度变化大的电网。发电机复励强度大小调整由电抗器线圈的固定抽头接线方式变化决定，因此根据各种网电压调整发电机励磁系统跟踪能力，难以正确整定到位。当发电机相复励作用过强，并网时就出现过补偿。励磁电流随负载的性质和大小而变，当负载为感性时，负载电流越大，相复励系统输出励磁电流越大；当负载为容性时，负载电流越大，相复励系统输出励磁电流反而越小。因此当发电机端电压大于网电压并网时，易导致发电机处于深过激状态最终使发电机出线断路器跳闸，导致机组解列；当发电机端电压小于网电压并网时，容易导致发电机处于深欠励状态最终使发电机无功励磁调节系统失效。

发电机励磁系统线性电抗器线圈在运行过程中因励磁电流的分流作用而发热严重焦化，起励建压及并网运行中，在电压变化时发出异常响声。由于机组运行年限长和经常调整电抗气隙导致电抗器铁心叠压松动，特别是可调部分的上压铁松动时，在交变磁通激励下，上压铁沿横向振动及上下振动而发出响声。在同样电压下电抗器铁芯中磁通密度不变，若上压铁松动，则电磁振动加剧，响声加大，甚至达到刺耳的程度。各线圈因长年振动和发热导致线圈内侧绝缘层破坏，经常发生单相接地分流而烧毁线圈。发电机副绕组各引出线因工作环境长期高温也严重焦化，经常发生线间短路，无法起励建压。各整流元器件老化现象日趋严重，发电机运行中经常出现无功震荡，并网运行不稳定，设备故障率增多，对电站的安全运行构成了严重威胁。

2 改造方案及技术原理

根据仙人岩水电站的具体情况，以及电气自动化和安全稳定运行的要求，采用可控硅静止励磁系统对原励磁系统进行改造。可控硅静止励磁系统具有自动跟踪网压调节励磁电流大小的功能，且励磁跟踪响应快，无功调节稳定，发电机电压调节范围广，技术性能先进。

两台或两台以上发电机组要正常并列运行，稳定合理地分配无功，必须具有始终下降的有差调节特性，且调差率大小是可调节的。静止可控硅励磁系统的调差装置能够满足这一要求。

可控硅静止励磁系统的励磁调节器，可根据并网后的大网电压波动值自动调节和控制输出相对应的励磁电流调节信号。单相半控整流电路根据调节控制信号的大小自动触发可控硅向发电机转子输送对应的励磁电流，使发电机稳定运行。

2.1 单相半控整流励磁主电路

单相半控整流励磁主电路由可控硅、硅整流、调节板和励磁变等元件组成。励磁变电源取自发电机机端出口侧，励磁变设计时应充分考虑电站的安全经济运行，以及励磁变输出电流是否满足不小于1.1倍额定励磁电流长期连续运行的要求，且应保证当发电机近端出现短路故障导致电压降至80%时，仍有足够的电压输出和强励倍数。

整流变压器由于非正弦电流引起较大的漏抗压降，因此它的直流电压输出外特性较软。励磁变压器采用Yd11联结组标号，这样二次绕组相电压超前电源电压30度。触发电路变压器采用DY1联结组标号，同步电压滞后于电源电压30度，这种配合方式下，触发脉冲前沿可移至桥式整流电源电压60度处。由于发电机励磁变整流负载容量小，单相整流变即可满足运行要求，因此选用DZ系列单相干式电力变压器。该变压器阻抗值设计时充分考虑短路电流要求，绕组导线截面宽，即单位面积上的电流密度小，绕组温升和短路损耗均在预定值内。

2.2 无功调差环节

发电机并网或并列稳定运行时应按正调差方式接线，电气原理如图1所示。励磁调节器的输入端有单相的调差环节，由电流互感器TA和电位器RT组成。调节控制信号取自C相定子电流，电阻上的压降直接加在电流互感器的二次侧，其接线方法使输出电压幅值只反映电流的无功分量。改变调差电位器RT阻值可以改变发电机调节特性的斜率，而调节特性的上下平移，可以通过改变测量单元中电压整定电位器的阻值大小来实现。

这种调差电路具有接线简单、调试方便、调差电流互感器（TA）极性容易识别，以及运行可靠性高等特点，改变电流互感器TA的输入极性即可改变调差方式。

2.3 发电机起励环节

采用静止可控硅励磁系统的发电机一般均需设置独立的起励电源，小型水电站宜采用直流屏电源作为起励电源。从提高电气自动化水平和节约设备投资考虑，本次技改利用厂用电变压器电源和发电机残压两路电源手动选择自动投入起励。

该方案的优点是在发电机无失磁正常状态下，只需待发电机转速达到正常转速的95%的额定转速后投起励开关，此时发电机的残压（6～8V）经起励开关和整流电路整流送至转子进行残压起励。当发电机起励升压到40%～50%额定电压值时，自动切断残压起励环节，发电机的电压由励磁调节器控制提升至额定电压值。在发电机失磁非正常状态下残压起励失败，发电机残压值低于6～8V时，采用厂用电变压器电源起励。两种起励方式的选择采用手动转换开关按发电机起励运行实际状况切换电源，起励方便且造价低，省掉昂贵的直流屏起励设备，使发电机在没有外电源的状况下也能顺利起励工作。同时由于设置了起励过流脱扣继电器电路，不会出现起励过电压现象。

3 改造效果

按上述方案改造后，单机运行时发电机励磁系统的电压调整率及反应速度明显优于原电抗分流系统。起励后迅速建压稳定在空载额定电压400V，带负载电压变化范围小，且自动调压迅速。励磁系统技改前后单机运行效果比较见表1。

由表1可以看出，改造后的静止可控硅励磁系统可使发电机电压带负荷突变自动稳定效果提高，机端电压变化率小于2%。

改造后的静止可控硅励磁系统并网运行稳定可靠。在网压为400V时，调节励磁整定电位器可使功率因数维持在0.8；当电网电压波动时，励磁调节板自动调节使发电机功率因数恢复稳定值。技改前后并网运行功率因数比较见表2。

表1 励磁系统技改前后单机运行电压对比

表2 励磁系统技改前后并网运行功率因数对比

由表2可以看出，励磁系统改造后，当电网电压波动时发电机的无功功率变化稳定，不会出现无功震荡现象，发电机在每一区间均能正常稳定运行。

改造后励磁系统的运行实测结果显示，发电机电压静差率为±1%～±3%，动态电压变化率为15%～22%，电压整定范围为0.8（空载）～1.1（满负荷），短时过载或短路维持电流3倍以上，调差率为10%，各项技术性能指标均达到励磁系统标准要求，系统运行稳定可靠。

4 结语

仙人岩水电站技改后的励磁系统结构简单、调试维护方便、运行安全可靠，表明采用单相半控桥式整流电路为并网运行的500kW以下机组提供励磁电源是可靠的。本技改方案实施费用低，每台机组改造不超过5000元，技改后仅电站无功考核达标当年就能收回成本。仙人岩水电站发电机励磁系统改造方案适合在小型水电站技改中推广应用。

[1]许建安. 水电站自动化技术[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2006.

[2]许建安. 电力系统微机继电保护[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2001.

[3]许招才. 低压水轮发电机组运行与维修[M]. 北京: 中国计划出版社, 1999.