湖南镇水电站2号机组励磁系统的改造

唐海彪

(浙江华电乌溪江水力发电厂，浙江衢州324000)



湖南镇水电站2号机组励磁系统的改造

唐海彪

(浙江华电乌溪江水力发电厂，浙江衢州324000)

湖南镇水电站原先采用的SAVR—2000励磁系统经过多年运行，产生许多问题和缺陷，无法满足安全稳定运行的要求。根据水电站要求需要进行改造，最终选择了EXC9100型励磁系统。经过改造后现场试验，各试验结果均能达到技术要求，效果良好。图1幅，表1个。

水电站；励磁系统；技术改造；智能化

1　概　述

湖南镇水电站地处浙江省西南部的衢州市境内，在钱塘江上游支流乌溪江上，是乌溪江流域梯级开发的第一级电站。电站机组于1980年全部并网发电，后经过扩建增容，目前共安装5台混流式水轮发电机组，装机容量达320 MW。

2号机发电机及励磁系统主要参数为：发电机型号SF50—24/5200，定子额定电压10.5 kV，定子额定电流3 055 A，额定励磁电压140 V，额定励磁电流1 150 A。

2　改造前情况

湖南镇水电站2号机励磁系统原采用的是国电南瑞的SAVR—2000型励磁系统，该励磁调节器为第二代微机励磁调节器，自2006年12月投运至今已经运行了9年多。随着多年的运行，设备逐渐老化，电气自动化设备的浴缸曲线效应开始逐步显现，故障频率增加，已经无法满足现代电站安全运行的要求，其主要存在下列问题和缺陷：

(1) 励磁调节器的交流采样板、脉冲放大板和模拟信号板等插件在长期运行中由于机组振动与插座之间存在接触不良的情况，造成机组运行的不可靠。

(2) 该励磁装置的工控机多次发生故障死机，包括硬盘故障、串口通讯故障、CPU风扇故障等，返厂维修后问题仍然存在。

(3) 起励回路稳定性下降，多次出现开机时无法正常起励的情况，且并网后无功调节不灵敏，调节幅度变化较大，甚至引发机组进相，影响机组稳定运行。

(4) 设备长期运行后绝缘下降，引起电子元器件的损坏和监控信号的误发。

(5) 数据调试、程序完善较为复杂，且上送监控信息数据有限。

综合考虑以上情况后，为了保证机组及电网的安全稳定运行，决定对2号机组进行励磁系统改造；由于励磁变各项数据良好，本次改造不涉及励磁变。经多方收集资料及对比分析后最终选择了广州擎天实业有限公司研制的EXC9100型微机励磁系统。

3　改造后励磁系统主要特点

EXC9100型微机励磁系统属于第五代微机励磁系统，其全面继承了第四代EXC9000型微机励磁系统的设计理念，在原先功能软件化、系统数字化的基础上实现了检测智能化。该励磁系统的各个单元均可做到智能化的检测、显示、控制以及信息传输[1]，还充分融入了电磁兼容性设计。该系统采用工业级的低功耗、先进集成电路芯片，工艺水准有了较大提高，使励磁装置运行更为可靠。

EXC9100型励磁系统和其他常规励磁系统类似，主要由励磁调节器单元(励磁调节柜)、灭磁及过压保护单元(灭磁开关柜、灭磁电阻柜等)、功率单元(多个功率柜)、起励单元等组成。

4　励磁调节器单元

EXC9100励磁调节器采用双对等调节通道(A、B通道)架构，主/从工作方式，A、B通道间对等冗余、互为主备用，每个调节通道都含有自动方式/手动方式控制单元，两个通道无论从测量回路还是脉冲输出回路均完全独立[2]。

EXC9100励磁调节器创造性地对通道的可用状态进行分级，使励磁调节器的通道切换更为合理、更为智能。调节通道的可用状态一共分成0、1、2、3等4个级别(见表1)。其中3级级别最高，表示所有输入量都正常；0级级别最低，表示通道无法正常运行。当运行通道优先级比备用通道的优先级低时，即运行通道发生故障，将智能切换为备用通道运行。所以只要备用通道优先级别高于运行通道，系统将自动切换到高级别的通道运行。

表1　调节通道的可用状态级别定义

EXC9100励磁调节器的核心主控制板采用主流ARM+ 新型FPGA，嵌入式设计，集成度高。其中的FPGA(现场可编程逻辑门阵列)内部逻辑可以自由编程定义，可完成同步采集控制、同步交流采样及算法实现、频率补偿、同步信号检测、脉冲形成以及CPU接口等功能且并行浮点运算能力强、可靠性高。而智能IIU板可通过多种接口方式灵活地完成励磁系统与电站监控LCU之间的数据交换。智能IIU板通过CAN总线接收励磁系统信息(包括故障信息、状态信息)并完成转换，同时通过串行通讯接口 RS485或继电器输出接点实现与电站监控系统的连接[3]。

该励磁调节器的日常操作主要通过触摸屏触摸实现，拥有直观的UI界面，可以实现励磁参数设定、起励、零起升压、各类功能投/退、无功调差率设定等功能操作。

而在装置供电方面，励磁装置的各硬件控制电路板均采用DC24 V供电，包括开入量及脉冲触发回路电源。24 V电源是通过自带的变压器及DC220 V控制电源，经过2台单独的DC24 V开关电源并联提供，各开关电源均设有独立控制开关，而自带变压器交流电源直接取自励磁变。双路电源设计大大提高了供电可靠性。

根据多年运行的实际需要，该调节器还定制了机组带主变零升压板，当机组带主变做零起升压试验时需要取下该压板，防止机组断路器合上后自动增磁。

由于水轮发电机组的运行特点，停机时可采用电制动，该励磁系统也具备电制动功能。在机组正常逆变灭磁后，智能检测运行工况，达到电制动条件后接入制动电源，加速机组停机。这种励磁装置与电制动装置合二为一的做法大大简化了一次和二次接线，降低了设备投入成本。

5　励磁系统功率单元

湖南镇水电站2号机选用了2台智能化功率柜，每台功率柜安装1个三相可控硅全控整流桥，2台柜并联运行。该功率柜的状态指示灯与测量表计已经由显示屏取代，整个功率柜均通过智能控制板进行检测、控制、调节等。日常操作通过触摸屏来实现，励磁风机也通过电流检测智能控制启停。另外，该功率柜还采用智能均流专利技术，该技术不需要增加设备投入，通过特殊算法可以保证均流系数大于95%，可做到桥臂均流。任一个或多个功率柜因故退出运行，该技术仍能保证剩余运行功率柜之间实现智能均流。

6　灭磁及过压保护单元

机组正常停机时，励磁系统能够自动逆变灭磁，不需要通过断开灭磁开关来灭磁；而当机组事故停机时，则需要立即将灭磁开关断开，转子中的磁场能量可通过过压保护回路中的非线性电阻来消耗。

当发电机运行中发生滑极甚至失步时，由于定转子交变磁场的不同步以及转子回路可控硅的反向截断作用，转子中将产生较高的感应电压；当转子正向电压超过回路中的可控硅触发器整定值时，立即触发可控硅，将灭磁非线性电阻接入回路，以此消耗产生的过电压能量；而当转子反向过电压时，反向过电压能量直接通过二极管和灭磁非线性电阻回路耗能，以确保转子不会出现开路，保护转子绝缘[4]。这种保护消除了不平衡电流带来的磁场影响，从而避免转子表面及护环产生局部高温和机组振动。

当灭磁非线性电阻回路流过正向或反向电流时，灭磁柜智能板通过CT采集相应的电流信号，在触摸屏上显示“过压保护动作”信号，同时向监控发送该信号(见图1)。

图1灭磁及过压保护单元主要回路示意

7　起励单元

EXC9100型励磁系统的起励方式和原励磁系统相同，均为残压起励和直流电源辅助起励两种；其中EXC9100起励方式选择可通过触摸屏UI界面的功能按键实现。

可控硅触发脉冲运用高频脉冲列技术形成双窄脉冲，完成残压起励。残压起励过程中，可控硅整流桥的工作电压维持在10～20 V。当发电机残压值太小时，可控硅的持续导通将无法维持，这时需要采用外加直流电源辅助起励。

在残压起励功能投入情况下，优先采用残压起励，当10 s内无法正常起励时，励磁系统自动加载外部辅助直流电源起励回路；其目的在于使整流桥能维持10～20 V的正常工作电压。

外加辅助直流电源电流不需要很大，一般不超过励磁额定电流的1%。回路中的导向二极管起到反向阻断起励电源的作用，防止起励过程中转子回路的过电压倒送至外加直流回路[5]；而限流电阻用于限制起励电流值。

8　结　语

通过对励磁系统的改造，经过现场调试试验，EXC9100型励磁系统各项性能指标均满足设计、合同相关要求，功能齐全，操作简单，易于维护，解决了原励磁系统存在的一系列问题，有效地提高了励磁系统的运行可靠性，推进了智能化电气设备在湖南镇水电站的应用推广，取得的效果良好。不过在运行中也产生一些疑问，比如，由于大部分操作均在触摸屏上实现，如果触摸屏故障后该如何操作；原励磁工控机经常性死机，新励磁系统的工控机持续运行的可靠性还有待观察等，这些问题将后续和厂家进一步探讨。

[1]李桂红. CAN总线在自并激励磁系统的应用[J]. 水电自动化与大坝监测,2008(4):22_24.

[2]余德贤. 潮州供水枢纽灯泡贯流式机组励磁系统的配置及功能分析[J]. 小水电,2008(2):22_23.

[3]滕玉楠,董合慧. 珊溪水力发电厂励磁调节器改造[J]. 小水电,2010(3):59_60.

[4]关安超.浅论自动灭磁开关及灭磁技术[J]. 安装,2010(10):45_47.

[5]刘坚. 电厂为适应新形势下黑启动所进行的自动化改造[J]. 机电工程技术,2010(5):104_106，114.

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责任编辑吴昊

2016-08-12

唐海彪(1989-)，男，助理工程师，主要从事水电站运行管理工作。

E_mail:yoyohexiaopang@163.com