凤凰水电站坝后电站立轴混流水轮发电机组励磁系统的组成及功能分析

邹锡聪

摘要：凤凰水电厂由水库、坝后一级电站和下游二级电站组成。坝后一级电站安装2台立轴混流水轮发电机组，总装机容量3.4MW，机端电压6.3kV。经过变电站升压为35kV后并入电网。机组励磁方式为自并励励磁。

一、概述

凤凰水电厂坝后一级电站位于广东省潮州市凤凰镇，是韩江支流凤凰流域中凤凰水库的坝后式电站，装有二台1.7WM的立式混流水轮发电机组，设计发电水头23.5m，最大发电流量17.14 m? /s，机端电压6.3kv，通过变压站升压35kv后并入下游二级电站，机组励磁方式为自并励磁。

二、系统的组成

系统主要由1台调节器、1台励磁变压器、1台功率整流柜、1 台灭磁柜组成。

1）调节器。主要由3个调节通道，适配器STD总线、人机界面、接口电路等组成。其硬件包括：1套人机界面、1块模拟量适配器、1块现地操作单元板、1个独立的手动控制通道，2个微机调节通道（每个调节通道包括：1块A/D转换，2块I/O板）、1块智能 板及相应的继电路输出板。

三个调节通道由两个数字式自动通道和模拟式手动通道组成，采用微机/微机/模拟三通道型。三个通道通过两条外部总线联结。这三个通道从测量回路到脉冲输出回路完全独立，以主从方式工作，其中1个数字式为主通道，另一个数字通道和模拟式手动通道作为第一备用，第二备用通道。

2）励磁变压器户内干式，三相，环氧树脂浇注绝缘，2.12MVA，Y/△-11接线，6300/170 V/V。

3）功率柜。每个功率柜的主要部件包括：6个可控硅组件（含可控硅、散热器、脉冲变压器、6个带接点指示的快速溶断器、可控硅阻容保护装置、冷却风机及其控制单元、脉冲功放单元、交流侧进压保护单元。4）灭磁柜。灭磁柜主要元件有灭磁开关，耗能电阻、快速熔断器、可控触发器、二极管可控硅、过电压动作检测器。

三、工作原理

励磁电源接于发电机出口端的励磁变压器供给，励磁变压器提供的交流电源在调节器根据输入信号和调节准则的控制下，经过功率柜整流为直流电源，再经灭磁柜送到发电机转子的滑环上，为同步发电机提供激磁电流，为发电机提供可靠性高的励磁电源，接线较为简单。（见图1）

3、系统功能

3.1调节器。

调节器是励磁系统的核心部分，为保护励磁系统的可靠性，采用了三通道主从方式运行，二个数字自动通道和1个人工通道，正常方式为第一自动通道工作，第二自动通道及人工通道做为第一备用，第二备用。调节器按发电机电压偏差或励磁电流偏差进行调节，以保持发电机端电压或励磁电流恒定。

调节器主要包括数据条件、脉冲形成，起励控制、灭磁控制、监测保护等功能。

1）数据采样。采用D/A模数转换处理器，通过采集装在机端的电压、电流互感器的交流量，用傅氏算法算出调节所需的有功功率、无功功率、相角等交流信号量，为调节器提供自动调节、保护的有关数据。

2）脉冲形成。由电压互感器采集系统的电压波形，用触发电器产生触发脉冲，并经过脉冲放大器放大后来触发整流装置的晶用管，通过改变触发控制角来调整整流装置输出的励磁电流。

3）起励控制。励磁系统的起励主要是利用机组剩磁所产生的残压来实现残压起励，当机组的残压值太低时，则由助起励电源和起励回路来提供初始励磁，当机组电压达到励磁装置工作的电压值时，则断开起励回路，通过自励建立发电机的电压。

4）灭磁控制。正常停机时，调节器自动逆变灭磁，当发电机保护或励磁系统保护动作时，在跳开机端断路器的同时，给灭磁柜的灭磁装置发出跳开灭磁开关的信号。

5）监测保护。若监测到是调节器本身出现故障，通过硬件“看门狗”和单片机的故障检测自动切换至备用通道运行。如果是监测到励磁系统内部出现故障，如：电源故障、软硬件故障、PT断线、整流桥故障、脉冲故障、转子过热、通信故障等，并传给发电机监控系统。由发电机监控系统作出故障式事故保护的快速反应。

3.2功率柜。功率柜的整流装置是一个执行元件，在调节器的触发脉冲控制下，调整整流电路晶匣管的导通角，输出满足系统需要的励磁电流值。根据机组励磁容量的要求，选用了2个三相全控式整流桥。均流系数85%以上。退出一个整流桥时，剩余整流桥仍能满足机组额定运行的要求。

3.3灭磁柜。灭磁柜的灭磁装置主要职能是防止非正常停机时，转子产生过高的感应电压损坏晶闸管。灭磁装置原理（见图2）

励磁系统正常停机时，调节器自动逆变灭磁；事故停机时，跳灭磁开关将磁场能量转移到耗能电阻灭磁。工作原理如下：当发电机处于滑极等非正常运行状态时，在转子回路中产生很高的感应电压，此时安装在转子回路的转子过电压检测单元A1模块检测到转子正向过电压信号，马上触发V2可控硅元件，将耗能电阻并入转子回路，通过耗能电阻的吸能作用，将产生的过电压能量消除；而转子回路的反向过电压信号则直接經过V1二极管接于耗能电阻吸能，以确保发电机转子始终不会出现开路，从而可靠地保护转子绝缘不会遭受破坏。而且这种保护的存在，转子绕组会产生相反的磁场，抵消定子负序电流产生的反转磁场，保护转子表面及转子护坏不至于烧坏。

3.4励磁变压器。励磁变压器一次侧接于发电机端，二次侧接至整流装置，为励磁系统提供交流励磁电源。

四、结束语

凤凰水电厂坝后电站2台机组自投入运行以来，发电机自并励磁系统运行稳定，调节响应时间短，起励速度快，并且因接线简单，没有主辅励磁机，轴向尺寸短而节省了投资成本。但是励磁电源取于发电机端，当发电厂侧的线路端发生三相短路时，对于保持系统的暂态稳定是衡量其性能的重要指标，相信通过先进的继保技术和断路器技术能弥补自身的弱点。

（作者单位：潮州市凤凰水电厂）